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关键词： 装配工艺分析   装配工艺优化   装配误差   湿式离合器   螺栓连接件  

摘要： 湿式离合器是车辆传动系统的核心部件,随着传动系统性能和轻便性要求的日渐提高,湿式离合器装配精度的要求日益严格。现有湿式离合器装配精度分析方法均未考虑装配过程对装配精度的影响:(1)装配过程带来的零件误差概率分布变化;(2)装配过程产生的装配应力所导致的装配变形。本文针对装配过程所致零件误差概率分布变化及装配变形等问题,开展了湿式离合器装配精度分析及端盖螺栓组装配工艺参数优化研究,主要研究内容如下:针对现有的偏差分析方法未考虑装配过程中间隙配合组合带来的过约束问题,以及零件选配带来的偏差概率分布变化问题,建立了考虑间隙配合组合以及零件选配约束条件下的湿式离合器典型偏差(制造偏差、配合偏差和变形偏差)的三维旋量表达模型以及配合偏差传递的雅可比模型,给出了其统计学解并建立了各偏差源的敏感度计算模型,形成了一套面向装配的湿式离合器偏差分析建模方法。针对当前湿式离合器端盖螺栓组装配过程带来的装配偏差(装配变形、定位基准偏移等)不明确问题,建立了湿式离合器端盖螺栓连接结构的有限元仿真分析模型,对端盖螺栓组装配过程进行了仿真,得到了关键表面特征的离散位移数据,为端盖螺栓组预紧工艺参数优化提供了数据支撑。针对现有装配工艺参数优化缺乏定量化评价指标的问题,提出了基于全配合长度上的最大径向变动量的径向间隙装配质量评价方法,得到了给定装配序列下的装配步敏感度评价。针对现有装配工艺参数优化缺乏调整依据的问题,揭示了湿式离合器端盖螺栓组装配工艺对端盖装配偏差的影响机理。以装配步贡献度和装配工艺影响机理为依据,提出了湿式离合器端盖螺栓组装配工艺参数优化方案。仿真计算结果表明,湿式离合器关键面装配误差分布区间从(0,0.0972 mm)变为(0,0.0878 mm),区间长度和误差最大值缩小了约9.67%,湿式离合器装配精度获得了提升,证明了本文所提出的湿式离合器装配工艺分析方法的有效性,为生产设计中螺栓连接件装配工艺的调整优化提供了理论支撑。

关键词： 湿式离合器   摩擦片   带排转矩   两相流   流体仿真   试验  

摘要： 湿式多片离合器因其平稳、快速的动力传递,出色的稳定性,广泛应用于大型工程机械与重载军用车辆和乘用车自动变速箱上,湿式多片离合器结构是由多个环形摩擦片与对偶钢片交替分布组成,当车辆处于空载带排时,摩擦片与对偶钢片分离。为保持湿式离合器良好的散热,冷却系统为强制循环冷却,润滑油流经摩擦副间隙,带走摩擦副间隙的热量与摩擦产生的碎屑,当流经间隙时摩擦片的转动会对润滑油产生剪切作用,产生带排转矩,造成湿式多片离合器功率损失,因此对湿式多片离合器的带排转矩分析一直是国内外研究的热点。随着车辆工作场景与性能的提升,湿式多片离合器的使用场景逐渐趋向于高速工况,而对于湿式离合器带排转矩高速工况的研究目前较少,因此本文针对一种新型摩擦片在高速带排转矩的变化进行研究,主要分为以下部分:(1)润滑油的性质对于湿式多片离合器的性能有着重要影响,本文针对润滑油的粘温特性,建立改进的粘温特性方程,对方程特征参数进行分析,绘制润滑油关于温度的粘温特性曲线,根据曲线得知润滑油粘度随温度的增大而减小,在0-30℃粘度随温度增加下降较大,之后较平缓。(2)为深入研究湿式多片离合器带排转矩的产生原因以及变化规律,建立低速经典带排转矩模型,对低速带排转矩的变化规律进行了研究。利用流体N-S方程,建立圆柱坐标下摩擦副间隙流场流动模型,考虑油膜表面张力因素,分析油膜等效半径的变化,和油膜收缩后空气进入摩擦副间隙的影响,基于高转速状态下的油气两相流特征,建立改进的带排转矩数学模型。通过模型与试验参数条件进行仿真计算,分析了润滑油的流量、温度,摩擦片转速、沟槽,摩擦副流场间隙与摩擦片尺寸大小等因素对高速带排转矩变化规律的影响。(3)基于流体力学理论,建立VOF模型,并对湿式多片离合器摩擦副间隙油膜进行流体动态特性仿真,分析不同槽型摩擦片间隙油膜随转速变化的规律,以及不同槽型的间隙油膜的压力变化规律。(4)通过摩擦元件高线速带排试验系统,对不同参数的三种结构摩擦片进行带排试验。获得带排转矩与转速的变化关系,分析了摩擦片旋转方向、润滑油温度与流量、摩擦副间隙等参数对带排转矩的影响。同时对不同结构的摩擦片带排转矩性能差异,进行了试验与仿真对比,结果显示,带排转矩随转速的增加呈先急剧增大,达到峰值后又快速减小,然后随转速的增大呈平稳且轻微上升趋势。摩擦片逆时针方向旋转时出现削峰现象,带排转矩最大值相对顺时针减小,但在高速阶段,逆时针带排转矩会大于顺时针带排转矩。润滑油温度主要会影响润滑油的粘度,从而对带排转矩造成影响,随着润滑油温度的增大,带排转矩降低。随着润滑油流量的增大,带排转矩增大;随着摩擦副间隙的减小,带排转矩增大,该结论验证了模型与仿真的准确性。

关键词： 非摩擦式   超越离合器   拓扑优化   动力学仿真  

摘要： 装载机行业作为中国工程机械行业的重要行业之一,发展前景十分广阔,超越离合器因其独特的单向离合功能与液力变矩器搭配使用成为装载机动力系统不可或缺的一部分。而传统的超越离合器因为自身缺陷也暴露出了承载能力低、使用寿命低、制造精度要求高等缺点。针对上述问题,本文提出一种非摩擦式超越离合器结构方案,以ZL50装载机为使用环境对各模块零部件进行结构设计,对关键零件进行优化设计并对传力模块进行静力学分析,随后对整体模型进行动力学仿真,验证传动路线的正确性以及方案的可行性,最后探究关键参数对受力较为复杂的接合过程的影响。主要研究内容和成果如下:(1)提出了一种非摩擦式超越离合器结构方案。针对传统超越离合器承载能力低、使用寿命低、制造精度要求高等缺点,在分析常用超越离合器结构原理及失效原因的基础上,将超越离合器分为状态选择模块和传力模块,提出将这两个模块分开布置的设计思路,由此提出一种新型非摩擦式超越离合器的结构方案,与现有装载机用滚柱式超越离合器进行对比,理论分析了新型非摩擦式超越离合器具有传递力矩大、运动可靠和寿命长等优势。(2)完成了非摩擦式超越离合器各模块零部件结构设计及建模。将非摩擦式超越离合器分为外接模块、状态控制模块以及传力模块三个部分,并根据某型号ZL50装载机超越离合器外接尺寸及载荷条件分别对三个部分进行了详细的结构设计,确定了齿轮、摩擦片、弹簧、轴承等零件的具体参数和型号,设计了传力爪的结构并进行了初步优化。建立了非摩擦式超越离合器三维模型。(3)基于ANSYS Workbench对传力爪进行优化并对传力模块进行了强度分析。利用ANSYS Workbench软件中拓扑优化模块得到传力爪密度分布云图,以此找到传力爪减重孔位置,优化后的传力爪质量减少了约12.4%,质心与回转轴中心的距离减小了约68.6%,计算状态控制模块的摩擦片所需的摩擦转矩减小了约71.6%。对修改后的传力模块进行静力学分析,得到了减重孔的设置不会引起传力爪的破坏,结构满足强度要求的结论。利用赫兹公式计算同等载荷条件下滚柱式超越离合器的最大接触力矩,与仿真结果对比发现非摩擦式超越离合器比滚柱式超越离合器能承受更大的载荷、制造工艺更简单、精度要求更低。(4)基于ADAMS软件对非摩擦式超越离合器进行了动力学仿真分析。搭建了非摩擦式超越离合器状态转换动力学模型,完成了超越离合器接合过程与脱开过程的动力学分析,得到了外环、输出轴角速度变化曲线和传力爪接触力变化曲线,验证了传动路线的正确性以及方案的可行性,分析发现与接合过程相比,脱开过程的接触力较小且变化过程简单。在此基础上,探究接合时内外环相对角加速度、外环力矩增幅以及传力爪个数对接合过程的影响。分析发现:传力爪稳定接触随外环最大作用力矩增大而增大;传力爪最大接触力随着接合时外环与输出轴相对角加速度的增加也呈增大趋势,并且增大趋势逐渐明显,同步时间虽然也呈逐渐减小的趋势,但变化较小;外环作用力矩增幅越小时,同步过程的最大接触力也越小,但同步时间会有所增大;在同样的载荷条件下传力爪个数越多,单个传力爪承受的载荷越少;最后根据关键参数对接合过程的影响分析给出了一些实际的工程建议。

关键词： 套袋装置   间歇机构   优化设计   有限元分析   轻量化  

摘要： 随着工业自动化程度越来越高,包装行业的自动化程度也逐步提高,但对青饲机压出的青贮块进行套袋包装操作仍采用人工进行,出现了企业人工成本高,套袋效率低的问题,因此设计一款青贮块自动套袋装置是十分必要的。基于人工套袋流程,提出自动套袋工艺方案,包括供袋、取袋、撑袋、一次套袋和二次套袋,依据工艺要求设计供袋、取袋、撑袋和套袋机构,通过三维建模软件对套袋装置虚拟建模,验证了套袋装置的可行性。针对青贮袋口撑开尺寸较大的问题,设计一种偏置曲柄滑块和双滑块组合型间歇机构,同时在偏置曲柄滑块机构连杆上设计滑槽,实现机构间歇功能,推导出滑槽长度与停歇时间的关系式。采用Matlab对间歇型撑袋机构的曲柄、连杆和滑块位移等参数进行尺寸优化。对比不同行程速比系数K下撑袋机构运动规律,结果表明K=1.25时,撑袋机构运动较平稳,冲击较小,尺寸参数相对最优。通过有限元分析软件对套袋机构静力学分析,得出摆动机构放下时最大变形为0.44523mm,最大应力为11.191Mpa,摆动机构收起时最大变形为1.9782mm,最大应力为132.68Mpa,满足结构刚度和强度要求。对套袋机构模态分析,得出其六阶固有频率均小于电机激振频率,结构不发生共振。通过对套袋机构静力学分析得出套袋机构中悬梁强度和刚度足够富裕,对其轻量化研究,通过响应面优化中Box-Benhnken Design实验设计方法生成样本点,构建Kriging模型响应面,进行多目标优化,最终质量减少18.27%,应力减少6.4%,变形减少23.66%,悬梁的尺寸得到优化。图56幅;表9个;参56篇。

关键词： 有限体积法   挤压膜流动   平均流量方程   接合动力学   表面粗糙度  

摘要： 液黏调速离合器的原理是以液黏传动为基础,通过摩擦副相对旋转产生流体剪切力来传递动力,改变摩擦副间隙调节输出转速,传动稳定性高,且在风机、履带车辆等系统中,具有明显的节能效果。液黏调速离合器摩擦副间的挤压膜流动以及粗糙接触问题对接合时油膜厚度随时间的变化规律有较大影响,因此,本文以一对摩擦副为研究对象,综合考虑流体离心力、科氏力、表面粗糙度以及油槽结构,通过理论分析建立数学模型,用数值方法进行求解,并用试验验证仿真模型,用于预测实际工况条件下液黏调速离合器的接合动态行为。主要内容如下:以一对摩擦副为研究对象,综合考虑流体黏温特性、油槽结构、油液离心力以及科氏力等因素,建立摩擦副流场数学模型,数值计算方法采用有限体积法,通过MATLAB计算得到仿真结果,然后对液黏调速离合器油膜压力、温度以及传递转矩等传动机理进行分析研究,得到了油膜压力、油膜温度、黏性转矩在不同条件下的变化规律,最终对液黏调速离合器传动特性进行试验验证,对液黏调速离合器单摩擦副做试验,测得实际工况下离合器被动盘转速变化以及传动扭矩之间的关系。结果发现油槽深度越大、初始油膜厚度越大以及被动盘转速越大会有效减小摩擦副油槽入口出的动压峰值,并同时增强油液散热效果;通过试验发现现有的数学模型的数值结果与实验数据在变化规律上相匹配,但由于实际工况下的不稳定性因素导致两者在数值上有差异。构建液黏调速离合器挤压膜流动模型和液黏调速离合器混合摩擦阶段的粗糙模型,发展了一种基于牛顿迭代法的挤压膜流动方法,用流量因子的概念模拟粗糙表面对润滑流动的影响,基于真实的接触面积来模拟机械接触。随后,这些模型与挤压膜流动模型相结合,得到一个可以完整模拟离合器接合的数学模型;构建完离合器接合模型后,通过MATLAB对接合模型进行求解,得到了接合过程中油膜厚度、油膜挤压速度、流体膜与粗糙峰面积比、输出转速等动态参数变化规律以及不同工况下传动转矩的特性。结果表明接合压力增长的幅度越大、油液黏度越大、表面粗糙度的峰值越高能够有效增强传动能力。

关键词： 湿式摩擦离合器   带排转矩   油槽结构   仿生微结构  

摘要： 随着船舶技术的迅速发展,作为船舶传动系统的关键部件湿式摩擦离合器,其工作性能的好坏直接影响动力传递效率。而湿式摩擦离合器带排转矩的高低是衡量离合器性能的重要指标之一,当前对不同油槽结构带排转矩的影响研究还不够深入。本文以某型号船舶湿式摩擦离合器为研究对象,在分析带排转矩产生机理的基础之上对不同油槽结构的湿式摩擦离合器进行了研究,以降低带排转矩为目标对油槽结构进行了结构优化。主要研究内容如下:首先,在带排转矩的产生机理分析基础上,建立了理论计算模型,得到了带排转矩由峰值下降和达到临界转速后上升的原因。而后建立了含有油槽结构的润滑油膜带排转矩计算模型,分析了不同入口流量、间隙和油温对带排特性的影响。其次,基于VOF两相流对片间流场润滑油分布状态及温升情况进行仿真分析。对仿真方法进行了验证,对比仿真分析与理论计算的差异,以双圆弧油槽为例通过不同位置处油液含量、流场压力、温度和速度变化对比分析油槽对于片间流场变化的影响。然后,结合湿式摩擦离合器流场带排特性研究结果,对摩擦片结构进行研究。对比典型的几种油槽结构在转速区间内的带排转矩变化;通过不同周向和径向油槽参数研究其对带排转矩的影响;对油槽结构参数进行对比分析,比较在确定接触面积的前提下对流场带排特性的最大影响参数。最后,以鲨鱼减阻鳞甲为研究参考对象,研究近壁面的减阻机理,以降低带排转矩为目标应用二维肋条来降低润滑油液在壁面的附着,并针对不同类型的微结构尺寸参数展开研究,对比分析不同微结构参数对于油液减阻特性的影响。本文针对湿式摩擦离合器在脱开状态下的带排特性以及油槽结构进行分析,采用理论与仿真分析结合的方法,对离合器流场分布以及油槽结构进行分析和优化,为湿式摩擦离合器的设计提供参考和借鉴。

关键词： 颗粒阻尼技术   弧齿锥齿轮   耗能减振   离散元素法  

摘要： 振动是影响齿轮传动精度和稳定性的重要原因。在齿轮传动过程中,时变啮合刚度、齿轮啮合误差、齿侧间隙以及偏心误差均是导致齿轮产生振动的重要原因。颗粒阻尼技术是通过颗粒间、颗粒与阻尼器间的摩擦作用和碰撞冲击作用耗能。颗粒阻尼器具有结构简单、效果明显、环境适应性强等优势。针对齿轮振动问题,本文以一对弧齿锥齿轮为分析对象,采用颗粒阻尼技术对其进行减振研究。目前颗粒阻尼技术主要应用于稳态场中,而本文将该技术应用在离心场中并分析其耗能机理,这对颗粒阻尼技术在离心场中的实际应用具有重要意义。本文主要内容如下:1、利用集中参数法,分别建立了考虑齿侧间隙和偏心距的弧齿锥齿轮传动系统动力学模型和动力学方程,模型中考虑了时变啮合刚度、轴承支撑刚度以及齿轮啮合误差。数值求解分析了不同齿侧间隙和偏心距下弧齿锥齿轮传动系统的振动位移响应。2、介绍了离散元素法求解颗粒阻尼的耗能过程以及利用瑞利波法确定了时间步长,建立了颗粒间、颗粒与颗粒阻尼器间的碰撞力学模型,阐述了采用Hertz-Mindlin无滑动接触模型时颗粒接触参数的计算方法,讨论了影响颗粒阻尼耗能的因素并根据所得结论设计了颗粒阻尼器。3、利用EDEM和Adams联合仿真,分析了颗粒填充率、颗粒粒径、颗粒材料以及输入转速和负载对颗粒阻尼耗能的影响规律。在最佳颗粒参数条件下,得到了同时考虑齿侧间隙和偏心距的弧齿锥齿轮传动系统振动位移响应,并将其与无颗粒阻尼的振动位移响应进行对比,结果表明颗粒阻尼具有一定的减振效果。4、搭建了弧齿锥齿轮传动振动试验台,分别进行了不同输入转速和负载下以及不同偏心质量两种工况下的颗粒阻尼耗能减振试验。通过改变颗粒填充率、颗粒粒径以及颗粒材料,测量得到了不同条件下弧齿锥齿轮振动响应,获得了不同颗粒条件下颗粒阻尼耗能规律。通过对比有无颗粒阻尼的齿轮振动位移响应,验证了颗粒阻尼耗能减振的有效性。

关键词： 行星齿轮   齿轮传动   分层结构设计   齿轮修形   行星架优化  

摘要： 行星齿轮传动具有工作效率高、结构紧凑、齿轮传动比大、功率重量比大的优点，被广泛应用于各种传动系统。行星齿轮虽由太阳齿轮(包括内外齿轮)、行星齿轮及行星架三种基本构件组成，但不同类型变化组合，会衍生出多种行星齿轮机构，使得行星齿轮传动装置的设计是一件复杂而困难的工作。因此，论文根据行星齿轮传动的结构特点，对行星齿轮传动装置的设计及其优化进行系统研究,其主要的研究内容如下:　　(1)提出基于分层结构设计和火箭式的行星齿轮转动装置的设计方法。根据行星齿轮的结构特点，将行星齿轮传动装置进行模块化处理，并利用参数模型库和特征设计的方法将各模块进行参数和约束关联。最后，结合火箭升空原理，优化多级行星齿轮级与级之间的装配约束，实现了行星齿轮传动装置结构的快速设计，提高了多级行星行星齿轮的设计质量和效率。　　(2)提出了一种基于空间点阵的齿轮修形方法。齿轮修形是改善行星齿轮啮合状态、提高传动精度一种重要技术。论文将齿面离散为规则空间点阵，并将修形量映射到对应的空间点上，然后生成二次B样条网格曲线，依此构建光滑的齿廓曲面，并自适应映射到所有齿面上。该方法通过修形位置和修形量的双重控制实现了齿面的精确修形，获得了高质量齿廓曲面，满足了齿轮修形要求。　　(3)提出了行星架类型和结构尺寸递进优化的理念。首先对行星架进行受力分析，结合加工工艺和空间结构特点，确定行星架的最佳类型。然后通过有限元分析，结合优化设计方法，对行星架结构进行理想化模型处理，再对其结构尺寸进行优化调整，以获得满足强度要求和安全要求的最小行星架结构尺寸，增大了行星齿轮的应用范围，并降低了生产成本。　　(4)开发了行星齿轮传动装置设计系统。论文基于NX软件的建模和仿真模块，将所提的设计方法进行无缝集成，开发了一套行星齿轮传动装置的设计系统。通过对模块化的分析设计并结合设计实例，验证该算法和系统的操作性能和可执行的效率，表明该系统具有较好的交互性和可适用性。

关键词： 高速斜撑超越离合器   楔合故障   楔合过程   静态接触分析   动态楔合仿真  

摘要： 斜撑式超越离合器是航空传动系统中的关键部件,需在高速重载的严苛工况下稳定运行,因此其楔合性能对传动系统的可靠性有重要影响。现某型号高速斜撑超越离合器在测试中多次发现楔合故障,此故障一旦发生会影响飞机传动系统的正常使用。为提高高速斜撑超越离合器的耐用性及动力学性能,减少故障产生,本文选取某高速斜撑超越离合器为研究对象,对其进行理论分析、静态接触仿真、楔合机理分析及动态楔合特性研究工作。具体研究内容如下:依据高速斜撑超越离合器的结构特点,分析其结构组成及工作原理。总结楔合状态下楔块与内外环等主要零件的应力及变形计算公式,推导离合器自锁条件,并对超越状态下离合器楔块进行受力分析,得到楔块和内外环间作用力的求解方程。借助ANSYS Workbench软件构建高速斜撑超越离合器有限元模型,开展离合器静态接触分析。通过仿真分析得到楔块与内外环间周向位移、接触面滑移距离及接触应力的分布及变化情况,探究不同外环负载转矩及接触面间摩擦系数对接触特性的影响。概述高速斜撑超越离合器产生的楔合失败现象,并对离合器进行动力学建模,建立高速斜撑超越离合器动力学分析模型构建方法,开展楔合机理分析,研究其动态工作过程。将楔合动态调整过程按工作状态分为五个区域,对每个区域内外环转速、楔块摆角及接触力的变化情况进行分析,从机理上探究导致楔合失败的因素。在ADAMS软件中通过合理设置各参数对高速斜撑超越离合器的动态楔合性能进行仿真分析。指出衡量离合器楔合性能的主要指标,得到离合器在差速楔合过程中楔合冲击、楔合时间和内外环最大转速差等主要指标的变化规律。对比仿真结果,研究摩擦、弹簧扭矩、外环质量、阻尼及碰撞刚度等参数对离合器动态楔合性能的影响。

关键词： MEMS   电容式微加速度计   差分   有限元  

摘要： 微机电系统（MEMS）,是涉及电子学、机械学、物理学、生物医学等多个学科技术的前沿研究领域。MEMS传感器凭借其微型化、低成本、低功耗、集成度高以及实现智能化的优势,广泛应用到航空航天、医疗设备、汽车电子、智能终端等领域。MEMS微加速度计是MEMS传感器的重点研究方向之一,在惯性导航、汽车安全、可移动设备等领域受到普遍青睐。本论文以三轴MEMS电容式微加速度计为研究对象,基于牛顿第二定律,围绕电容式微加速度计的机理研究,分析微加速度计的关键性能指标,提出可行的结构设计方案,并借助ANSYS软件辅助手段进行结构建模和仿真分析。本论文研究内容如下:针对量程性能和结构稳定性,设计了一款高量程的三轴电容式微加速度计,选取L形弹性梁和差分电容结构,对设计的微加速度计进行模型构建与仿真分析。探究关键部件弹性梁的参数尺寸对微加速度计性能的影响,确定弹性梁参数;通过结构静力学仿真得到了在X、Y、Z三个轴向的位移灵敏度分别为4.27×10μm/g、3.12×10μm/g和1.07×10μm/g;在水平方向和Z轴向的量程分别为±1000g和±500g,且在各个轴向具备良好的线性度;在X、Y轴向可以承受20000g的加速度冲击,Z轴向可以承受5000g的加速度冲击,拥有较高的抗过载能力。最后通过结构动力学模态分析获得了微加速度计在三个轴向的固有频率和振型,并与谐响应分析的结果保持一致。为提升电容灵敏度特性,优化设计了±100g量程的高精度三轴电容式微加速度计。选取蛇形弹性梁并合理设计差分电容以及适当增加梳齿电极数目。由静力学仿真获得X、Y、Z三个轴向的位移灵敏度分别为5.11×10μm/g、5.08×10μm/g和3.61×10μm/g;在三个轴向的量程均为±100g,且在量程内线性度表现良好;同时三个轴向均可以承受2000g加速度的冲击。通过结构动力学仿真,各轴向谐振频率的数量级均在十千赫兹,满足设计要求。