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关键词： 液压机械传动装置   模式切换   离合器   切换品质  

摘要： 液压机械传动装置(Hydro-mechanical Transmission,HMT)是一种将液压传动和机械传动并联的传动装置,该装置不仅具有机械传动效率高的特点,而且具有液压传动无级调速的特点,因此,在大功率车辆上有着广阔的应用前景。本文以改善HMT模式切换品质为目的,开展了HMT模式切换离合器控制策略的研究,主要研究内容为: 阐述了HMT基本结构和传动原理,确定了一种HMT传动方案,在分析HMT模式切换过程的基础上,将切换过程进行阶段划分,并运用动力学原理,建立了HMT模式切换过程数学模型。 根据HMT模式切换过程分析,确定了HMT模式切换最优控制策略。在转矩切换阶段,综合考虑冲击度和滑摩功,基于最优控制理论,确定离合器目标转矩,对切换过程中离合器转矩进行最优控制;在调速阶段,在满足冲击度要求的前提下,控制离合器转矩以最快的速度实现主、从动盘转速同步。在模式切换最优控制的基础上,求解得到理想离合器压力变化规律。 针对HMT离合器液压执行系统进行研究,以改善HMT模式切换品质为目的,提出了HMT模式切换离合器压力控制方法。根据所确定的理想离合器压力,运用无模型自适应预测控制理论使HMT模式切换过程中实际离合器压力能够跟随理想离合器压力变化,从而提高离合器压力跟踪精度。 基于AMEsim和Matlab/Simulink软件建立了HMT联合仿真模型,对HMT模式切换进行了仿真,仿真结果表明本文所提出的离合器控制策略能够在不同的工况之下减小模式切换过程中的冲击度和滑摩功,使得模式切换品质在一定程度上得到改善。

关键词： 湿式离合器   复合槽摩擦片   带排转矩   多岛遗传算法   结构优化  

摘要： 湿式离合器是重载车辆传动系统的关键零部件,当其处于分离状态时,主从动部件间的相对运动,使得摩擦副间隙中的润滑油液产生黏滞剪切转矩,这种阻力转矩为带排转矩。带排转矩是湿式离合器本身的固有缺点,会降低离合器的传动效率和燃油经济性。基于此背景下,本文针对离合器带排转矩问题进行研究,以求在设计方面尽可能的减小带排转矩,对提高离合器的使用效率具有重要的理论研究意义。针对这一问题,首先对单摩擦副内部流体流动进行研究,依据流场基本控制方程和多相流等理论,建立单摩擦副仿真模型,分析不同工况参数对带排转矩及带排功率损失的影响;其次,使用仿真模型分别建立了周向槽、径向槽和复合槽三种摩擦副有限元模型,分析不同沟槽形式和不同沟槽结构参数对内流场、带排转矩、带排功率损失的影响;再次,根据仿真分析结果,针对复合槽摩擦片带排转矩问题提出改进方案,并结合多岛遗传算法,以工况参数和沟槽结构参数为优化参数,以带排转矩最小为优化目标,进行结构优化;对得到的优化结果进行实验验证。结果表明:带排转矩及带排功率的损失值与分离间隙和入口流量有关,分离间隙越小、入口流量越大,带排转矩及带排功率损失越大;不同沟槽形状的摩擦副内流场流动特性不同,径向槽和复合槽与旋转方向异侧的沟槽侧壁压力较大,与旋转方向同侧的沟槽侧壁由于旋转切向力的作用油液相对较少,压力较小。周向槽油液在片间流动仅受周向损失,且半径相同的周向槽压力分布较为均匀。增加沟槽的数量、改变沟槽深度、使沟槽倾斜一定的角度,可以增强油液的流通性,沟槽结构参数的改变会使带排转矩及带排功率损失值产生变化,故选择合适的沟槽参数可以有效的降低带排转矩及带排功率损失;通过对离合器进行结构优化设计,可以增强油液的流通性,使油膜提前破裂,有效降低带排转矩及带排功率损失。在给定的全工作转速范围内,对优化前后离合器进行仿真和实验对比可知,仿真和实验最大相对误差为5.2%,优化后的摩擦片相比于优化前摩擦片带排转矩最大值降低了15.24%,且在全转速范围下优化后摩擦片的带排转矩及带排功率损失均小于优化前摩擦片。

关键词： 车齿工艺   工艺参数   有限元仿真   齿面接触应力   齿根弯曲应力  

摘要： 车齿工艺具有加工精度高的优点,且综合了滚齿工艺效率高和插齿工艺适应齿轮类型广的特点,被广泛应用于齿轮粗加工和半精加工。随着车齿机床及高精度刀具技术的不断突破,车齿工艺已具备齿轮精加工的潜力。将车齿工艺应用于齿轮精加工可以缩短齿轮制造工艺链从而提高加工效率,同时减少齿轮多次装夹引入的装夹误差提高加工精度。然而,由于车齿成形齿面存在进给刀痕,齿轮承载性能尚不明晰,阻碍了车齿工艺精加工的实际应用。鉴于此,本文建立了车齿工艺几何成形过程数学模型,完成车齿工艺成形齿面刀痕几何特征实体建模,并基于有限元仿真分析了车齿加工工艺参数对齿轮齿面接触应力和齿根弯曲应力的影响规律,主要研究内容如下:首先,基于车齿工艺运动学原理,分析齿轮加工过程,得到刀具与工件的运动关系。在车刀几何设计参数基础上,推导获得了端截形渐开线齿廓、斜齿轮产形面和车齿刀前刀面参数方程,求解得到了切削刃空间曲线参数方程与切削刃在空间的运动轨迹曲面,最终建立了车齿成形齿轮的三维简化模型。其次,提出车齿成形齿轮承载性能的有限元仿真方法,建立齿轮承载性能仿真模型,确定齿轮承载过程有限元接触控制方程以及齿轮承载过程负荷与约束条件,并对仿真结果与计算结果进行对比,验证该仿真分析的准确性,为研究车齿成形齿轮承载性能提供支撑。然后,分析了车齿刀进给量和齿向修形系数对齿轮承载性能的影响规律。通过单因素仿真试验分析各工艺参数对齿轮承载性能的影响规律以及其分布和变化特征,并通过两因素三水平正交仿真试验分析车齿刀进给量和齿向修形系数对齿轮承载性能的影响程度。最后,通过响应面试验设计方法设计两因素五水平的仿真试验,以车齿刀进给量和齿向修形系数作为设计因素,齿面接触应力与齿根弯曲应力为响应指标,建立了基于响应面法的多元回归的齿面接触应力以及齿根弯曲应力预测模型,并对预测模型的准确度进行仿真试验验证。

关键词： 热弹性变形   湿式离合器   温度场   热流固耦合  

摘要： 日益高涨的人力物力成本及越来越恶劣的工作环境对机械行业提出了寿命稳定、运行可靠性高和经济性好等要求。离合器由于其在控制动力传输系统终端中的特殊地位,研究人员研发出了多种离合器适用于不同的工作环境。湿式离合器因其工作性能稳定、热效应好等优点被应用于重型拖拉机中。本文针对湿式离合器摩擦元件径向温度分布不均匀,易发生热翘曲变形的特点,应用传热学理论、热弹性变形理论、摩擦元件温度场数学模型和冷却流场数学模型对离合器热翘曲变形机理进行研究,运用仿真软件研究多种沟槽参数及摩擦片摩擦材料径向梯度下对偶钢片的温度分布和变形情况。具体研究内容如下:对离合器适用于实际工作条件的摩擦元件尺寸进行计算,设计了适用于重型拖拉机的摩擦元件。分析了离合器在干式工况下的摩擦功效应,运用ABAQUS仿真软件对离合器在干式工况下的摩擦元件进行热机耦合仿真研究,对仿真结果进行能量公式验证。对湿式离合器摩擦元件热流固耦合过程进行分析,选用STAR CCM+模拟摩擦元件沟槽内流场,运用ABAQUS与STAR CCM+进行热流固耦合仿真研究,对比了热流固耦合与热机耦合的仿真结果,对沟槽槽数进行多工况下的热流固耦合仿真分析,综合考虑摩擦元件的温度分布与变形情况。基于槽数仿真结果,为解决沟槽边缘的应力集中导致的周向温度分布不均匀问题,对沟槽倾斜角度在多工况下进行仿真分析。在选定槽数及槽角度的基础上,为使摩擦元件温度分布更为均匀,基于三种常见摩擦材料,设计了多种摩擦片径向材料梯度方案,对方案进行仿真分析。综合考虑摩擦材料特性、摩擦元件温度分布与变形情况和经济效益,选择了材料梯度方案。

关键词： 谐波齿轮传动   包络理论   参数统一化   NURBS曲线   应力变形  

摘要： 谐波齿轮传动是一种通过柔性齿轮的变形来实现动力传递的新型传动方式,该传动方式具有高精度、结构紧凑、传动比大、承载能力强等优点,因此在机器人、航空航天等高精密仪器领域应用广泛。随着智能制造的推广,对谐波减速器关节传动的要求也在逐渐提高,因此谐波齿轮传动作为其中的核心部件,其传动性能也受到了越来越多的重视。目前,国内谐波减速器的啮合性能及制造水平与国外相比存在差距,改善谐波齿轮传动中柔轮齿形设计是提高谐波减速器整体性能的关键之一,也是开发具有自主知识产权谐波齿轮“摆脱卡脖子”的基础。本课题主要围绕谐波齿轮传动的柔轮齿形设计进行研究,针对公切线双圆弧、双圆弧和S型柔轮齿形的设计参数差异化,推导各齿形参数之间的变化关系,开展三种柔轮齿形基本参数的统一化研究,提出基于NURBS曲线插值生成新型NURBS柔轮齿形曲线,结合有限元瞬态动力学分析对比柔轮的应力-变形情况,主要研究内容如下:首先,研究了谐波齿轮传动的三大核心构件和基本工作原理,并对其优点及不足之处进行总结。为了更好地研究谐波齿轮传动理论,作出基本假设简化齿轮啮合影响因素,根据柔轮中性层方程推导其变形方程和各构件间的精确转角关系。基于啮合包络理论推导共轭齿形方程,提出利用Matlab进行柔轮啮合仿真求解共轭刚轮包络齿形。其次,对公切线双圆弧、双圆弧和S型柔轮齿形的设计过程进行研究,推导三种柔轮齿形的表达式,并确定三种柔轮齿形成型时的基本参数及初始数值。通过分析两种初始数值下不同柔轮齿形的变化,推导三种柔轮齿形基本参数的变位关系,将柔轮齿形基本参数分为独立参数和推导参数进行统一化,并求解统一化后柔轮齿形的共轭刚轮齿形。在Matlab的基础上进行界面设计,实现基本参数统一化下三种柔轮齿形及共轭刚轮齿形包络拟合的自动架构。然后,基于NURBS曲线的定义,确定型值点的参数化方法,选择端点导矢指定的全局曲线插值法对型值点进行插值,提出用五次NURBS全局曲线插值生成谐波齿轮传动柔轮齿形曲线,使柔轮齿形曲线由相切连续变为曲率连续,从而提高柔轮齿形的光滑性和连续性。在统一化公切线双圆弧柔轮齿廓上选取型值点,插值生成NURBS柔轮曲线,验证了插值方法的可靠性。分析NURBS柔轮不同截面下径向的变形状态,对其进行齿根壁厚修形,提高谐波齿轮的承载能力。最后,建立公切线双圆弧参数统一柔轮和NURBS柔轮谐波传动装配模型,进行瞬态动力学仿真分析。对比在空载和加载状态下,两种柔轮的应力及变形位移分布情况,并分析不同装配状态下影响NURBS柔轮应力-变形的因素,可知NURBS柔轮最大等效应力降低了115.4 MPa(8.1%),最大变形量减少了0.013 mm(2.1%),结果表明NURBS柔轮齿形曲线更具优越性。

关键词： 离合器压盘   动平衡   信号处理   不平衡量分解   补偿测量  

摘要： 随着汽车行业的蓬勃发展,离合器压盘作为汽车的重要组成部分,其生产效率的要求也越来越高。本论文针对加工完成后的压盘存在较大的不平衡量,无法直接满足使用要求的问题,为提高生产效率,设计了较为全面的动平衡测试系统,旨在数控机床上对加工完成后的压盘进行动平衡测试,根据压盘能够去重的位置对测到的不平衡量进行分解计算,并将去重数据传送给数控机床,直接在数控机床上进行去重处理。本论文的主要研究内容如下:1.设计信号处理电路,主要包括选择获取振动信号和光电信号的传感器,设计高通滤波器、八阶巴特沃斯低通滤波器、自动放大电路等用于对振动信号进行放大和滤波处理、设计信号采集电路用于完成模拟量向数字量的转换,以及设计串口通信电路用于实现上位机和下位机的连接。2.使用Visual Basic6.0开发平台设计离合器压盘在线动平衡测试软件系统,采用互相关理论求解幅值和相角,并且完成各操作界面的设计和功能实现,包括测量界面、设置界面、矢量计算界面、系统标定界面等。3.对于离合器压盘去重时需要满足的钻孔要求,完成将测得的不平衡量向可去重位置的分解设计,并实现任意性以适用于不同型号的压盘。而且为了能够直接在加工机床上进行去重处理,完成将分解后的不平衡量向去重机构的数据发送。4.通过对砂轮机的动平衡测试实验和现场动平衡实验,结果表明本测试系统具有较高的测量精度和稳定性。并在现场动平衡测试中发现了数控机床的液压装置由于受力不均匀所存在的质心偏差问题,针对此问题,提出了补偿测量方法,且经模拟实验验证,表明该方法可行。

关键词： 智能设计   齿轮传动零件   设计知识流程   特征参数化模板  

摘要： 齿轮作为机械设备上重要的传动零件,被广泛应用于汽车、航空、农业、工业等领域。经过多年的技术发展,齿轮传动零件的设计理论和制造技术有了长足的进步,由于齿轮传动零件的工作环境和受力情况较为复杂,所以设计人员对齿轮传动零件进行设计计算时,会不断调整初选参数并进行重新计算以使校核结果满足齿轮的疲劳强度要求。此外,齿轮传动零件的三维造型都是依据固定的尺寸参数构建的,当初选参数、齿数、模数等关键变量做出调整时,就要重新对齿轮传动零件进行三维造型,严重影响了设计进度。针对以上问题,本文基于智能设计理论,用一种通用的方法实现了产品设计参数计算和三维特征建模的一体化,以此来达到缩短研发周期,提高设计效率的目的。通过查询机械设计手册、国家标椎、行业规范等资料,提取齿轮传动零件的设计原理、计算公式、查询图表等碎片化知识,将这些类型的知识有序的链接到一起,形成连贯的知识体系;选择可视化图框的知识表达方式,在知识驱动的流程定制设计系统上定制齿轮传动零件的设计知识流程,基于定制的知识流程和系统运行机制实现对齿轮传动零件设计知识的推理;分析齿轮传动零件的特征组成,确定各基本特征的输入条件和参数化关系,利用CATIA二次开发、API接口、DLL封装等技术编辑基本特征的构建程序。使用智能设计方法实现了直齿轮、斜齿轮、锥齿轮以及内传动齿轮的设计计算和三维造型的一体化。以传动系统的总体参数为开始条件,基于知识驱动的流程定制设计系统的推理机制,获得齿轮结构设计参数的参数值。结合齿轮位置基准和特征定位参数完成齿轮传动零件在齿轮传动系统内的三维造型,最终实现了圆锥-圆柱齿轮传动系统的智能化设计。实践表明,采用智能设计方法设计齿轮传动零件,可以提高设计参数计算效率,节省齿轮传动零件三维造型的时间,且齿轮的设计知识和特征参数化模板可以重用到其他相关机械零件上,极大的提高了设计知识和模型知识的利用率。

关键词： 直齿锥齿轮   安装误差   啮合刚度   载荷分布   修形优化  

摘要： 直齿锥齿轮作为机械传动的关键部件，广泛的应用于汽车、精密机床、航空航天等领域。在锥齿轮实际运行过程中，由于安装误差的存在会导致偏载，产生振动和噪声。因此分析安装误差对其传动性能的影响并通过修形降低其对安装误差的敏感性有十分重要的意义。因此本文以直齿锥齿轮副为研究对象，建立了误差齿廓锥齿轮副弹性接触模型，研究了安装误差对锥齿轮传动性能影响并基于建立的模型对齿轮修形参数进行了优化。主要研究内容如下：　　（1）进行锥齿轮啮合仿真与边缘接触分析：阐述了锥齿轮球面渐开线齿廓生成原理，建立了理想与修形条件下齿面数学模型;给出了确定接触椭圆的大小和方向的两种方法;分析了锥齿轮在理想、安装误差及齿轮修形状态下的齿面接触状态。　　（2）提出考虑齿对耦合效应的直齿锥齿轮啮合刚度切片计算方法：基于背锥等效原理，将锥齿轮等效为一系列直齿圆柱齿轮薄片，利用能量法计算各薄片啮合刚度，建立了锥齿轮时变啮合刚度半解析切片模型;在双齿啮合刚度计算中引入轮体刚度修正系数，将双齿啮合刚度计算误差降低了95.1%;通过对比有限元方法，验证了方法的高效性和准确性。　　（3）建立误差齿廓锥齿轮副弹性接触模型：分别给出了基于几何关系与基于数值搜索的由误差引起的齿面间隙计算方法，并基于力平衡原理建立了变形协调方程;通过对比有限元方法，验证了模型的准确性;基于模型分别分析了安装误差、齿廓修形以及齿向修形对锥齿轮时变啮合刚度、传动误差以及齿面载荷分布的影响。　　（4）应用弹性接触模型进行修形参数智能优化：以齿向修形参数为设计变量，以啮合刚度与载荷分布为优化目标，利用粒子群优化算法确定最佳修形参数;分别计算了单一误差与综合误差条件下的齿向修形最佳修形参数;在各工况下，啮合刚度平均值平均提高了21.63%，承担最大载荷平均降低了19.39%。

关键词： 永磁离合器   有限元分析   多目标优化   台架试验   转辙机  

摘要： 随着中国经济和技术水平的日益提高,居民出行次数逐渐频繁,铁路车辆已经成为大多数人出行选用的交通工具,地铁甚至已经成为都市工作无法缺少的一部分,这就导致轨道分布复杂,而电动转辙机正是用于改变道轨的关键设备。当室外天气恶劣时,转辙机有几率出现电机堵转问题,传统摩擦联接器损坏率高、寿命短,需要经常检修更换,而永磁传动方式依靠磁力传递扭矩,具有可靠性高、传动平稳、寿命长等优点,并且受温度影响小,具有较强的环境适用能力。本文提出一种力矩可调节的永磁离合器结构,进行离合器的数学模型计算与数值仿真优化,并利用台架试验验证了方案的可行性。论文内容如下:首章阐述了转辙机应用目前存在的问题,对永磁传动技术的国内外发展予以介绍,包括磁场模型的研究方法,并引出论文的研究内容。第二章介绍了永磁离合器的结构和工作原理,通过对比不同结构方案的优缺点,确定了转辙机用永磁离合器的最终设计方案。第三章建立了永磁离合器的数学模型,基于分离变量法推导出永磁离合器气隙磁场的分布情况,计算出永磁离合器的传递力矩,并利用有限元法进行验证。第四章和第五章基于有限元法对永磁离合器的主要结构参数进行了参数化分析,对离合器静态磁场、瞬态磁场的磁感应强度以及涡流和温度的分布情况进行分析。并在此基础上利用NSGA-Ⅱ对永磁离合器的结构参数进行了优化。第六章介绍了永磁离合器台架试验的台架平台和操作系统,通过试验对永磁离合器的性能进行验证,证明离合器在不同温度下可以稳定工作且经过长时间地持工作不会损坏,确保永磁离合器能够可靠运行。结论部分对研究成果与不足进行总结。

摘要： 空间小交错角准双曲面齿轮传动克服了极端几何尺度下动力传递所需复杂机构导致的效率低、成本高、安装空间狭小等关键问题，在航空航天、舰船、车辆等领域具有广泛应用。本文针对小交错角准双曲面齿轮齿形演化与啮合机理复杂、低误差敏感性啮合特性需求与无畸变高收敛性齿面难兼顾、传统刀具设计方法与加工方法不适用的科学问题，围绕该型齿轮几何设计方法、啮合特性控制机理、制造装配技术三个方面，