关键词： 直齿轮   分数阶微积分   时变啮合刚度   齿根裂纹   齿面点蚀   增量谐波平衡法   多尺度法   能量法  

摘要： 直齿圆柱齿轮作为载运工具中最常见的基础零部件之一,在铁路、公路和航工等重要领域中都起着至关重要的作用。由于其本身结构的复杂性及内外部激励的共同作用,使得齿轮系统是一种既包含非线性因素,又包含参数激励的弹性结构系统,在啮合过程中表现出复杂的动力学响应特征。另外,运行过程中极易出现由疲劳、过载和不良润滑等原因引起的局部故障,严重影响整个机械设备的工作效率和安全性。因此,对齿轮系统的非线性动力学行为和故障机理展开研究,对于机械设备的早期故障诊断、齿轮设计和安全维修具有重要的理论意义和工程应用价值。本文以单级直齿轮减速器为研究对象,研究其非线性动力学响应,并分析齿根裂纹和齿面点蚀故障机理及齿轮系统的故障振动响应。论文主要研究内容如下:(1)利用增量谐波平衡法得到系统周期解并分析系统动态响应。首先得到了直齿轮副扭转振动模型,其中考虑的主要影响因素有齿侧间隙、时变啮合刚度和传动误差。基于分数阶微积分理论,建立了三类含有分数阶微分/积分的非线性参数激励齿轮副扭转振动模型。利用增量谐波平衡法将描述齿轮系统的非线性常微分方程转化为代数方程组,然后求得模型的近似周期解。最后研究了齿轮系统动力学行为随重要参数变化的情况,包括冲击状态、振动幅值、转变频率和主、超谐共振等。研究表明,利用增量谐波平衡法得到的解析解与幂级数展开法得到的数值解基本重合,研究结果可以为齿轮参数的设计和优化提供一定的理论指导,并为故障机理的研究奠定基础。(2)研究了多自由度齿轮系统的参激共振问题。在齿轮系统的扭转振动模型中,若同时考虑齿轮副支承系统的垂向振动及主、从动齿轮支承轴承的间隙,建立了多自由度直齿轮模型。利用多尺度方法求解了该模型在3:1内共振下的主参激共振和组合参激共振的稳态解,并结合Lyapunov第一方法对稳态解的稳定性进行了分析。研究了系统重要参数,如齿侧间隙、轴承支承阻尼和齿轮啮合阻尼,对系统稳态解幅值及稳定性的影响规律。从动力学的角度明确了稳态解的稳定区和非稳定区,确定了影响系统稳定性的因素。(3)研究了齿根裂纹影响下时变啮合刚度的变化情况和齿轮系统的故障振动特征。齿根裂纹存在并逐渐扩展超过轮齿中线,基于能量法计算了含齿根裂纹的直齿圆柱齿轮在单齿啮合区和双齿啮合区的刚度。考虑到轮齿的实际形状,提出了一种改进的变截面悬臂梁模型,用于计算时变啮合刚度,其中将轮齿建模为始于齿根圆的悬臂梁模型。构建了四类齿根裂纹模型,计算了十三种裂纹水平下的时变啮合刚度。对含有齿根裂纹的单级齿轮减速器的故障振动特征进行了分析。最后利用含齿根裂纹和断齿故障的齿轮加速度振动信号定性地验证了理论结果的正确性。通过分析可知,由于齿根裂纹的出现,啮合刚度发生显著变化,改进的变截面悬臂梁模型降低了计算误差,可以求出更加准确的时变啮合刚度。(4)基于新型齿面点蚀模型计算了点蚀影响下的时变啮合刚度并研究了齿轮系统的故障振动特征。提出了一种描述齿面点蚀故障的新模型,该模型将每个点蚀形状近似地视为椭圆柱的一部分,其中考虑了齿数的多少,用从齿根圆出发的变截面悬臂梁模型来模拟轮齿。根据点蚀在齿面上的分布位置和数量定义了三种损伤级别:轻度点蚀、中度点蚀和重度点蚀。基于能量法计算并比较了无故障齿轮和含有不同程度齿面点蚀齿轮的时变啮合刚度。讨论了点蚀位置和点蚀尺寸对时变啮合刚度的影响。研究了单级直齿圆柱齿轮传动系统的故障动态特性,并利用动力传动故障诊断综合实验台对理论结果进行了实验验证。新型齿面点蚀模型考虑了各个点蚀之间的重叠,与实验和实际工程应用中的点蚀形状更接近。研究结果表明,开展齿轮系统的非线性动力学行为演化和控制的研究,以及对齿根裂纹和齿面点蚀产生机理的分析,对于揭示齿轮动力学的深层特性,深入了解机械设备振动和噪声产生的可能原因具有重要意义,从而对推动非线性动力学和控制学科的发展、保障机械设备的安全稳定运行具有重要的理论价值和长远的工程指导意义。图87幅,表10个,参考文献167篇。

关键词： 深度学习   迁移学习   多模态   齿轮箱   故障诊断  

摘要： 齿轮箱作为旋转机械中应用广泛且易损坏的部件,在传递运动和动力的过程中承担着重要角色。在复杂工作条件下,齿轮箱关键零部件齿轮、轴承等极易发生故障,故障样本往往稀缺且模态单一,待测目标样本少标签甚至无标签,致使故障诊断困难。随着大数据时代的到来,基于深度学习智能故障诊断凭借对数据强大的特征处理能力得到广泛关注。针对上述问题,引入多模态融合技术以提取更为全面的故障信息特征,引入迁移学习技术用于解决训练数据不足,研究基于深度多模态迁移的齿轮箱故障诊断方法,主要研究工作如下:(1)针对实际工况中典型故障样本不足和带标签样本少的半监督迁移问题,提出一种少样本标签情况下基于基于半监督学习的深度多模态迁移网络(Semi supervised-Deep Multimodal Transfer Network,S-DMTN)的智能故障诊断方法。从时域和频域多模态特征级融合的角度,在完备标记的源域数据样本中获得诊断知识,建立预训练模型;再利用目标域中少部分标记数据信息微调模型,同时借助域适应迁移方法,适配源域和目标域的数据分布差异,寻找目标域中大量未标记数据中的规律;最后实现对目标域待测样本做出识别和诊断。通过实验验证了不同工况下该方法S-DMTN在迁移诊断任务中的有效性,并与经典的深度学习模型CNN、浅层迁移方法TCA以及单时域或频域深度迁移学习方法STTL和SFTL对比分析。通过迁移诊断实验及对比分析,验证该方法在少样本标签变工况下可进一步提高齿轮箱轴承诊断的准确率。(2)针对实际工作条件中工程样本数据没有标签且标记耗时耗力的无监督迁移问题。提出一种无标签样本情况下基于无监督学习的深度多模态对抗迁移网络(Unsupervised-Deep multimodal Adversarial Transfer Network,U-DMATN),该方法将数据分布自适应的迁移思想和对抗训练策略相结合,来解决齿轮箱的故障诊断问题。以振动信号的时域和频域数据级融合后的多模态信息作为模型的输入,并依旧将一维卷积神经网络作为基本框架,引入生成对抗网络作为源域和目标域的隐式度量距离进行对抗式训练,利用带标签的源域和无标签的目标域进行迁移学习,进而完成齿轮箱不同工作条件下的迁移诊断任务。验证了U-DMATN模型在不同工况和不同故障类型间迁移诊断的有效性,并通过对比分析迁移方法TCA、JAN和DDC的学习能力,进一步验证模型在无标签样本情况下所提方法对齿轮箱故障诊断的优越性。

关键词： 齿轮箱   功率损失   参数研究   量纲建模  

摘要： 齿轮系统作为重要的传动部件,广泛应用于汽车、航空航天、机床等领域。齿轮系统的效率水平是其关键性能参数,准确的功率损失预测是提升齿轮系统运行效率的重要手段。齿轮箱功率损失主要由负载相关功率损失和负载无关功率损失组成。负载相关功率损失主要指齿轮和轴承等运动部件间的摩擦所引起的损失,包括齿轮啮合功率损失和轴承摩擦功率损失。负载无关功率损失主要指各种旋转部件(如齿轮和轴承)搅动润滑油、空气以及油气混合物所造成的功率损失。齿轮箱功率损失的影响因素众多,现有的功率损失模型所关注的因素相对较少,缺乏考虑多类别因素的综合模型。此外,系统功率损失受各因素间的相互耦合作用影响且各因素的量级与量纲不一致,导致已有模型的预测精度相对较低。为此,本课题针对齿轮箱多工况、多参数下功率损失机制复杂导致的效率难以准确预测问题展开研究。设计并搭建专用试验台架,基于台架试验实测数据分析了不同工况和参数对功率损失的影响特性,通过量纲建模理论建立齿轮箱功率损失的量纲模型,运用多元线性回归的方法,对前面所推导的量纲模型进行待定系数的求解,进而提出了一种考虑多参数、多工况下整体功率损失的预测模型。将台架试验的实测数据与预测模型的计算值进行了对比,其结果展现出较好的一致性,验证了所提出模型的可行性。具体内容为:(1)系统分析了齿轮系统中齿轮滑动、滚动摩擦功率损失,轴承摩擦损失,齿轮搅油损失,轴承搅油损失以及风阻损失的形成机理,建立了齿轮系统功率损失的数学模型,从中提取出了影响齿轮系统的功率损失的主要因素。(2)以理论分析为基础,设计并搭建了多功能齿轮箱功率损失试验台架。基于台架试验工况和台架试验方法进行功率损失试验,得到了不同工况如,转速、负载等,不同齿轮参数如,模数、传动比等,不同油品参数如,密度、粘度等下的功率损失测试数据,并完成台架试验实测数据的有效性处理。(3)对齿轮箱功率损失进行参数研究,分析了不同工况和参数对负载功率损失以及空载功率损失的影响规律,量化各部分功率损失所占的比重,为齿轮系统的设计提供了一定的参考。(4)运用量纲建模理论、运用相似准则和流体力学π定理等理论对所研究的因素进行量纲分析计算,推导出了齿轮箱整体功率损失的量纲模型。通过台架试验实测数据,并结合多元线性回归的方法,对前面提出的量纲模型进行幂系数的求解,提出了一种考虑多工况、多参数下齿轮箱整体功率损失计算模型。将台架试验的实测数据与预测模型的计算值进行对比验证,从而验证了该预测模型的有效性。

关键词： 齿轮箱   腐蚀动力学   电化学   力学性能  

摘要： 齿轮箱作为高速列车动力系统的关键部件,是高速列车服役过程中能量传递的核心部件之一,其服役过程中的稳定性以及可靠性直接影响列车的运行安全。高速列车运行过程中可能跨越高温、高寒、高湿等复杂的多气候区域,同时齿轮箱体在列车服役过程中还受到电机扭矩以及轮轨激扰力的复杂外力作用,使得箱体发生开裂、漏油等事故,影响列车的运行效率和行车安全。所以,对于高速列车齿轮箱体材料的研究具有重要的理论价值和实际意义。本文分析了国内某型380公里级高速列车齿轮箱体在3.5 wt.%Na Cl溶液中的腐蚀行为,详细探讨了其在不同温度条件下的耐腐蚀性能,腐蚀对箱体材料力学性能的影响。主要研究内容包括:(1)利用电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES)对比分析高速列车运行0公里及3000公里的齿轮油成分含量变化。利用SU8010场发射扫描电子显微镜(SEM)结合能量色散X射线光谱仪(EDS)对服役0公里和120万公里的齿轮箱内壁进行显微组织检测。结果表明:服役过程中齿轮油各杂质元素含量均有不同幅度增加。其中,检测到运行3000公里的齿轮油中Cl的含量较新油增加了四倍左右,含水量也有所增加。观察到服役120万公里的齿轮箱内壁表面存在被腐蚀区域,服役0公里齿轮箱内壁表面平整完好。(2)采用称重法对齿轮箱体试样在3.5 wt.%Na Cl溶液中的腐蚀动力学进行分析。结果表明:置于80℃环境下腐蚀的齿轮箱块状试样较室温下腐蚀速率更快。随腐蚀时间的进行,腐蚀速率不断下降。前12 h腐蚀速率最快且试样表面腐蚀坑面积扩展最快。由腐蚀试样的横截面腐蚀形貌观察到试样的腐蚀路径,大体沿着Si颗粒聚集处发生且向试样纵深扩展。(3)利用CHI660E电化学工作站对齿轮箱体试样进行电化学实验,对试样表面点蚀坑的形成机理进行详细分析。分别测试室温以及加热情况下试样的Tafel曲线、循环极化曲线以及阻抗谱曲线。测试结果表明:试样开始接触腐蚀液时腐蚀较剧烈,室温下齿轮箱试样腐蚀速率更低,80℃试样表面腐蚀更严重,相较于室温耐蚀性更差。随腐蚀时间进行,蚀坑内离子浓度升高,氧溶解量减少,试样表面覆盖一层腐蚀产物,阻碍了蚀坑的钝化过程,使得点蚀坑内一直处于活化状态。(4)利用Instron 8801试验机测试齿轮箱试样的力学性能。对试样进行静态拉伸实验,分析在3.5 wt.%Na Cl溶液浸泡后对齿轮箱体试样力学性能的影响,并对失效后的断口进行微区形貌观察。结果表明:腐蚀试样较未腐蚀试样力学性能大幅度下降,断口形貌观察到试样明显的脆性断裂特征,断口边缘有Al基体被腐蚀的痕迹,镶嵌在铝基体上的第二相颗粒松动直至脱落,进而造成箱体材料的耐蚀性以及强度大幅度降低,最终造成齿轮箱体的力学性能大幅下降。

关键词： 直齿锥齿轮   滚齿   连续展成加工   刀具设计   数控加工仿真  

摘要： 锥齿轮在工程机械、机床和车辆等领域占有非常重要的地位。由于直齿锥齿轮的齿形相较于其他锥齿轮比较简单,其设计、制造和安装都更为容易,且直齿锥齿轮的生产成本较低,因此应用非常广泛。现在国内主要使用的直齿锥齿轮加工方式包括铣齿法、刨齿法和拉齿法等机械加工方法,加工效率较低,无法实现直齿锥齿轮的连续展成加工。滚齿加工作为一种连续展成的加工方法,凭借较高的加工效率和较好的经济性,广泛应用于圆柱齿轮加工。若能采用类似于滚齿的连续展成加工方法来加工直齿锥齿轮,不仅可以提高直齿锥齿轮的加工效率,还可以得到正确的渐开线齿形。为此本文提出了一种连续展成直齿锥齿轮滚切加工方法,研究了直齿锥齿轮滚切加工原理,设计了用于加工直齿锥齿轮的锥形滚刀并利用VERICUT软件对直齿锥齿轮进行了仿真加工和虚拟测量。论文的主要研究内容如下:(1)根据直齿锥齿轮的齿面形成原理,计算了直齿锥齿轮双侧齿面大小两端渐开线的参数方程,结合参数化设计理论在Solid Works软件中对直齿锥齿轮进行了参数化设计,得到了方程式驱动的直齿锥齿轮。(2)基于直齿锥齿轮啮合传动原理和展成加工原理提出了直齿锥齿轮滚齿加工的方法,然后结合直齿锥齿轮滚切加工原理和齿轮刀具设计原则对锥形滚刀进行结构设计并进行三维建模,并对设计的锥形滚刀进行了静力学分析和模态分析,得出锥形滚刀的静力学特性和前六阶固有频率以及振型云图,然后对刀具和工件齿轮进行了动态接触特征分析,分析了啮合过程中接触应力的分布情况及变化趋势。(3)基于锥形滚刀结构设计与直齿锥齿轮滚齿加工原理在VERICUT软件中对直齿锥齿轮进行了滚齿仿真加工,并将标准工件导入到VERICUT中与加工仿真得到的工件齿轮进行对比测量,通过对比分析验证了直齿锥齿轮滚齿加工方法的可行性。

关键词： 齿轮测量   激光位移传感器   偏置式测量   齿轮误差  

摘要： 齿轮是现代工业中必不可少的传动部件,齿轮的精度影响着传动精度。为了保证齿轮使用的可靠性,需要对齿轮的各项误差进行检测。随着检测技术的提升,齿轮的检测方法也在不断革新。目前常用的齿轮检测方法分为接触式测量和非接触式测量,前者常用的测量仪器有齿轮在线分拣机、齿轮三坐标测量仪和齿轮CNC检测中心等,造价较高,后者依托于机器视觉技术和传感器技术,成为了近年来齿轮测量技术研究的热点。激光测量是一种非接触式测量方法,具有精度高、价格较低和快速测量的特点。这种测量方法受激光稳定性的制约,在测量渐开线齿面时激光束与齿面切向夹角较小,影响了反射光进入传感器接收器。因此,研究出一种高效高精度的齿轮激光测量方法,改善测量过程中的缺陷,具有重要意义。针对现有的齿轮激光测量方法存在的不足,论文提出了一种基于激光位移传感器的齿轮偏置式激光测量方法,研发了齿轮偏置式激光测量设备及其配套软件,能够对齿轮的多种误差项目进行快速检测。文章通过对近年齿轮测量方法及主流测量设备的介绍,分析了现有测量方法的缺点,阐明了齿轮激光测量方法的的优势。针对现有激光测量过程的缺陷,本文通过分析其精度影响因素,提出了齿轮偏置式激光测量方法,叙述了偏置式测量的原理及偏置量选择原则,给出了偏置测量情况下的齿轮测量数据误差分析方法,并对齿轮的偏置式测量进行验证。基于齿轮的偏置式测量原理,搭建了齿轮的偏置式测量实验装置,装置主要由三坐标平移装置、工件回转台、激光位移传感器、运动控制系统及其他辅助机构组成。使用Visual Basic编写了其配套的控制及数据处理软件,实现自动的齿轮偏置式激光测量及数据处理。使用搭建的实验装置对已知精度的齿轮进行齿轮偏置式激光测量方法的验证,对未知精度的齿轮进行误差测定。结果表明,齿轮的偏置式激光测量方法中偏置数据转换方法、最佳偏置量选择方法及误差分析方法具有正确性及合理性,使用该方法可对不同类型的齿轮进行快速测量。该方法解决了齿轮激光测量过程中存在的缺陷,为齿轮激光测量技术的发展打下了坚实的基础。

关键词： 高重合度   直齿轮   齿面接触温度   齿间载荷分配  

摘要： 渐开线直齿圆柱齿轮以其结构简单、经济性好、无轴向力、可以简化支承结构等优点在航空领域得到了广泛的应用。高重合度直齿圆柱齿轮与低重合度直齿轮圆柱齿轮相比,同时参与啮合的齿数增加,单个轮齿所承担的载荷降低,承载能力更大。然而,由于高重合度直齿圆柱齿轮的齿高增加,齿间相对滑动速度变快,齿面温升增加,因此齿面胶合的风险增加。对高重合度直齿圆柱齿轮齿面接触温度的计算与测量,并对影响齿面接触温度的因素进行研究,可为设计高重合度直齿轮时胶合承载能力的控制提供理论依据。(1)研究高重合度直齿轮传动及齿轮副参数的设计、轮齿的刚度和齿间载荷分配。主要分析了齿数、压力角、齿顶高系数、变位系数对齿轮重合度变化的影响程度及其规律性。根据高重合度直齿轮的啮合特点,得到高重合度直齿轮沿啮合线载荷分布。(2)基于Blok闪温理论,利用推导的齿间载荷分担率分析修正系数沿啮合线的分布情况,并得到沿啮合线上的齿面接触温度分布。通过分析可以看出,当在节点处齿面接触温度最低,而不同重合度齿轮齿面最高接触温度则不相同。普通重合度齿轮的齿面最高接触温度在实际啮入点处,此时轮齿载荷分担率较整个啮合齿面来说较低,但其齿间相对滑动速度较高导致较高的齿面接触温度;高重合度直齿轮的齿面最高接触温度则位于靠近啮入点处的不同啮合区交界点处。(3)开展高重合度直齿轮齿面胶合承载能力试验验证,选择温度测量方法,搭建试验台测量齿面接触温度,并将理论计算数值与其进行对比,验证理论计算公式的可靠性。(4)根据推导的公式分析了齿形和系统等因素对齿面接触温度的影响规律,研究了单参数变化对高重合度直齿轮和普通重合度直齿轮啮合线上齿面接触温度分布的影响规律。高重合度直齿轮的齿面温度随齿数、模数、压力角和变位系数的增加而降低,随齿面粗糙度和齿顶高系数的增加而升高。对于进行负变位的高重合度直齿圆柱齿轮来说,齿面最高的接触温度从靠近啮入点的三齿啮合区与两齿啮合区的交界点变化到实际啮入点处。

关键词： 超减速比准双曲面齿轮   齿坯设计   滑动率   几何参数优化   有限元仿真  

摘要： 高档数控机床与机器人技术的发展使小型化、高效率、高功率的齿轮减速器成为现今社会关注与发展的重点。超减速比准双曲面齿轮副（SRH）是一种能够实现单级大传动比传动的齿轮组合形式,相比于传统的多级齿轮传动减速装置,超减速比准双曲面齿轮不仅能够实现较高的传动效率而且占用空间更小,能够代替多级齿轮传动。随着市场对于此类特殊单级大速比齿轮减速装置的需求不断提高,为超减速比准双曲面齿轮的发展提供了更多的机会。超减速比准双曲面齿轮是准双曲面齿轮的一种极端形式（小轮为锥蜗杆形式）,超减速比准双曲面齿轮传动相比于蜗轮蜗杆传动而言,其传动效率更高,并且其齿面为硬齿面,能保持较长时间的精确传动。超减速比准双曲面齿轮与普通准双曲面齿轮相比在设计方面有较大区别,由于对技术的保密,Gleason公司未公开超减速比准双曲面齿轮相关方面的设计与加工方法。超减速比准双曲面齿轮由于齿面间存在较大的相对滑动,其会加速齿轮的失效。本文开展基于滑动率的SRH齿轮优化设计研究。主要的内容包括以下方面:1、确立了超减速比准双曲面齿轮大轮与小轮的节锥,明确了节锥空间位置关系,给出了节锥几何参数之间的计算公式,并分析了节点处的运动,得出节点处基本结构参数。参考普通准双曲面齿轮几何参数计算公式,推导了超减速比准双曲面齿轮齿坯几何参数的计算方法,为了检验计算方法的可行性,以此方法设计得出了一对齿数比为3:74的超减速比齿轮副,并通过实际加工获得样件。2、构建了超减速比准双曲面齿轮的刀具坐标系与加工机床坐标系,通过空间矢量运算方法得出超减速比准双曲面齿轮大轮与小轮在不同加工方法下刀具坐标系中的刀具产形面方程。结合啮合原理通过刀具坐标系与加工机床坐标系的空间变换,建立了超减速比准双曲面齿轮的齿面数学模型。3、对齿面啮合运动进行分析,讨论了齿面相对运动速度,并分析了齿面滑动产生的原因。以超减速比准双曲面齿轮的齿面节点为原点建立空间坐标系,推导了节点处的滑动率计算公式,以齿数比为3:45与5:60的两组超减速比齿轮为算例,计算出了节点处滑动率数值,分析计算得出的数值是否符合齿轮实际啮合时的滑动情况,对公式正确性进行验证。4、以齿数比为2:60的超减速比齿轮副为例,以小轮滑动率为优化目标,在限制条件下,用遗传算法对螺旋角、压力角、节锥角等基本齿坯参数进行优化求解,并按照优化后的齿轮参数通过三维建模软件建立出优化前后的齿轮模型。5、以优化前后齿数比为2:60齿轮三维模型为仿真对象,采用Ansys有限元软件对模型进行接触仿真分析。通过接触仿真,比较优化前后齿面接触应力、最小疲劳寿命、齿面滑动距离和相对滑动速度等方面的变化,以此验证优化方法的有效性。结果表明:优化以后在相同的边界条件下,齿轮的齿面最大接触应力下降最大约为39.80%,齿轮使用寿命提高约为61%,齿面滑动情况得以改善,滑动距离与相对滑动速度降低。

关键词： 大重合度直齿圆柱齿轮   封闭图法   磨损   时变啮合刚度   齿轮系统动力学  

摘要： 齿轮凭借其传动精度高,稳定性好等特点被机器人,汽车等行业广泛采用。随着这些行业的发展,齿轮的性能也亟需提高,比如增加承载能力,减小传动噪声。大重合度直齿圆柱齿轮就是满足这类需求的齿轮。大重合度直齿圆柱齿轮一般指重合度大于2的直齿圆柱齿轮。因为重合度大,其传动更稳定,承载更高且噪声更小,相较于普通重合度齿轮有优势明显。但是大重合度直齿圆柱齿轮仍然会发生齿面磨损,由于参与啮合的轮齿更多,其动力学响应受齿面磨损的影响也更大。因此,研究齿面磨损对大重合度直齿圆柱齿轮动力学的影响有重要意义。本文以大重合度直齿圆柱齿轮为研究对象,基于Archard磨损模型,计算齿轮的齿面磨损;基于势能法,求取考虑齿面磨损的综合啮合刚度;结合齿轮动力学模型,研究不同工况下齿面磨损对齿轮动力学的影响。具体工作如下:(1)分析了不同变位系数选择方法的优劣,给出了相关的使用建议;基于封闭图法理论,推导封闭图的计算公式及其求解方法,并绘制了特定参数下的封闭图;基于展成法原理,推导一般性的齿廓方程,建立了精确的齿轮齿廓方程。(2)分析Archard磨损模型的理论基础,引入考虑重合度的磨损计算模型,计算齿轮齿面磨损,同时研究了齿轮参数对齿面磨损的影响;建立考虑磨损的综合啮合刚度计算模型,研究了磨损对综合啮合刚度的影响。结果表明:齿面磨损沿着齿廓做非均匀分布;齿数,模数和变位系数对齿面磨损有明显影响;长期磨损对综合啮合刚度的影响更明显,且磨损对三齿啮合区域综合啮合刚度影响更大。(3)推导齿轮传动系统的数学模型及其无量纲形式,给出方程的解法和分析方法,同时借助时变啮合刚度,将齿面磨损考虑进齿轮动力学中;研究了工况参数对齿轮传动系统动力学的影响;研究了齿面磨损在不同工况下对传动系统动力学的影响。结果表明:速度或载荷不同时,系统的动力学响应有明显差异;轻载高速及重载低速时,磨损对动力学的影响最小。

关键词： 磨齿   展成   齿面修形   齿面扭曲   柔性电子齿轮箱  

摘要： 随着机械行业的发展,对齿轮的精度提出了更高的要求。齿轮在啮合的过程中,常常由于制造误差、安装误差和弹性变形等因素,齿面载荷分布会变得不均匀,因此齿轮会产生啮合冲击和噪声。为了提高齿轮的啮合性能、传动精度和使用寿命,降低齿轮传动的振动和噪声,会对齿面进行修形。但是在加工齿向修形斜齿轮时,齿面扭曲现象会不可避免地出现,降低修形齿轮的加工精度,因此研究齿面扭曲现象并且提出相应的解决方法,对于提高修形齿轮的加工精度是很有意义的。本文对齿面扭曲现象的产生机理、蜗杆砂轮磨齿机的运动学建模、齿面扭曲的补偿方法和齿面接触性能分析等方面进行了研究,提出了一种基于柔性电子齿轮箱的齿面扭曲补偿方法。本文主要的研究内容包括:(1)建立了齿面和蜗杆砂轮的数学模型。建立了标准渐开线齿面和修形齿面的数学模型,采用齿面啮合原理建立了蜗杆砂轮的数学模型,利用MATLAB实现了上述数学模型的仿真。(2)建立了蜗杆砂轮磨齿机的运动学模型。介绍了蜗杆砂轮磨齿机电子齿轮箱的结构和数学模型,通过机床运动学逆解得到了基于电子齿轮箱的磨齿机B轴、C轴、X轴、Y轴、Z轴运动量和齿面位姿以及砂轮表面位姿的关系。(3)提出了一种齿面扭曲的补偿方法。分析了齿面扭曲的产生机理和机床轴运动量的微小变化对齿面加工结果的影响,建立了基于机床运动学逆解的齿面扭曲补偿方法和模型,在MATLAB中实现了齿面扭曲补偿方法的仿真。(4)进行齿面接触分析验证了齿面扭曲补偿的效果。得到了拓扑修形齿面和扭曲补偿前后齿面的接触分析结果,验证了齿面修形和齿面扭曲补偿的必要性以及提出的齿面扭曲补偿方法的有效性。(5)进行齿轮加工实验。用蜗杆砂轮磨齿机自带的齿向修形和齿面扭曲补偿功能加工出了齿向修形齿轮和扭曲抑制齿轮,并且用齿轮测量中心进行了齿面检测。