关键词： 钛合金   动态再结晶   本构方程   锻造模拟   锥齿轮  

摘要： 钛合金因高强、轻质等特性,在航天、医疗等行业广泛应用。但钛合金冷变形能力低,高温变形,尤其是锻造成形,是生产钛合金结构件的重要手段。锻造成形不仅可以提高产品精度还可以优化钛合金材料的组织结构和机械性能,因此研究钛合金的高温变形行为和锻造成形过程具有重要的现实意义。Ti5Al2Cr2Fe2Mo合金(Ti-5Al-2Cr-2Fe-2Mo,wt.%)是一种新型钛合金,具有优良的力学性能。本文通过高温力学性能实验、电子背散射衍射实验、X射线衍射实验、金相实验揭示Ti5A12Cr2Fe2Mo合金在高温压缩变形(温度800℃-1100℃,应变速率0.01s-1-10s-1)过程中的力学行为和微观结构演化规律,并结合本构方程和热加工图,运用有限元模拟技术对Ti5Al2Cr2Fe2Mo合金的热墩粗和锥齿轮热模锻过程进行系统研究。本文所做的主要研究工作及得到的主要结论如下:Ti5Al2Cr2Fe2Mo合金是一种应变速率敏感型材料,当变形温度升高或应变速率降低时,位错滑移更容易进行且位错不易塞积,流变应力降低。当变形温度为900℃-1100℃时,Ti5Al2Cr2Fe2Mo合金由β相组成,主要织构类型为{001}和{110}织构,变形温度降低或应变速率升高可使动态再结晶变得更加困难,此时大角度晶界占比和动态再结晶晶粒体积分数逐渐减小,在高温高应变速率条件下,Ti5Al2Cr2Fe2Mo合金中存在动态回复现象。当变形温度为900℃时,显微组织中同时存在α相与β相,应变速率的提高会导致动态再结晶程度降低,α相和β相的再结晶晶粒体积分数降低。基于Arrhenius模型,构建了 Ti5Al2Cr2Fe2Mo合金的本构方程和考虑应变补偿的高温本构方程,计算结果表明所构建的本构方程可以准确预测合金的的流变行为,本构方程也可以作为后续有限元模拟中的材料本构模型。根据Ti5A12Cr2Fe2Mo合金在0.3、0.6、0.9应变下的真应力数据和动态材料模型建立了不同应变下的热加工图,确定出了 Ti5Al2Cr2Fe2Mo合金热加工时的稳定区域和失稳区域。结果表明,Ti5Al2Cr2Fe2Mo合金最佳热加工温度为850℃-950℃,应变速率为0.032s-1-0.316s-1,在失稳区域,Ti5Al2Cr2Fe2Mo合金会发生流动局域化。基于建立的Ti5Al2Cr2Fe2Mo合金Arrhenius本构方程和热加工图,运用刚粘塑性有限元法对Ti5Al2Cr2Fe2Mo合金棒料的热墩粗过程进行模拟,研究了变形速度、变形温度和摩擦系数对工件变形过程及行程载荷曲线的影响。模拟结果表明锻件心部会出现过热的现象,减小变形速度和工件与模具之间的摩擦有利于提高锻件性能,升高锻造温度会使锻件变形更加均匀,同时变形抗力和成形所需载荷均有减小。利用DEFORM-3D软件模拟锥齿轮开式模锻过程和闭式模锻过程,根据Ti5Al2Cr2Fe2Mo合金在高温变形过程中的微观结构演化规律、热加工图和热墩粗模拟结果确定锻造工艺参数为温度930℃,锻造速度10mm/s,摩擦系数0.1;根据锥齿轮零件设计锻件毛坯和锻模结构。模拟结果显示制定的工艺参数和设计的模具合理,两种模锻方式所需载荷均约为2000KN,齿形填充效果良好,但开式模锻锻件的金属流速更加均匀,变形抗力更小,闭式模锻锻件变形更加均匀。

关键词： 圆弧齿轮泵   螺旋角   齿数   流动特性   优化设计  

摘要： 齿轮泵作为液压系统中主要的动力元件,广泛应用于工程机械、航空航天、医疗化工等领域,随着工业各领域对液压系统稳定性的要求越来越高,齿轮泵的高效率低脉动成为其发展的主要趋势。圆弧齿轮泵从齿轮端面型线入手,使其区别于普通渐开线型齿轮泵,从齿轮结构上改善困油现象,减少甚至消除容积式泵固有的流量脉动,提高了泵运行过程中的稳定性。本文以圆弧燃油齿轮泵为研究对象,该齿轮泵的齿顶与齿根采用一段光滑圆弧,中间以渐开线连接,在运行过程中,齿轮齿间没有闭死容积,传动平稳,尤其在高压高速的情况下仍能保持较为稳定的运行状态,但由于其复杂的齿轮结构,只有在特定的几何参数取值下,圆弧齿轮泵才能达到很好的运行状态,否则会呈现相反的趋势。基于此,本文基于坐标变换建立“圆弧-渐开线-圆弧”齿形的数学模型,通过对其啮合传动的可行性进行分析,建立总重合度的数学模型,接着建立圆弧齿轮泵瞬时流量及齿轮受力的数学模型,探究影响其内部流动及齿轮受力的几何因素。在此基础上,通过选定4组不同螺旋角、4组不同齿数的圆弧齿轮泵,在不同进出口压差、不同转速运行工况下探究螺旋角、齿数对其内部流动特性的影响,利用三维仿真软件Pump Linx探究圆弧齿轮泵在转动过程中内部流场的变化,期间搭建圆弧齿轮泵闭式试验台,测量不同进出口压差下样机的体积流量,验证数值模拟的准确性。基于NSGA-Ⅱ遗传算法对其进行多目标几何参数优化设计,推进圆弧齿轮泵更快地转向实际应用。通过对不同几何参数下圆弧齿轮泵内部流场的分析及其多目标优化设计,结果如下:(1)螺旋角的增大对圆弧齿轮泵出口流量特性有显著影响,当螺旋角从23.74°逐渐增至39.24°,泵出口平均流量值先增后减,在6MPa、1450rpm工况下,23.74°至39.24°泵的容积效率分别为72.64%、73.96%、74.40%、73.09%,随螺旋角增加,泵出口瞬时流量脉动系数下降,且在高压时,较大螺旋角仍能保持较低的流量脉动值;(2)随着齿数的增多,流量脉动系数并不是线性减小的。7齿齿轮泵的数值模拟平均出口流量最大;9齿齿轮泵的理论瞬时出口流量最小,在8MPa、2000rpm工况下,7-9齿齿轮泵的容积效率与6齿齿轮泵相比,依次变化:+18.34%、+7.15%、+20.70%;(3)利用NSGA-Ⅱ遗传算法对流量脉动系数、排量及体积目标函数进行多目标优化,通过CFD数值模拟对比优化前后的圆弧齿轮泵的流动性能,优化后的圆弧齿轮泵流量脉动系数较优化前降低,总体水力性能得到提升。总体来说,增大螺旋角,增多齿数对减小其流量脉动有积极作用,对运行过程中圆弧齿轮泵出口流量(或者容积效率)的提高、泵腔内压力分布趋于平稳,相邻齿间压差减小、泵腔内流动状态趋于稳定、齿轮径、轴向受力趋于均匀、齿轮受力脉动减小等有积极影响,但这种积极影响并非随某一因素的改变呈线性变化,而是受该变量及与该变量有关的因素的叠加作用,因此针对不同的运行工况或设计要求,始终存在最佳的几何参数使该泵保持稳定的运行状态。本文通过建立齿轮几何参数(螺旋角、齿轮齿数、齿宽)与圆弧齿轮泵流动性能(流量脉动系数、排量等)之间的定量关系,分析齿轮泵出口流量(压力)特性、腔内压力分布、齿轮受力的分布规律,并对几何参数进行优化设计,为今后圆弧齿轮泵的选型提供一定的理论基础。

关键词： 轴承动力学   齿轮动力学   轴承配合   耦合动力学模型   振动分析  

摘要： 齿轮传动是机械中最常用的传动形式之一,由齿轮副、传动轴、轴承、箱体等部件组成,是一个复杂的弹性机械系统,广泛应用于航空航天、轨道交通、汽车工业、船舶、风力发电等重要领域。滚动轴承作为齿轮传动系统中最为关键的零部件之一,起着支撑部件旋转、降低摩擦磨损和保证回转精度的作用,轴承运行状态是否正常往往直接影响整个传动系统的性能。而轴承配合关系又对轴承运行状态影响较大,不同的轴承配合关系会导致轴承游隙出现变化,轴承游隙的变化将显著影响轴承的接触角,从而导致轴承内部滚珠的运动状态、轴承载荷分布变化进而影响以此来影响轴承的寿命。当轴承配合关系不当时,会出现装配困难、配合表面破坏、主轴磨损、轴承松动、轴不对中等问题。因此,研究滚动轴承内外圈不同配合关系对齿轮传动系统动态特性的影响,合理选择内外圈配合关系,以确保高速运转中轴承内圈与轴、轴承外圈与轴承座之间保持适当的配合关系,对保证轴承正常运转,充分发挥轴承的承载能力,提高轴承使用寿命及齿轮传动系统工作可靠性具有重要意义。本论文从建立考虑轴承配合关系的齿轮-轴-轴承耦合系统动力学模型入手,对轴承配合、系统输入转速、系统输出转矩及滚珠与保持架碰撞力对耦合系统动态特性的影响展开研究。论文主要研究内容包括:1)针对考虑轴承内外圈不同配合关系的轴承动力学建模问题,根据厚壁圆筒应力、应变分析和赫兹接触理论,提出了轴承内外圈过盈、间隙配合关系的位移激励表征方法,建立了考虑轴承内外圈不同配合关系的轴承动力学模型。对考虑配合关系前后的轴承动力学模型的计算结果进行了对比分析,研究了轴承外圈配合间隙、轴承内圈配合公差及轴承配合面加工粗糙度对轴承动力学模型动态特性的影响;2)针对轴承配合关系对齿轮-轴-轴承耦合系统动态响应特征变化规律不清问题,在第二章轴承过盈、间隙配合关系的位移激励表征模型基础上,考虑了齿轮时变啮合刚度、轴承保持架与滚珠周向碰撞、系统输入转速及系统输出转矩等因素的影响,建立了齿轮-轴-轴承耦合系统平移-扭转动力学模型,分析轴承配合等级、外圈间隙、输入转速及输出转矩对时变啮合力、轴承内外圈振动、保持架与滚珠周向碰撞力、滚珠公转稳定性及滚珠与滚道接触力的影响。采用ISO轴承疲劳寿命计算方法,根据仿真获得的滚珠与滚道接触力对轴承疲劳寿命进行估算,分析上述因素对轴承疲劳寿命的影响;3)针对考虑滚动轴承配合关系的齿轮-轴-轴承耦合系统动力学模型的验证问题,设计并搭建了考虑不同轴承配合关系的齿轮传动试验台,完成了不同配合、输入转速、输出转矩工况下的振动测试,对比分析了振动测试结果及仿真结果,验证了本文所搭建的考虑滚动轴承配合关系的齿轮-轴-轴承耦合系统动力学模型的有效性。同时,对比分析了不同振动测点、输入转速、输出转矩下系统振动响应,探明了不同输入转速、输出转矩下齿轮传动系统振动响应的变化规律。

关键词： 面齿轮   温度场   热变形   动力学   修形  

摘要： 面齿轮是一种应用于直升机主减速器的新型齿轮,其传动系统具有传动比大、运行平稳、承载能力强和重量体积小等优点。在传动过程中,摩擦生热将导致齿轮产生温升并受热膨胀,以至于会引起相关误差,进而影响传动系统的传动性能。为降低齿轮温度场带来的影响,需要对系统进行热分析和动力学分析。因此,本文以同轴面齿轮分扭传动系统为对象进行相关研究,主要内容有: (1)通过齿轮啮合原理推导面齿轮的齿面方程,并分析了齿面接触轨迹;基于应力分析、速度分析和摩擦分析等计算出齿面的摩擦热流密度;基于传热学理论计算了圆柱齿轮和面齿轮各表面的对流换热系数;建立了同轴面齿轮分扭传动系统的有限元模型,利用有限元软件进行仿真,获得了各齿轮的温度场分布。 (2)结合石川法计算了面齿轮的啮合刚度并进行了傅里叶拟合;根据机械热变形理论计算了圆柱齿轮和面齿轮的热变形,并利用ANSYS Workbench软件进行了仿真对比分析;根据弹塑性力学理论推导齿轮对的热弹耦合附加载荷计算方法,利用软件仿真得到了热修正系数;分析了齿轮温度场对齿侧间隙、啮合刚度和载荷分配系数等传动参数的影响。 (3)基于集中质量法,考虑摩擦、齿侧间隙和时变啮合刚度等参数,通过分析啮合线方向的相对位移和啮合力,建立了23个自由度的同轴面齿轮分扭传动系统动力学模型,利用MATLAB编程求解了动力学方程,得到了系统的固有频率,并分析了支撑刚度及温度场对固有频率的影响。 (4)通过龙格库塔法求解了同轴面齿轮分扭传动系统的动力学方程,得到了输入齿轮和惰轮的均载系数;利用ADAMS软件分析了系统的动力学均载系数,并与理论值进行了对比;分析了热弹耦合同轴面齿轮分扭传动系统的均载特性,考虑温度场后,系统均载特性变差,因此需根据变形分析选取合适的修形量和修形曲线对圆柱齿轮进行齿廓修形,利用软件对修形后的齿轮进行温度场仿真。

关键词： 齿轮传动   动态接触分析   有限元方法   动凝聚   线性互补   修形  

摘要： 齿轮传动是动力传输的核心部件,在高速工况下动态接触性能的高效精准分析是齿轮设计与优化的关键要素。而齿轮的动态接触分析却面临着计算效率和计算精度不能兼顾的困境。现有的有限元软件因其计算精度高以及易建模等优点已经成为齿轮接触分析主要方法。但是由于其存在大量非线性运算,所以计算量大、效率低。为了在保证接触分析计算精度的前提下提高计算效率,本文根据动凝聚思想推导了新的高精度动凝聚方程,并将动凝聚方法与线性互补方法相结合建立了基于动凝聚和线性互补的齿轮动态接触分析模型,最后算例与ANSYS计算结果进行了对比验证。主要内容为: (1)在学习相关理论的基础上确定了齿轮动态接触分析方法研究思路:首先建立齿轮的有限元模型,提取其基本数据;由动凝聚方法将运动微分方程中的总体自由度凝聚到主节点自由度上,减少计算量;然后利用缩减后的运动微分方程,结合线性互补方法建立主、从动齿轮的点-面互补模型。 (2)高精度三级迭代动凝聚方程推导:分析现有动凝聚方法,以三级最高精度凝聚公式迭代计算缩减矩阵,得出较高精度的动凝聚方程,形成高精度动凝聚接触分析方法。然后结合该动凝聚方法对齿轮-轴简化模型进行接触压力分析,与ANSYS瞬态动力学计算结果进行对比,该方法的计算误差控制在1%以内,计算效率为传统方法的7.6倍。 (3)建立齿轮动态接触分析数学模型和求解方法:根据线性互补方法,接触压力与接触间隙构成互补关系,互补关系与其控制方程构成线性互补方程。为建立控制方程,利用Bozzak-Newmark方法将主从动齿轮的运动微分方程转化为代数方程;然后结合坐标转换矩阵、虚功原理得到主、从动轮位移力方程。根据位移力方程和间隙位移方程消除位移变量得到控制方程。最终形成互补方程,利用数学规划法求解。 (4)以高精度动凝聚与线性互补相结合建立齿轮动态接触分析方法:首先选择潜在接触点与齿轮中心节点自由度为主自由度,以缩减矩阵将微分方程中的自由度等效替代为主自由度,计算缩减后的质量阵、刚度阵、阻尼阵;由此形成缩减后的运动微分方程,参与后续互补方程推导;最后形成基于动凝聚和线性互补的齿轮动态接触分析流程。 (5)计算应用:利用该方法分析齿轮动态啮合过程中的接触压力,与ANSYS分析结果进行比较,线性互补动态接触分析方法的计算误差控制在5%以内,计算效率达到ANSYS分析的3.6倍,验证了其有效性。最后利用该方法分析了误差、修形和不同工况对接触压力和接触间隙的影响,为齿轮的设计制造提供参考。

关键词： 高压内啮合齿轮泵   输出流量   远场流致噪声   齿轮副强度   可靠性  

摘要： 内啮合齿轮泵结构简单、成本低、加工方便,广泛应用于机床、船舶、飞机、汽车等机械行业,具有良好的发展前景。压力是内啮合齿轮泵最主要的性能参数,随着我国高端主机装备技术水平的进步,对内啮合齿轮泵在高压下的性能要求也不断提高。然而,工作压力的增高会导致齿轮泵质量不稳定、早期故障率高、可靠性差。目前,尽管国内企业具备了高压内啮合齿轮泵的生产能力,但国产高压内啮合齿轮泵在容积效率、噪声、可靠性等方面与国外产品仍有较大差距。本文以高压内啮合齿轮泵为研究对象,结合数值仿真、动力学分析及可靠性理论,开展了高压内啮合齿轮泵输出流量、远场流致噪声、齿轮副强度的可靠性研究。研究内容如下:(1)高压内啮合齿轮泵流场声场试验与仿真研究开展了高压内啮合齿轮泵输出流量与噪声的试验研究,建立了高压内啮合齿轮泵流体域有限元模型,制定了提高间隙处粘度来防止高压工况下齿轮泵油液倒流的仿真策略,开展了考虑轴向间隙与径向间隙泄漏下的高压内啮合齿轮泵流场仿真,揭示了压力场与流速场的分布规律,探明了高压区与低压区的压力波动特性;通过宽频噪声模型探明了内部流致噪声声源的分布规律,通过声比拟噪声模型计算了远场流致噪声。(2)高压内啮合齿轮泵输出流量与远场流致噪声可靠性评估确定了高压内啮合齿轮泵输出流量与远场流致噪声的影响因素,开展了基于拉丁超立方抽样的试验设计,联合UG三维建模软件与Workbench Fluent仿真软件进行了随机参数化仿真,采用树突网络建立了高压内啮合齿轮泵输出流量与远场流致噪声性能的随机响应模型,采用四阶矩鞍点逼近法评估了高压内啮合齿轮泵输出流量与远场流致噪声的可靠度。(3)高压内啮合齿轮泵齿轮副强度可靠性评估建立了内啮合齿轮副非线性动力学模型,揭示了外齿轮与内齿圈的位移、速度、加速度的动态响应特性;通过动力学分析获得了齿轮副的动态啮合力,进而计算了齿面动态接触应力与齿根动态弯曲应力;确定了内啮合齿轮泵齿轮副强度的影响因素,分别以最大齿面接触应力与最大齿根弯曲应力为响应,建立了高压内啮合齿轮泵齿轮副强度性能的随机响应模型,评估了高压内啮合齿轮泵齿面接触强度与齿根弯曲强度的性能可靠度。本文对高压内啮合齿轮泵的输出流量、远场流致噪声、齿轮副强度进行了性能可靠性研究,获得了高压内啮合齿轮泵在转速1500r/min、工作压力25MPa工况下的可靠度变化曲线,在此基础上可进一步开展高压内啮合齿轮泵的可靠性灵敏度研究,进而实现高压内啮合齿轮泵的结构优化设计。该论文有图60幅,表12个,参考文献94篇。

关键词： 液压传动介质   水基液   SiC纳米流体   齿轮泵   容积效率  

摘要： 液压介质在液压系统中扮演着极为重要的角色,然而矿物型液压油易燃,且液压系统泄漏难以避免,会污染环境及危害人身安全。随着石油资源消耗量日益增多,资源短缺,水介质因其安全、环保的优势,在冶金、采矿等一些安全性要求较高的特殊场合逐渐替代矿物型液压油,并逐渐从特殊应用区域走向普通工程领域。但纯水介质低粘度、润滑性能差,易加剧液压系统中元件关键摩擦副的磨损,从而导致系统效率降低。齿轮泵作为液压系统动力源,以其结构简单、自吸性能强、对介质污染不敏感等特点得到大量应用,随着资源短缺与可持续发展的问题日益突出,研究了新型液压介质对齿轮泵的容积效率的影响。首先阐述了液压介质的分类,概述了水基纳米流体粘度与抗磨减摩研究现状,分析其作为液压介质应用在液压系统的可行性。简述了齿轮泵容积效率的研究现状,分析了外啮合齿轮泵容积效率的影响因素,结合相应流体理论,分析了外啮合齿轮泵的容积效率与工作压力和摩擦副磨损状况之间的相关性。研究了齿轮泵的容积效率的影响因素,分析泵自身结构、液压介质物理性质、出口压力、关键摩擦副磨损对泵容积效率的影响。采用CFD仿真技术,设置不同出口压力,对水基纳米流体和纯水齿轮泵出口的瞬时流量进行监测,分析出口压力及液压介质物理性质对泵瞬时流量的影响。仿真结果表明,齿轮泵容积效率随工作压力的增大而减小,在相同工作压力下,水基纳米流体相比纯水较高的粘度使得水基纳米流体齿轮泵其容积效率在相同条件下高于纯水齿轮泵。分析了水基纳米流体磨损机理,设计磨损实验,以磨损量为表征量研究了水基纳米SiC流体液压介质的抗磨性能。设计齿轮泵的磨损实验和容积效率实验。与纯水相比,应用水基纳米SiC流体液压介质的齿轮泵磨损量更小,水基纳米流体优异的抗磨性能有效减少了关键摩擦副的磨损,降低了因磨损而增大的间隙增长速度,降低了泵容积效率下降速度,延长了泵的磨损寿命。但当纳米SiC颗粒质量分数增加到一定值时,齿轮泵磨损量几乎不变,甚至有所下降,这是因为纳米颗粒通过沉积在摩擦副表面减少了磨损量。齿轮泵容积效率随工作压力增大而减小,而随着纳米SiC颗粒质量分数的增加,液压介质粘度增大,同等工作压力下容积效率更高。相比纯水,水基纳米SiC流体承载能力更强,使齿轮泵能够在较高的工作压力下能长期保持较高容积效率。

关键词： 自动传输线   链式输送系统   有限元分析   动力学特性   位置控制  

摘要： 齿轮自动传输线主要应用于齿轮生产加工传输领域。随着工业制造水平的不断提升,齿轮作为工业生产中应用非常广泛的基础件,对其相关的生产加工要求也愈发严格。齿轮自动传输线作为齿轮生产加工过程中的传输装置,因其具有传输精度高,人工操作少,适用于较为恶劣的工作环境等优点,而得到广泛的应用。能够有效提高齿轮生产精度和生产效率,是未来齿轮加工生产的主要发展方向。链式输送系统是自动传输线的重要组成部分,它不仅是传递力的机构,也是齿轮的承载件,常受到变化的动载荷和较大的冲击作用,其动态特性将直接影响传输中的相关性能。因此,对于齿轮自动传输线及其链式输送系统相关技术特性进行研究,具有很强的现实意义。本文首先依照设计要求并结合生产实际,对关键机构进行选型并最终确定了自动传输线的结构方案;应用SolidWorks软件对各部分结构进行实体建模与整机装配,并对关键部件进行静力学仿真并分析所得结果;针对链式输送系统进行了动力学模型建立以及Matlab仿真;根据输送系统的粘弹性特性,采用Kelvin-Voigt模型对其进行离散化有限元模型建立,推导出该模型的动力学方程;确定了链式输送系统的仿真参数,在Matlab/Simulink软件中建立链式输送系统动力学模型,进行不同边界条件下的特殊工况仿真试验分析,并开发了特殊工况GUI仿真用户界面。针对链式输送系统进行有限元分析。以动力学仿真试验结果作为依据,应用ANSYS软件对输送系统在不同边界条件下的卡链瞬间,链节单元主要构件进行有限元分析,并对链式输送系统的常规模态与施加预应力模态展开对比分析,从而得出系统各阶固有频率、振型等结果,通过进行谐响应和瞬态动力学分析,得到相应结论。基于变论域模糊PID技术对链式输送系统进行位置控制研究。采用三闭环控制原理建立链式输送系统的位置控制模型,并通过计算确定位置环模型的闭环传递函数,以此作为被控对象,提出一种变论域模糊PID控制技术。在Matlab/Simulink中分别建立常规PID控制器、模糊PID控制器、变论域模糊PID控制器模型,采用单位阶跃信号作为输入信号进行仿真对比试验,确定了使用变论域模糊PID技术能有效提高位置控制模型的相关特性指标,从而拥有更好的控制效果。

关键词： 航空弧齿锥齿轮   弹性环式挤压油膜阻尼器   流固耦合   瞬态动力学   参数分析  

摘要： 为了改善齿轮转子系统的振动特性,挤压油膜阻尼器被广泛应用于发动机支承结构上。但由于高偏心率和大涡动半径下油膜动力特性高度非线性,易导致双稳态、锁死和非协调进动现象发生,引发系统振动过大,造成动静转子的碰磨甚至使发动机损坏,限制了挤压油膜阻尼器的使用。针对上述问题并结合弧齿锥齿轮和弹性环结构的特点,论文推导了弹性环变形方程和油膜压力控制方程,并通过流体有限元分析进行了验证;建立了双向流固耦合的弧齿锥齿轮系统瞬态动力学模型,分析了起动过程油膜动力特性和齿轮动态特性的变化,研究了弹性环几何参数对油膜动力特性和齿轮动态特性的影响;研究成果对航空弧齿锥齿轮转子系统的减振设计具有重要意义。论文主要内容如下:(1)建立弹性环式挤压油膜阻尼器数学模型,基于弹性环式挤压油膜阻尼器几何结构及参数,通过半解析法计算弹性环变形;基于广义雷诺方程推导油膜压力控制方程,通过有限差分法计算油膜压力,进而得到油膜力、油膜刚度和油膜阻尼;通过流固耦合有限元分析验证油膜压力求解的正确性,并研究弹性环几何参数对弹性环静刚度和油膜压力的影响。最大与最小油膜压力的理论计算结果和有限元分析结果的误差均在20%以内,在选取的变量中,弹性环凸台个数改变,对弹性环刚度的影响最大,弹性环凸台高度改变,对油膜压力的影响最大。(2)采用集中参数法,建立考虑弹性环式挤压油膜阻尼器的弧齿锥齿轮系统动力学模型,该模型引入油膜动力特性(油膜力、油膜刚度和油膜阻尼)和弹性环-鼠笼静刚度,综合考虑时变啮合刚度激励、时变传动误差激励及齿侧间隙等非线性因素,使用精细时程积分法进行计算。(3)分析起动过程的工况参数,联立求解油膜控制方程和弧齿锥齿轮动力学方程,获得齿轮动态特性和油膜动力特性随时间变化的结果,探究油膜对齿轮瞬态动力学特性的影响规律。考虑油膜后第七阶固有频率较大振动处横向位移峰峰值降低18%,频域加速度降低13.4%,油膜力、油膜刚度和油膜阻尼在较大振动处均明显增大。非共振区齿轮横向位移峰峰值随时频的增大而减小,油膜力、油膜刚度和油膜阻尼的均值和峰峰值也随时频的增大而减小。(4)探究弹性环凸台高度、凸台个数和弹性环宽度对航空弧齿锥齿轮系统瞬态动力学特性的影响。弹性环凸台高度减小,直接导致偏心率增大,此时油膜不仅没有起到减振的作用,反而使得振动更加剧烈;凸台高度增大,油膜动力特性均减小,弱化了减振效果。凸台个数增大,弹性环刚度增大,齿轮横向位移均值减小。弹性环宽度增大可以增强油膜动力特性,加强阻尼器的减振效果。

关键词： 涂层   齿轮传动   接触特性   摩擦磨损   胶合承载性能  

摘要： 齿轮作为机械传动系统中传递运动和动力的核心部件,是工业、农业、国防军工等领域装备中使用最为广泛的传动形式。在较大接触载荷及高速旋转过程中,齿面啮合处摩擦产生的高温会致使润滑油膜破裂,齿面发生胶合失效现象。而对在大功率、重负载、高转速等恶劣工况下服役的齿轮来说,对齿轮的表面强度、综合性能提出了更严苛的要求。现代表面强化技术通过在齿面上沉积减摩涂层,可以有效的改善摩擦性能,提升齿轮的表面强度、耐磨性、胶合承载性能,具有巨大的应用前景。本文基于齿轮啮合理论、摩擦学、热力学等理论,对两种类金刚石(DLC)涂层齿轮的胶合承载性能及摩擦磨损特性进行了分析和试验研究。明晰了减摩涂层对齿面起到强化作用的原因,对于更好的发挥涂层减摩耐磨作用具有一定的理论意义和应用价值。主要的研究工作如下: (1)涂层与齿轮副接触特性的关系。基于赫兹弹性接触理论,建立齿轮啮合静力学以及涂层-基体界面有限元接触模型,比较有限元仿真结果与赫兹理论值,验证了有限元模型的可行性。分析了涂层-基体界面接触应力分布情况,对比不同膜基弹性模量比对于接触特性的影响。 (2)减摩齿轮本体温度热分析。根据齿轮啮合理论,计算出主、从动轮相对切向速度、啮合点接触应力、齿轮对流换热系数、摩擦热流量等参数。利用ANSYS稳态热分析得到单齿本体温度场,分析了本体温度场分布特点及齿面摩擦系数对齿轮本体温度场的影响。 (3)涂层与齿轮副胶合承载能力的关系。根据Dowson Higginson公式计算出了渐开线直齿轮的油膜厚度和膜厚比;根据Blok闪温公式计算出了齿面接触温度,并利用有限元方法对涂层-基体摩擦热进行了仿真分析。研究了摩擦系数、载荷等因素对于齿轮副胶合承载能力的影响,为减摩涂层应用于齿轮以提高胶合承载性能提供理论依据。 (4)在标准钢球试件和齿轮上分别沉积两类DLC涂层(a-C:H涂层和ta-C涂层),利用拉曼光谱、三维超景深显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)和振动加速度传感器,通过结合力压痕试验、四球摩擦磨损试验、齿轮胶合承载试验,对ta-C和a-C:H薄膜的微观结构、成分含量、机械性能、胶合承载性能和摩擦磨损性能进行研究分析。发现a-C:H涂层表现为疲劳磨损,未见明显损伤。ta-C涂层齿轮为磨粒磨损和粘着磨损,发生了齿面胶合、微点蚀和塑性变形。相比ta-C涂层,a-C:H薄膜具备更低的摩擦系数和更良好的结合力,对基体提供了良好的保护,表现出了更为优异的减摩耐磨和胶合承载性能。