齿轮传动齿面摩擦因数反求研究

论文摘要

随着齿轮传动向着高速、重载、精密、高效、低噪声方向发展,制造业对齿轮的设计和强度提出了更高的要求。齿面摩擦特性的研究对于减少摩擦损失、增大齿轮承载能力、改善系统传动性能等具有显著的意义。本文首先比较了齿轮传动齿面摩擦的主要计算方法,在此基础上,对齿轮传动的摩擦多性态过程进行建模。基于自研的齿轮传动实验台,测量齿轮传动过程中齿面上采样点的应力和应变。根据齿轮展成加工原理推导出比较精确的齿廓曲线;采用APDL和MATLAB混合建模方法,创建了比较精确的轮齿几何模型。对齿轮强度分析的有限元精确建模中若干技术环节进行了探讨:(1)基于齿轮整体模型的“位移补偿”法和应力与形变等效原理的“有效边界”法,对齿轮有限元边界条件进行了论证,较精确的“有效边界”范围大致为:周向跨齿大于等于3,模厚比大于3;(2)网格密度对齿轮强度的仿真结果有一定的影响,有必要考虑包括舍入误差在内的计算误差;(3)基于五齿平面模型,进行刚度计算,计算出齿根危险截面的载荷历程。基于比较精确的有限元分析模型,对不同工况下轮齿强度模拟计算时所施加的荷载类型及其对计算结果的影响进行较深入的探索:从静态/准静态荷载和动态接触的算法机理入手,以单啮上界点为计算点,对线均布、线性非均布、三次抛物线分布、Hertz面分布、静态接触、动态接触荷载类型下的齿轮强度的数值模拟结果进行比较分析,得出了荷载类型对数值模拟结果的影响关系;在线分布荷载下对齿向应力进行了对比分析,验证了齿端刚度效应和齿根应力、轮齿变形的连续性。结合实验工况和研究目的,选取线均布荷载作为正问题求解的加载方式。通过两个测试函数对小种群遗传算法和隔代映射小种群遗传算法进行比较分析,结果表明:隔代映射小种群遗传算法可避免过早收敛以及能快速趋近优化解区域。对遗传算法中参数控制和选择对反求结果的影响进行了论述;编写反求程序,基于隔代映射小种群遗传算法对齿面摩擦因数进行反求,将反求值与经验公式解进行对比,发现反求结果比较合理。基于隔代映射遗传算法的齿面摩擦因数的反求方法,为复杂服役条件下齿轮传动摩擦因数的求解提供了一种新的思路,可为齿轮的数值模拟提供一定参考,并对改善齿轮传动性能和提高齿轮设计制造水平有一定的意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 齿面摩擦研究意义及现状
• 1.1.1 齿面摩擦研究的意义
• 1.1.2 齿面摩擦研究现状
• 1.2 齿轮传动齿面摩擦计算方法
• 1.2.1 基于弹流润滑理论的齿面摩擦计算方法
• 1.2.2 基于摩擦特性实验的齿面摩擦计算方法
• 1.3 本文课题背景及主要研究内容
• 1.4 本章小结
• 第2章 实验方案设计及特征参数提取
• 2.1 齿轮传动的多性态建模
• 2.2 关键摩擦特征参数提取的实验原理
• 2.3 齿轮传动测试实验装置
• 2.4 实验特征参数的提取
• 2.5 本章小结
• 第3章 齿廓曲线方程的求解与齿轮参数化建模
• 3.1 基于磨前滚刀加工的齿廓曲线求解
• 3.1.1 磨前滚刀结构分析
• 3.1.2 平面坐标系变换
• 3.1.3 齿轮齿廓曲线方程求取
• 3.1.4 多段共轭曲线的数值合成
• 3.2 APDL与MATLAB混合建模方法
• 3.3 轮齿几何模型
• 3.4 本章小结
• 第4章 齿轮有限元建模主要技术环节研究
• 4.1 齿轮有限元建模中边界范围与网格密度的研究
• 4.1.1 基于齿轮整体分析的“位移补偿”法
• 4.1.2 基于应力与形变等效原理的“有效边界”法
• 4.1.3 网格密度对轮齿强度数值模拟的影响
• 4.2 啮合刚度计算
• 4.3 载荷历程计算
• 4.3.1 载荷分配系数计算
• 4.3.2 载荷历程的求解
• 4.4 本章小结
• 第5章 齿轮强度数值仿真技术及方法研究
• 5.1 齿轮强度数值仿真技术概述
• 5.2 静载/准静态荷载下齿轮强度分析
• 5.2.1 弹性力学问题基本算法原理
• 5.2.2 齿轮静力学分析有效荷载
• 5.2.3 齿轮静态/准静态分析前处理及相关参数控制
• 5.3 动态接触荷载下齿轮强度分析
• 5.3.1 齿轮动态接触的有限元分析算理
• 5.3.2 齿轮动态接触分析的有效荷载
• 5.3.3 啮合齿对动态接触分析前处理及相关参数控制
• 5.4 数值模拟计算结果及分析
• 5.5 计入摩擦的正问题模型
• 5.6 本章小结
• 第6章 摩擦因数的反求计算
• 6.1 参数反求流程
• 6.2 遗传算法
• 6.3 基本遗传算子
• 6.3.1 编码
• 6.3.2 选择
• 6.3.3 交叉
• 6.3.4 变异
• 6.3.5 小生境技术
• 6.3.6 适应度函数
• 6.4 遗传算法基本控制参数的选择
• 6.5 隔代映射小种群遗传算法
• 6.6 摩擦因数的反求计算
• 6.6.1 敏感性分析
• 6.6.2 搜索范围对摩擦因数反求的影响
• 6.6.3 交叉概率对摩擦因数反求的影响
• 6.6.4 不同的润滑条件下摩擦因数的反求
• 6.7 反求结果分析
• 6.8 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间学术论文发表及项目研究情况
• 附录B 部分反求程序