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关键词： 多级齿轮传动   齿廓修形   摩擦热流量   振动噪声  

摘要： 齿轮系统运行时不可避免出现轮齿啮合刚度变化、传递误差和啮合冲击，同时因受到温度、制造误差、安装误差等影响，齿轮啮合过程中载荷发生周期性变化，进而产生振动和噪声。修形作为优化齿轮振动噪声的重要手段，可以改善齿轮啮合过程中轮齿受力情况，减小振动及冲击，提高传动系统平稳性、承载能力和使用寿命。　　本文以航空多级齿轮传动系统为研究对象，开展圆柱齿轮副参数优化、热弹耦合仿真、齿廓修形设计以及系统动力学分析、振动噪声预估等方面的研究。主要工作如下：　　（1）基于混合弹流润滑方法计算齿轮副时变摩擦系数，建立齿轮副摩擦热流量计算模型，分析齿轮参数对摩擦热流量的影响规律。建立以低摩擦热流量为目标的多级圆柱齿轮系统参数优化模型，编写计算程序，优化齿轮系统参数，优化后齿轮系统摩擦热流量显著减小。　　（2）基于ANSYS软件，求解齿轮传动系统温度场，并进行热弹耦合分析，根据仿真所得啮入啮出位置干涉位移量计算修形参数;推导齿廓修形齿面方程，建立修形齿轮系统参数化有限元模型，并进行热弹耦合求解;对比修形前后齿轮系统各齿轮副接触应力，修形后各齿轮副应力皆有所减小。　　（3）借助Romax软件计算各轴承支承刚度，基于有限元法求解各齿轮副时变啮合刚度;建立齿轮传动系统动力学模型，采用龙格库塔法求解动力学方程，得到修形前后齿轮的振动响应以及各齿轮副的动态啮合力。对比修形前后齿轮振动响应可得，修形后各齿轮振动响应皆有所减小。　　（4）在ANSYS中建立齿轮箱有限元模型，采用Block Lanczos法求解箱体约束模态，对比齿轮箱固有频率和齿轮副激励频率，排除了齿轮箱共振的可能性;基于模态叠加法计算修形前后齿轮箱的振动响应，修形后振动响应大幅减小。在SYSNOISE中建立齿轮箱声学边界元模型，采用直接边界元法求解齿轮箱表面声压和场点辐射噪声，修形后齿轮箱噪声得到一定程度的减小。

关键词： 行星轮系   柔性齿圈   ABAQUS二次开发   均载实验  

摘要： 行星轮系具有体积小、传动比大、传动效率高和承载能力高的优点,广泛应用于车辆工程、船舶动力、航空航天、风电等领域。行星轮系由于其同轴输出的特点,使得该传动机构成为直升机主减速器末级输出重要的传动形式之一,具有更高的功率密度、更大的功重比;但是,目前针对航空用直升机行星齿轮的设计一直采用传统的设计方法,且开展每一项设计、分析都是独立的,导致设计周期长、效率低下等问题。基于此,本论文采用参数化设计理念,开展了直升机行星轮系的结构参数设计与动态均载性能分析技术的研究,不仅可以缩短设计周期,减少材料投入,降低生产成本,而且还可以提升设计质量和效率。具体来说,本文的研究重点如下:首先,本文以某型直升机行星齿轮传动系统为基础展开研究,在对含有柔性齿圈直升机行星轮系设计理论、强度设计理论和齿面微观几何结构设计方法进行分析的基础上,按照航空齿轮设计规范和设计标准,进行了行星轮系参数化结构设计。结合数据、图表图线的处理方法,使用MATLAB软件进行程序开发,编写总程序、子程序,开发了一套可以进行基本参数输入,选择行星齿轮数目程序自动完成设计计算,并开发了对设计完成的轮系实现强度分析、齿面微观几何结构设计等功能的集成系统,且将已有的均载分析系统集成到该系统中,实现对设计完成的行星轮系均载系数的求解。其次,在MATLAB中编写接口程序与ABAQUS相连接,通过对仿真软件ABAQUS的二次开发,可实现直升机行星轮系的参数化自动建模与装配。程序自动将设计完成的行星轮系参数导入ABAQUS,同时,启动ABAQUS进行三维建模,并对模型进行有限元分析。通过对直升机行星轮系的动力学分析,得到太阳轮、行星轮及内齿轮的位移云图和应力云图。通过对仿真结果与系统理论计算结果作比较,验证了齿面微观几何结构设计的合理性。最后,基于直升机行星轮系的设计,对设计完成的行星轮系开展了动力学均载实验。由于直升机行星齿轮的特殊结构,本研究采用应变片组测量法对含有柔性齿圈的行星轮系进行了均载实验,通过将应变片粘贴在齿圈齿根处的方法来获取更加准确的采样数据。为了精确测量内齿轮齿根处的应力,在内齿轮齿根处设计五组应变片的方案。设计了两种不同的工况,在特定的行星齿轮实验台上进行均载性能实验并采集数据。通过对原始数据处理及其分析,计算获得了在两种不同的工况下系统的均载系数,并将实验计算结果与系统计算结果进行了对比,从而有效地验证了设计的合理性。通过对直升机行星齿轮的设计及实验验证,优化了设计结果,对直升机行星齿轮传动系统的选配具有一定的应用价值。

关键词： 非稳态激励   齿轮传动   集中质量模型   多目标优化   并车汇流  

摘要： 齿轮传动具有平稳性好、承载能力强等优点,在重型机械行业诸如航空、船舶、煤炭等产业中应用广泛。因大型舰船工作条件复杂,对齿轮传动系统要求较高,故其齿轮箱内常用并车汇流齿轮—离合器系统进行动力传输。近年来舰船反声纳探测性能随科技发展越来越被重视,受并车汇流齿轮—离合器系统复杂工况与多种激励源的影响,舰船机械噪声主要来源于并车汇流齿轮—离合器系统接排过程产生的振动,其产生的噪声相比海洋背景噪声特征明显,对船舶隐身性能造成严重影响,而当前研究齿轮系统动态特性时往往未考虑离合器接排冲击。因此,研究考虑离合器接排冲击、时变啮合刚度等非稳态激励对并车汇流齿轮—离合器系统的动态特性影响,对提高齿轮系统可靠性与优化齿轮箱性能具有重要理论意义与工程价值。本课题来源于国家自然科学基金项目,以船用齿轮箱内并车汇流齿轮—离合器系统为研究对象,开展非稳态激励下并车汇流齿轮—离合器系统动态特性研究,首先针对离合器接排冲击激励,建立离合器接排冲击模型并得出冲击规律;而后基于集中质量法建立含接排冲击的并车汇流齿轮—离合器系统动力学模型,研究系统动态特性;进而,建立含接排冲击、质量、传递误差、振动响应和系统噪声的并车汇流齿轮—离合器系统多目标优化模型,对系统开展多目标优化设计;最后,为方便工程应用,快速进行参数优化,开发并车汇流齿轮—离合器系统多目标优化设计软件。本文主要研究内容如下:(1)针对船用湿式离合器的接排过程,基于集中质量法建立离合器接排冲击模型并进行求解,得出了船用湿式离合器的轴向冲击规律,随后对船用湿式离合器接排冲击响应进行了特性分析,为后续并车汇流齿轮—离合器系统动态特性分析提供数据支撑;(2)综合考虑离合器接排冲击、时变啮合刚度、传递误差建立并车汇流齿轮-离合器传动系统动力学模型,求解系统动态响应分析离合器接排冲击对系统动态响应的影响规律,并探究不同工作条件对并车汇流齿轮—离合器系统动态响应的影响规律;(3)以齿轮系统质量、离合器接排冲击、系统振动响应与系统总噪声为优化目标函数,以并车汇流齿轮—离合器系统各参数为设计变量,在传动比、接触强度等约束条件下,建立并车汇流齿轮—离合器系统多目标优化模型,应用MATLAB工具箱内的GA函数,基于遗传算法实现并车汇流齿轮—离合器系统多目标优化;(4)为帮助设计人员快速、准确地进行系统优化,提高系统性能和效率。通过多目标优化设计方法,基于并车汇流齿轮-离合器多目标优化模型开发并车汇流齿轮—离合器系统多目标优化软件。

关键词： 杯型离合器   优化设计   模拟退火算法   有限元分析   运动仿真  

摘要： 杯型离合器是近年来一种新出现的应用于直升机电动绞车的机械设备,用于实现钢索的上升、下放与悬停。目前杯型离合器虽然能达到使用要求,但工作状况不佳,尤其是钢索在下放过程中振荡剧烈。为了改善杯型离合器的工作状况,本文开展对杯型离合器不同工况的分析研究,并采用模拟退火算法对其下放负载这一工况进行优化设计,主要研究内容如下:(1)对杯型离合器的工作原理与关键零部件的参数分析研究,在此基础上运用MATLAB软件分别对上升、下放与悬停三种工况完成程序设计,根据计算结果重点研究下放负载时杯型离合器的工况。从输入齿轮转速、输出齿轮转速、电机输出转矩、摩擦片摩擦力矩与碟形弹簧所受压力曲线图可以看出杯型离合器发生了剧烈的振荡现象,导致此现象的原因一方面是由于杯型离合器需要通过反复点刹来控制下放负载时的速度,另一方面是由于杯型离合器的零部件参数选取不合理。分析得出影响振荡现象的三个参数分别是碟形弹簧的预紧压缩距离、钢球轨道的中心半径和摩擦片的摩擦系数。(2)将杯型离合器下放负载时输出齿轮转速在振荡阶段的最大值与最小值的差值作为目标函数,影响振荡现象的三个参数作为优化设计变量,建立优化设计数学模型。运用模拟退火算法对其进行求解,得到优化设计后的参数,带入下放负载工况的程序中进行求解,将优化后的计算结果与优化前的计算结果进行比对,得到输出齿轮转速的波高由31.84rad/s变为5.01rad/s;输入齿轮转速的波高由16.11rad/s变为2.07rad/s;摩擦片提供的最大摩擦力矩由8.92N·m变为7.18N·m;碟形弹簧所受最大压力由634.43N变为512.87N,实现了减弱杯型离合器下放负载时的振荡状态的优化设计目标。(3)运用CATIA软件建立杯型离合器优化设计后的三维模型,导入ANSYS Workbench软件中根据有限元分析原理对输入齿轮与输出齿轮进行应力分析,结果表明优化设计后的两齿轮可以满足使用要求。最后使用动力学分析软件ADAMS对杯型离合器三维模型进行运动仿真,得到的仿真结果与MATLAB优化设计结果最大误差为2.11%,验证了本文所得优化设计结果的可靠性。

关键词： 牙嵌式电磁离合器   分布式电驱动车辆   纵向动力学控制  

摘要： 分布式电驱动车辆以其结构设计灵活和操控性好等特点已经成为国防科研热点之一,为军队的作战能力提升和现代化装备建设提供更加先进的技术支持。为进一步提高分布式电驱动车辆在极端路况下的动力性能,本文以装用牙嵌式电磁离合器的6×6分布式电驱动车辆作为研究对象,具体研究了车辆纵向动力学控制中的驱动防滑控制,包括路面感知和牙嵌式电磁离合器控制策略的设计,充分利用分布式电驱动车辆多执行单元的动力耦合功能,进而提高整车驱动力。首先,对牙嵌式电磁离合器的控制系统和执行系统进行研究,分析了牙嵌式电磁离合器的工作原理,设计了牙嵌式电磁离合器的控制策略,同时搭建了电磁离合器等效驱动电路模型。其次,建立了6×6分布式电驱动车辆19自由度动力学模型,包括车体模型、车轮运动模型、轮胎模型、悬架模型、转向模型和驱动电机模型。在保证模型精度前提下适当简化条件,进行车辆动力学分析,并在Simulink中搭建了各子系统的模型,与牙嵌式电磁离合器模型一起组成了分布式电驱动车辆的整车仿真模型。最后,以最优滑转率为控制目标,基于u-S关系曲线的设计了路面识别系统,能够识别得到不同附着系数路面下的最优滑转率值。并且设计了模糊PID控制器,以最优滑转率与实际滑转率的差值以及差值的变化率作为模糊控制器的二维输入,对PID的三个控制参数进行实时调整,实现对牙嵌式电磁离合器的动态控制。同时,分三种工况进行整车动力学仿真,与未装用牙嵌式电磁离合器进行对比分析。仿真结果表明,牙嵌式电磁离合器的动力耦合功能使得分布式电驱动车辆整车动力性能得到明显改善,尤其在左右两侧路面附着系数差距大的情况下,控制效果更加显著,牙嵌式电磁离合器响应迅速,将车轮滑转率控制在最优滑转率附近,充分提高了整车纵向动力性能。

关键词： 湿式离合器   热弹流耦合特性   时变滑摩转矩   换挡动力学模型   振动响应  

摘要： 变速器作为汽车传动系统的重要组成部分,其振动响应是汽车行驶品质与安全性评价的重要指标。机械液压式变速器(AT)换挡瞬态,湿式离合器产生的时变滑摩转矩引起传递转矩突变,摩擦副接合过程的热弹流耦合效应加剧滑摩转矩变化,对齿轮传动系统造成振动,甚至导致齿轮传动系统故障,影响舒适性和安全性。因此,本文针对本田某款三平行轴AT变速器齿轮传动系统,考虑热弹流耦合效应,推导湿式换挡离合器接合过程的时变滑摩转矩,建立和求解AT变速器传动系统换挡动力学模型,分析考虑湿式离合器热弹流耦合效应的变速器齿轮传动系统换挡振动响应特性,试验验证换挡动力学模型准确性。主要内容如下:首先分析湿式离合器摩擦副滑摩时的热弹流耦合特性。通过热传导理论建立湿式离合器接合过程油膜温度变化模型,推导润滑油粘度随时间变化方程,采用有限元方法进行多物理场耦合仿真,分析摩擦副热弹性变形情况,根据Reynolds方程,分析计算混合润滑状态下局部油膜厚度。通过分析热弹流耦合特性,计算多物理场下润滑油粘度、局部油膜厚度等时变参数。其次分析湿式离合器动态接合特性,考虑摩擦副摩擦因数、动力粘度等因素,根据平均雷诺方程及G-W弹性接触模型分别建立油膜承载力模型、微凸体承载力模型以及油膜厚度变化率模型,在此基础上推导建立摩擦副时变滑摩转矩模型。基于摩擦副时变滑摩转矩模型和多物理场下润滑油粘度、局部油膜厚度等时变参数,采用数值仿真方法求解得到摩擦副时变滑摩转矩,分析多时变参数下滑摩转矩的变化规律。然后应用集中质量法,将AT变速器齿轮传动系统离散为若干个质量点,基于拉格朗日方程,考虑换挡热弹流耦合效应下的时变滑摩转矩,综合齿轮啮合时变刚度、轴承刚度等因素,建立齿轮传动系统换挡动力学方程,采用四阶Runge-Kutta法,求解湿式离合器热弹流耦合效应下的换挡动力学方程,得到不同换挡条件下齿轮传动系统振动响应特性,分析时变滑摩转矩对换挡特性的影响。最后搭建AT变速器换挡动力学试验台架,设计换挡控制系统及试验方案,明确测点布置,完成AT变速器多挡位换挡试验,采集各换挡阶段输出半轴处弯曲振动位移,并将试验与数值仿真结果进行对比分析,验证AT变速器换挡动力学模型的准确性。研究结果表明:考虑湿式离合器热弹流耦合效应下的时变滑摩转矩加剧齿轮传动系统的振动,试验与数值仿真结果基本吻合,验证AT变速器换挡动力学模型的准确性,为车辆变速器的设计及优化提供理论参考。

关键词： 斜撑离合器   非等长楔块   差速接合特性   临界脱开转速  

摘要： 离心脱开型斜撑离合器适应于接合工况时间短、脱开工况时间长的场合。在直升机附件传动系统的APU负载链路上安装有离心脱开型斜撑离合器,在发动机启动阶段,APU通过附件传动系统驱动发动机,此时APU负载链路上的斜撑离合器接合,发动机正常工作后,斜撑离合器脱开。离心脱开型斜撑离合器可以使楔块在APU非驱动状态脱离内环,由此减少楔块与内环的接触摩擦时间,延长楔块的使用寿命。但在发动机停机或重启时需要楔块可靠地与内环接触以实现接合功能,否则可能发生安全事故。平衡楔块的磨损寿命和可靠接合是楔块设计的难点。本文提出一种采用非等长楔块的缓接型离合器结构,以满足差速接合时离合器分段可靠接合的功能,消除离心脱开型离合器由超越转接合工况时不能可靠接合的问题。本文围绕采用非等长楔块的缓接型斜撑离合器设计及其差速接合特性开展了研究,主要研究工作及结论如下:(1)根据某附件传动系统动力、负载等工作参数,设计了一种接合冲击小、响应快的采用非等长楔块的缓接型离心脱开斜撑离合器,并对其楔角、升程、强制连续等参数进行了分析与校核,确定了缓接型离合器合理结构参数。(2)采用多体动力学方法建立了离心脱开型斜撑离合器动力学模型,分析了不同结构参数下的离合器差速接合动态特性,结果表明:离合器响应时间和接合时间随着长楔块数量和楔块差异量增加呈现降低趋势;离合器输出轴冲击随着长楔块数目增加呈现较为明显的先减小后增加的趋势,且随楔块差异量的增加而降低。仿真结果表明,缓接型斜撑离合器较普通离合器的输出轴冲击减少30%以上,响应时间及接合时间均减少约50%,大幅提升了离合器接合响应性能。(3)基于力矩平衡推导了楔块的理论临界脱开转速,分析了非等长楔块对临界转速的影响:楔块中间段长度每增加0.005mm,楔块临界脱开转速提升约2.2%。(4)以离合器输出轴冲击最小、响应时间和接合时间最短、离合器磨损寿命最长,临界脱开转速最高为优化目标,通过NSGA-II遗传算法对楔块设计参数进行优化,对优化后离合器进行仿真分析,结果表明:缓接型离合器较常规离合器的输出轴冲击降低47.6%,离合器响应时间缩短60.1%,离合器接合时间缩短56.0%,楔块最高临界脱开转速提升9.3%,有效提升了离合器差速接合性能。(5)基于界面电阻原理搭建了斜撑离合器临界脱开转速测试试验台,对离合器的临界脱开转速进行测试。实验结果验证了临界脱开理论模型,同时表明缓接型斜撑离合器具有较为优异的差速接合性能。图42幅,表37个,参考文献71篇

关键词： 非线性动力学   斜齿轮传动系统   动态特性   混沌控制  

摘要： 斜齿轮传动系统以其重合度大、承载力强、传动效率高、传动平稳等优点,被广泛应用于各种机械设备中。以动车组齿轮箱斜齿轮副为研究对象,建立考虑时变啮合刚度、齿侧间隙、综合传动误差和啮合阻尼的6自由度斜齿轮传动系统动力学模型。首先分析了齿侧间隙、时变啮合刚度、综合传递误差和负载对系统动力学特性的影响;其次分析比较了轻载高速、轻载低速、重载低速和重载高速等工况下齿侧间隙、时变啮合刚度和啮合阻尼对斜齿轮传动系统动力学特性的影响;对参数域平面中的动力学解域界结构进行了全局分析,确定了参数域中系统动态行为的分布;最后引入混沌控制法对斜齿轮传动系统的混沌振动进行有效的抑制。依据动车组齿轮箱斜齿轮副的基本参数,应用Solid Works软件完成斜齿轮传动系统的三维模型。通过分析齿轮啮合传动过程,建立考虑时变刚度、齿侧间隙、啮合阻尼、综合传动误差和负载的单级6自由度斜齿轮传动系统非线性动力学模型。根据牛顿第二定律,建立斜齿轮传动系统非线性动力学方程,采用变步长4-5阶龙格库塔法对系统动力学方程进行数值求解,获得斜齿轮传动系统的分叉图、系统相图、时间历程图、庞加莱映射图和李雅普诺夫指数图。分析系统在参数变化下的动力学响应,确定系统参数的稳定运行区间。在此基础上,分析比较了轻载高速、重载低速、轻载低速和重载高速等工况下,时变啮合刚度、齿侧间隙和啮合阻尼对系统的动力学特性的影响,确定系统参数齿侧间隙、时变啮合刚度和啮合阻尼在不同工况下的稳定运行区间,保证斜齿轮传动系统在不同工况下稳定运行。基于斜齿轮传动系统动力学模型,应用谐波平衡法建立同次谐波系数下的代数方程组,应用Broyden秩2拟牛顿法和伪弧长延续算法求解获得了齿侧间隙、时变啮合刚度、静态综合误差和负载与频率的双参平面内数值仿真系统多值解和齿面冲击特性解域界结构,探索系统幅值非线性跳跃、多值解和啮合冲击特性对动力参数的敏感性。分析了齿侧间隙、负载、时变啮合刚度和静态综合误差对系统非线性跳跃动态特性的影响,发现在轴频和啮频主共振区各参数均有不同程度的幅值跳跃和刚度软化特性。针对斜齿轮传动系统的混沌现象,采用线性和积分两个反馈控制法和外加恒定载荷的非反馈混沌控制法,引入混沌控制器到斜齿轮系统中。通过改变混沌控制器的参数,对齿轮系统进行混沌控制,验证了该混沌控制方法的可行性和有效性。

关键词： 分动器   湿式离合器   动态热流分配   对流换热   温度场  

摘要： 四轮驱动车辆在适时四驱模式下工作时,路面激励的变化影响分动器中湿式离合器摩擦元件的温度,温度过高导致离合器对偶钢片因过热而失效。为保证湿式离合器的使用效能与寿命,本文研究了摩擦元件间热流密度分配系数、温度场分布及其变化规律的计算方法,建立了摩擦元件动态热流分配温度预测模型,在此基础上提出了电控扭矩主动分配分动器湿式离合器热保护策略。建立了摩擦副接触传热模型和流固对流换热模型,考虑摩擦接触表面温度连续性,搭建了动态热流分配温度预测模型,使用有限差分法求解得到了对偶钢片热流密度分配系数和温度场。通过与试验结果对比分析,发现采用定热流分配系数计算会使对偶钢片表面预测温度偏高,摩擦元件间温差随时间增大,动态热流分配温度预测模型和定热流分配温度预测模型的最大偏差分别为8.1K和22.2K。建立了考虑摩擦片径向沟槽影响的周向周期温度预测模型,提出周向周期模型热交互系数矩阵,在保证温度预测结果精度的前提下,简化了模型迭代程序。研究了不同相对转速差、致动压强、冷却润滑油流量和入口温度条件下对偶钢片表面热流密度分配系数与温度场随时间的变化。结果表明,热流密度分配系数和对偶钢片温度表现为滑摩初期阶跃式突变,前者下凹式下降并逐渐趋于定值,后者上凸式上升并逐渐趋于定值。通过分析仿真结果获取了不同相对转速差、致动压强、冷却润滑油流量和入口温度对对偶钢片滑摩表面温度的平衡时间与平衡温度的影响规律。通过分析分动器中轴承与传动链轮等的产热以及分动器壳体的散热,建立了整车运行时湿式离合器的温度估计模型和分动器过热保护策略,进行了整车脱困工况仿真,获取了润滑油温度与对偶钢片表面温度的变化曲线,结果表明,对偶钢片最高温度在分动器过热保护策略控制下在安全温度以下波动。

关键词： 气动离合器   拖车钻机   分离   接合  

摘要： 目前，工程钻探设备向智能化、多功能化发展，在此背景下，陕西核昌机电装备有限公司研发生产了HXY-1600智能拖车钻机。为了实现该拖车钻机中分动箱两轴输出动力，能够独立工作、互不影响的功能，使用了齿合型气动离合器。介绍了摩擦型气动离合器与齿合型气动离合器的特点，并对拖车钻机中气路系统和气动离合器安装与使用维护及故障进行了分析。研究结论可为今后气动传动系统在地质钻探设备上的应用提供借鉴。