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关键词： 椭圆齿轮   参数设计   固有特性   啮合特性   疲劳寿命  

摘要： 齿轮广泛运用在机械装备中,具有稳定、精确等传动特性,是目前最重要的零部件之一。但传统的齿轮只能传递等速比运动,为满足新型、复杂的特定传动函数要求,椭圆齿轮应运而生。和传统齿轮相比,其不仅将角速度恒定的运动传递为具有一定规律的变速运动,还具有传递运动稳定、紧密的构造、能满足特殊的传动函数等优势。伴随椭圆齿轮的应用愈加广泛及在传动中的独特性质,研究椭圆齿轮的设计参数对其传动特性的影响,及分析在承受载荷的情况下椭圆齿轮齿面啮合性质具有重要意义。本文采用1阶椭圆齿轮作为研究分析对象,通过理论和有限元仿真工具相互论证的分析方法,对于椭圆齿轮在实际工作中的独有传动特性、齿面啮合特性、齿轮的疲劳寿命等几个方面展开系统的研究,主要的研究内容包括:1.提出一种准确、高效的椭圆齿轮建模方法,通过仿真模拟滚齿刀在齿坯表面进行滚齿加工,来构建椭圆齿轮滚齿刀加工的数学模型。采用MATLAB与CAD相结合的方式提取椭圆齿轮的齿廓包络线。2.对椭圆齿轮的设计参数进行探讨,分析了设计参数对椭圆齿轮加工过程中出现齿根切除现象的影响。齿轮长半轴与滚齿刀齿形角越大,越不容易发生齿根切除现象;齿轮偏心率与滚齿刀安装位置越小,越不容易发生齿根切除现象。此外,椭圆齿轮的传动特性,例如齿轮系统的传动比、从动轮的转角变化速度、变化加速度、齿轮不同轮齿啮合过程中压力角和重合度会随偏心率的变大出现增加的趋势。并且齿轮不同轮齿的齿廓角不同,会随着齿轮排号顺序出现周期性的规律。以及随着齿轮的负载转矩加大,椭圆齿轮传动系统受到的扭矩波动也会变剧烈。3.利用Recur Dyn构建椭圆齿轮传动系统啮合接触的有限元仿真模型,分析了齿轮中端面是椭圆齿轮啮合过程中的重要区域。并划分轮齿编号及沿齿高方向的不同区域,分析出齿轮在啮合过程中等效应力最大的区域。4.通过疲劳分析,得出齿轮啮合过程中的疲劳危险点,论证了上文的理论。最后,分析出在不同承载和摩擦系数的条件下,椭圆齿轮的疲劳寿命的变化趋势。

关键词： 电动汽车   斜齿轮   等强度   修形   齿面设计  

摘要： 电动汽车相比于燃油汽车,具有无污染、加速快等优势,其广泛使用已成为顺应时代发展的大趋势。斜齿轮作为电动汽车传动装置中的核心部件,其宏观几何参数设计与齿面微观修形设计对传动系统的传动质量有着直接影响。目前电动汽车斜齿轮多采用变位、修形、高齿的齿形,使其几何参数设计、计算变得复杂、繁冗,且企业工程师在进行齿轮设计时常用试凑法和经验法,仅满足了齿轮副工作强度需求,却忽视了齿轮副大、小轮之间存在的强度不等问题。此外,电动汽车多采用电机直接与减速器耦合,且电机输出转速高(峰值转速已达17900r/min),这对电动汽车斜齿轮传动齿面修形提出了更加苛刻的设计要求。因此,本文基于等强度与修形开展电动汽车斜齿轮传动齿面设计的研究。主要研究内容如下:(1)根据斜齿轮展成加工原理和空间轮齿啮合原理,建立了变位、高齿的电动汽车斜齿轮齿面模型,并构建了考虑边缘接触及安装误差的斜齿轮副轮齿接触分析(TCA)模型,利用MATLAB自编程序,研究了电动汽车斜齿轮传动几何接触特性。(2)针对某电动汽车二级减速器各级齿轮副进行了静强度分析,考虑齿轮副大、小轮之间存在的强度差异,提出了斜齿轮传动等强度多目标宏观几何参数优化设计方法,并采用带变异策略的多目标粒子群优化算法(MOPSO)进行优化求解,优化后斜齿轮副齿面承载能力与弯曲强度差均有所改善。(3)考虑到安装误差对电动汽车斜齿轮传动几何接触性能的影响,建立一种囊括齿向修形、齿廓修形及拓扑修形三种修形方式的齿面修形设计方法。通过带边缘接触的轮齿分析算法分别探究了三种修形方式对斜齿轮传动几何接触特性的影响,确定了小轮齿面拓扑修形方式,并从避免斜齿轮传动边缘接触现象产生的角度出发,以接触特性中接触迹线和几何传动误差作为优化目标,对拓扑修形参数进行了优化设计,优化后齿面接触迹线接近于直线,降低了齿面接触迹线对安装误差敏感度,且无边缘接触现象。(4)通过专业的齿轮传动仿真软件MASTA对第三章等强度设计优化前、后的斜齿轮副进行了静力学仿真,验证电动汽车斜齿轮传动等强度设计方法的可行性,并对比本文TCA分析与软件仿真下齿面拓扑修形设计对斜齿轮传动几何接触特性影响,结果基本一致,验证了本文理论推导的可靠性。

关键词： 斜齿轮   喷油润滑   重叠网格   热流耦合   回归正交试验  

摘要： 斜齿轮在汽车、飞机、船舶及各种工程机械有广泛应用。高速或高压喷油时,斜齿轮传动系统呈气液共相润滑状态,其中啮合齿面通常为混合润滑状态。齿轮离心力、高速气流阻碍与油液飞溅等都会影响齿面油液的铺展沉积,使啮合区域供油不足或失油,导致齿面润滑劣化。滑油与旋转齿面的冲击作用、啮合区的摩擦生热、局部油膜破裂使承载能力下降、滑油与齿面热交换能力减弱,导致齿面散热效果不佳。因此,针对斜齿轮传动系统,研究斜齿轮副两种流场建模方法的可行性,探究斜齿轮喷油润滑机理。采用数值模拟与实验验证联合分析斜齿轮喷油润滑的流场及温度场分布,揭示喷油参数对齿面油液分布与散热效果的影响规律,进而对喷油系统的优化设计提供指导。主要研究内容: (1)针对动网格法求解旋转机械流场的局限性,采用重叠网格法构建斜齿轮喷油润滑模型。通过油液体积分数和油压评估齿面润滑性能。结果表明:当喷油角度为7.5°、喷油速度为45 m/s时,齿面润滑良好。通过优化喷油角度和速度,齿面润滑性能分别提高7.726%和47.259%。仿真和实验中均发现主动轮下方出现旋流和油液沉积,仿真结果与实验测量结果吻合良好。 (2)基于静态热流耦合方法探究喷油参数对静态齿轮散热的影响规律。结果表明:随着喷油角度、喷油距离的减小和喷油速度的增大,齿面散热性能逐渐增强。基于滑移网格方法构建斜齿轮热流耦合模型,采用动态热流耦合方法研究斜齿轮传动系统的流场及温度场分布。仿真结果表明:受齿轮离心力、油液飞溅和高速气流的阻挡作用,大部分油液难以进入啮合区,导致齿面散热不佳。 (3)设计回归正交试验研究不同喷油参数组合下斜齿轮散热效果。在恒定转速条件下,以齿面平均温度和温差为评价指标,进行回归分析、单因素分析和响应面分析,探明喷油角度、喷油速度与喷油距离及其交互作用对齿面散热性能的影响规律。结果表明:随着喷油角度、距离和速度的增加,齿面平均温度先降低后升高,齿面温差先增加后减小。喷油速度和喷油距离分别显著影响齿面平均温度和温差。当喷油角度为9.212°,喷油距离为54.514 mm,喷油速度为35.561 m/s时,齿面散热效果较好。斜齿轮喷油散热试验结果表明:齿面平均温度和温差的试验值略小于仿真值,其误差范围为0.67%～7.28%;喷油参数优化后齿面平均温度降低了0.28%,齿面温差增大了6.93%。所提出的策略和方法为斜齿轮散热研究和喷油系统设计提供理论支撑。

关键词： 直齿圆柱齿轮   冷挤压   剖分式组合凹模   数值模拟   工艺试验  

摘要： 齿轮作为一种最常见的传动零件,在机械传动中有着不可替代的作用。由于传统机械加工存在加工时间长、切削废料多、生产成本高等不足,无法满足大批量、低能耗、高质量的市场要求。而冷挤压加工工艺因其具有加工效率高、能耗低、材料利用率高及挤压件强度高等优势,已被广泛应用于直齿圆柱齿轮的生产加工中。但在冷挤压成形过程中挤压力非常大,凹模作为最主要的承力部件,其受到的拉应力容易导致模具出现裂纹、破损等失效形式。齿轮冷挤压模具的失效限制了冷挤压技术在齿轮加工中的推广应用。因此,如何避免挤压过程中的模具失效,延长模具的使用寿命是现如今研究齿轮冷挤压成形技术的关键。本文以载重汽车轮边减速器行星齿轮为研究对象,该齿轮为直齿圆柱齿轮,根据其结构特征,采用正挤压成形工艺方案,结合数值模拟结果和理论计算公式,计算出模具结构尺寸;通过对整体式组合凹模的失效分析,提出采用将整体式组合凹模进行横向剖分的结构,但在挤压过程中出现了毛坯钻料现象;针对该现象及其原因,本文提出了将凹模模芯进行横向剖分、同时在凹模底部用螺母进行轴向预紧的模具结构,并确定轴向预紧力的取值范围;结合数值模拟和响应面法对轴向加压剖分式组合凹模的结构尺寸参数进行优化设计,得到了最优尺寸参数组合;探究了不同工艺参数在直齿圆柱齿轮冷挤压成形过程中对金属流动规律及模具应力分布规律的影响。根据剖分式组合凹模设计方法研究及数值模拟结果,设计制造直齿圆柱齿轮冷挤压工艺试验模具,进行直齿圆柱齿轮的冷挤压成形工艺试验,试验结果表明:采用轴向加压剖分式组合凹模结构挤压出的直齿圆柱齿轮并未出现钻料现象,且齿形充填饱满;且模具挤压次数达5万次后,模具使用情况良好,挤压件公法线检测长度在设计要求范围内,说明采用轴向加压剖分式组合凹模结构可以有效预防模具的失效。试验结果验证了轴向加压剖分式组合凹模结构的可行性及数值模拟的正确性。

关键词： 干式离合器   打滑故障   热边界条件反演   多场耦合扭矩仿真   动态特性  

摘要： 干式离合器在恶劣工况下极易出现打滑故障,其不仅给用户带来极大的使用不便,同时还造成国内重型商用汽车干式离合器制造行业每年超八千万的索赔经济损失,已成为行业亟待解决的关键问题。离合器打滑故障与其传扭能力直接相关,但现有扭矩计算中通常假定摩擦副为平面全接触而忽略了其真实的变形过程,该方法对恶劣工况下的扭矩计算可能存在较大偏差。因此,为进一步提升扭矩计算精度,论文首先建立基于三种不同热边界条件反演的温度场修正模型,然后基于以上修正模型继而建立一种包含温度场-变形场-压力场的多物理场顺序解耦合的高精度扭矩仿真计算方法,并最终用于分析离合器总成的相关扭矩动态特性。本文主要研究内容及结论如下:(1)基于三种不同热边界条件的温度场反演及修正方法论文通过APDL二次开发加载不同热边界条件以实现压盘与从动盘在连续接合分离过程中呈现不同摩擦副接触状态下的温度场反演,然后利用仿真及台架试验数据,建立基于opti SLang的反演模型修正方法:以仿真与试验温度曲线的欧式距离最小化为优化目标,以任意时刻仿真与试验温差小于10℃、单次接合分离最后时刻温差小于5℃为约束条件,以不同热边界条件的加载时间和范围为修正变量,最后将修正后的最佳参数组合代入仿真求解以验证该修正方法的有效性。结果表明:反演模型修正后预测的温度偏差均在10℃以内,并且80%以上温度偏差小于5℃。(2)基于温度场反演模型的多物理场顺序解耦合的扭矩仿真计算方法基于上述修正后的温度场反演模型,综合考虑摩擦系数随温度的动态变化,利用单向顺序解耦合思想依次建立包含温度场、变形场及压力场的扭矩仿真计算方法:通过APDL提取摩擦面上每个单元在每个计算时步下的压紧力、等效半径以及温度场所对应的摩擦系数,并分别代入扭矩数学模型从而实现结构在动态变形下的扭矩仿真计算,最后与台架试验扭矩曲线进行对比验证,结果表明:该方法计算的扭矩数值与试验偏差均在10%以内,符合工程仿真精度要求,可用于后续对扭矩相关特性的研究。(3)干式离合器传扭能力影响规律及动态特性研究基于上述扭矩仿真模型,分别利用单因素和正交试验的方法研究摩擦系数、压紧力及温度场对离合器传扭能力的影响规律,结果表明:针对初始状态下的离合器单次接合分离,各因素对传扭能力的影响权重为:压紧力>摩擦系数>初始温度,且以上各单因素每增加10%,分别对应峰值扭矩增加301N·m、223N·m以及减少1.8N·m左右;然后基于以上扭矩仿真曲线以及改变不同升温速率研究离合器扭矩动态特性,结果表明:结构在240℃以下时受热变形影响较小,该阶段传扭能力主要受压紧力和摩擦系数的影响,且传扭能力随压紧力和摩擦系数的增大而增大;结构在240℃以上时受热变形影响较大,该阶段摩擦副间隙将显著增大,同时高温下材料的摩擦系数显著减小,因此该阶段传扭能力主要受温度影响,且温度越高,峰值扭矩越小,传扭能力越差。论文建立的基于热边界条件反演的多物理场耦合扭矩仿真计算方法,实现了结构在动态变形下的扭矩计算,提升了扭矩计算精度,为减少离合器打滑故障和新产品扭矩设计提供有效的理论依据,具有重要的意义和工程应用价值。

关键词： 湿式离合器   全寿命试验   表征参数   状态评估  

摘要： 湿式离合器是燃油车辆的核心零部件之一,整体变速性能好坏直接由湿式离合器性能优劣所决定。车辆以及重型机械在面临高速重载,或是在复杂路面状况行车时,就对其传动装置的关键部件离合器组件提出了更加严格的要求。在湿式离合器换挡期间,其摩擦层会在物理和化学过程中磨损,所以摩擦片会逐渐加重磨损。当摩擦片开始劣化时,将显著降低其扭矩传递能力和离合器的工作可靠性。然而,摩擦片可能更换得太早而导致对湿式离合器进行不必要的维修,或者更换得太晚而导致湿式离合器的损坏。因此,开发用于离合器摩擦片的监测和预测系统对于配备有湿式离合器系统的车辆实现最佳维护策略至关重要。(1)本文首先以湿式离合器工作原理以及湿式离合器摩擦副磨损的三个阶段入手,通过对湿式离合器在磨合时的各种性能参数的研究,以及对摩擦副磨合过程中摩擦系数的研究,确定检测设备的原理,并引入平均摩擦系数(COF),并以此作为湿式离合器状态监测的关键参数。具体设计内容为离合器测试系统的工作原理及搭建,并对实验装置的重要结果如轴、轴承、联轴器等进行设计以及校核,以保证其能够满足使用需求。(2)其次详细叙述本文依托的离合器综合性能检验测试系统,对该检验系统的基本工作原理及其组成部分进行了说明。详细地介绍了测试系统的几个关键技术,液压加载技术、摩擦片表面温度的测量技术、摩擦片扭矩、压力、转速测试技术以及对测试结果进行卡尔曼滤波。并通过对湿式离合器的磨损规律研究发现,离合器磨损过程存在不稳定性和多阶段特性,最终选择使用从离合器试验台获取的油液数据来监测离合器的磨损状态。(3)本文最后结合湿式离合器磨损量仿真计算模型,利用建立的最优表征参数与状态评估的对应关系,开展离合器状态评估方法研究。同时计划运用模糊综合评判方法,综合考虑表征参数的变化趋势及离合器工作条件,建立状态评估的模糊评判模型,采用隶属度函数描述离合器工作状态(初期、正常、剧烈磨损),并探索故障及其程度预报的可能性。最后结合湿式离合器磨损试验,通过状态评估的模糊评判结果与拆检磨损量考核标准对比,验证离合器状态评估方法的有效性。

关键词： 湿式离合器   摩擦副   热流固耦合   温度场   热失效  

摘要： 湿式离合器是汽车传动系统的核心零部件,具有传递转矩大、传动效率高及换挡冲击小等优点。湿式离合器在工作过程中通过摩擦转矩来传递动力,摩擦副主从动端相对滑摩将产生大量热量并被摩擦副吸收,热量若不能及时被冷却系统带走,将导致对偶钢片和摩擦片温度过高、应力过大,引起对偶钢片受热翘曲变形,摩擦片材料不正常磨损甚至脱落等摩擦副失效现象,对整车的工作性能产生巨大影响。本文以湿式离合器摩擦副为研究对象,对处于滑摩工况下的摩擦副间流体油气两相分布规律、流体动态换热特性及其影响因素进行分析,并研究了流体的动态换热特性对摩擦副热失效的影响。主要研究内容如下:首先,介绍了湿式离合器摩擦副滑摩过程涉及的热传递基本理论和多物理场耦合理论,并对摩擦副生热机理和传热机理进行了理论分析。其次,针对摩擦副间可能存在的两相流现象,建立了摩擦副间流体两相流计算流体动力学(CFD)模型,对不同相对转速和不同冷却润滑油流量下的流场油气两相区域分布规律及演变趋势进行分析,并研究了不同相对转速和不同冷却润滑油流量对摩擦副间流体传热特性的影响,为后续建立湿式离合器摩擦副多场耦合仿真模型提供一个理论基础。再次,建立湿式离合器摩擦副多物理耦合仿真模型。对润滑油流体的流动特性、流体温度特性和摩擦副表面温度特性进行了分析。研究了工况参数和结构参数对摩擦副间流体动态换热特性的影响,发现油槽倾斜角度对流体的动态换热特性影响较大,冷却润滑油流量、油槽数目、油槽深度均会对流体流动速度和流体温度产生一定影响。最后,分析了运行工况和结构参数对摩擦副温度场的影响,发现油槽倾斜角度和油槽数目对对偶钢片表面热点、热带的温度分布影响较大,油槽深度和冷却润滑油流量主要影响对偶钢片表面的温度大小。同时讨论了油槽数目和油槽深度对摩擦副应力应变场及对偶钢片变形场的影响。

关键词： 干式离合器总成   连续接合分离   温度场   多场耦合   数字孪生  

摘要： 随着离合器性能要求越来越高,离合器温度场问题也变得越来越复杂,数值仿真已成为离合器温度场研究的重要手段。但是,目前主要是采用热固的耦合方法对零部件如压盘或从动盘进行温度场模拟分析,对离合器总成温度场进行仿真研究较少,且仿真模型往往存在精度不够高或时间不够长的局限。本文采用流热双向耦合、热固分阶段耦合的流热固多场耦合方法以及应用数字孪生技术建立离合器总成温度场模型,提高了温度场仿真精度,并实现更长时间的仿真。论文的研究内容和结论如下:1.通过热负荷试验获得压盘监测点温度根据热负荷试验,测试第5号“31419”组的滑磨功、主从动转速等动态性能参数,并测量接合同步过程和分离过程中压盘摩擦面上的三个监测点温度数据,绘制对应温度曲线。2.建立基于流热固多场耦合的干式离合器总成温度场的数值仿真方法以“31419”组试验为基础,基于ANSYS Workbench建立干式离合器总成有限元模型。通过流热双向耦合方法,确定对流边界条件;利用热固分阶段耦合方法模拟连续接合分离过程,建立干式离合器总成流热固温度场仿真方法与模型。3.建立基于数字孪生的干式离合器总成温度场的精度提高方法以温度误差影响因素作为修正参数,以仿真与实测温度的欧式距离最小化和特定时段温度差值最小化作为目标,以仿真和实测数据最大温度差值等作为约束条件,建立基于实测数据的干式离合器总成温度场模型修正方法。对“31419”组仿真模型进行修正,修正后外中内径温度误差明显减少,最大温度偏差为4.99%;对“12621”组高温下仿真模型验证,98%温度偏差在10℃以内。接触压力、导热率和热变形是影响总成温度场分布的主要因素。随着接合次数增加,压盘摩擦面从内凹状态转变成内凸状态,压盘外径产生有明显热变形。论文建立了更高精度与更长时间的干式离合器总成温度场数值仿真方法与模型,对于研究干式离合器总成温度分布等具有重要的理论意义和实际工程应用价值。