Mesh relationship modeling and dynamic characteristic analysis of external spur gears with gear wear

Gear wear is one of the most common gear failures,which changes the mesh relationship of normal gear.A new mesh relationship caused by gear wear affects meshing excitations,such as mesh stiffness and transmission error,and further increases vibration and noise level.This paper aims to establish the model of mesh relationship and reveal the vibration characteristics of external spur gears with gear wear.A geometric model for a new mesh relationship with gear wear is proposed,which is utilized to evaluate the influence of gear wear on mesh stiffness and unloaded static transmission error(USTE).Based on the mesh stiffness and USTE considering gear wear,a gear dynamic model is established,and the vibration characteristics of gear wear are numerically studied.Comparison with the experimental results verifies the proposed dynamic model based on the new mesh relationship.The numerical and experimental results indicate that gear wear does not change the structure of the spectrum,but it alters the amplitude of the meshing frequencies and their sidebands.Several condition indicators,such as root-mean-square,kurtosis,and first-order meshing frequency amplitude,can be regarded as important bases for judging gear wear state.

论齿轮样板

齿轮样板是齿轮参数量值的标准实物载体,用于将齿轮国家测量标准所复现的量值传递到各级齿轮测量仪器上,从而实现齿轮测量的准确性和一致性,保证齿轮产品质量。全面概述了齿轮样板起源及其发展历程;详细论述了齿轮样板的种类、结构及特点、齿轮样板的测量技术及装置、齿轮样板的国际比对、未来的发展与展望。齿轮样板迄今已历经九十多年发展,其种类在不断丰富、尺度不断延伸、复杂度不断简化,作为一种“有形”的实物量具,目前仍不可替代。未来随着“无形”的虚拟仿真测量技术发展,对“有形”实物样板的依赖将可以减弱,“无形”的技术将可能成为量值传递的新模式。

弱刚性齿轮传动测试台的研制与试验

为了对齿轮传动系统进行更加深入、细致的研究,根据弱刚性齿轮传动轴的振动特点,提出将高精度激光位移传感器用于传动轴的振动测量,研制了一台用于测试弱刚性齿轮传动系统的齿轮测试台,针对弱刚性齿轮传动开展了不同工况条件下振动测试研究。根据弱刚性齿轮传动临界转速较低的特性,对由齿轮和轴组成的转子进行模态分析,得到转子的固有频率,计算了可能引发转子共振的电动机转速;并通过恒载变速试验与恒速变载试验进行了验证。结果表明,该系统在电动机转速为219.69 r/min左右时会到达转子的共振频率;分析数据发现,轴的振动幅值在一定范围内对载荷的响应成线性关系而受转速的影响并不显著。最后,对测试台进行重复性试验,验证了该设备的可靠性与稳定性。

数控机床传动齿轮失效分析

针对数控机床长时间工作易出现传动齿轮失效的问题,通过传动齿轮表现出的失效形式分析其失效原因,并制定相应的改进措施对数控机床传动齿轮进行优化,提高了数控机床传动齿轮的使用稳定性和寿命。

复杂工况条件下齿轮传动过程中磨损量预测研究

磨损是齿轮传动过程中的主要失效形式,磨损加剧会使齿轮齿侧间隙非线性增大、传动精度下降及齿面冲击力增大,进而导致齿轮传动系统振动加剧,对齿轮传动性能及设备的稳定运行造成重大影响。为了解决上述问题,提出了复杂工况条件下齿轮传动过程中磨损量预测方法。基于形式磨损指数识别并判定齿轮磨损状态,通过深入分析齿轮磨损机制并以此为基础,绘制典型齿轮磨损过程曲线,计算齿轮传动摩擦力矩数值,构建了齿轮磨损量数学模型;再将已知齿轮状态数值输入至所构建模型中,即可得出齿轮预测磨损量,实现齿轮磨损量的预测。试验结果表明,在3种复杂工况条件下,提出的预测模拟数据更接近于实际参数,验证了磨损量预测的精度。

考虑点蚀情况的双渐开线齿轮动态特性研究

齿轮是机械传动系统的核心部件,点蚀与磨损是其主要失效的形式。为解决齿轮发生点蚀失效时双渐开线齿轮的时变啮合刚度与动态特性不明这一问题,采用接触线百分比法求解了发生点蚀时双渐开线齿轮的啮合刚度,并利用有限元法验证了算法的正确性。首先,对不同点蚀情况进行了分类,分析了不同点蚀数量对双渐开线齿轮接触线长度的影响;然后,基于接触线百分比法,利用轮齿载荷与轮齿变形的比值关系求解了不同点蚀情况下齿轮的啮合刚度,采用有限元法验证了算法的正确性,并对比分析了点蚀对双渐开线与普通渐开线齿轮啮合刚度的影响;最后,建立了两种齿轮的柔性多体动力学模型,基于冲激函数法分析了两种齿轮在不同点蚀情况下的动力学特性。研究结果表明:相同工况条件下,随着点蚀程度的加深,两种类型齿轮啮合刚度均不断减小,动态啮合力及振动角加速度幅值增加,其中双渐开线齿轮啮合力最大值为1.24×10^(5)N,角加速度最大值为2.66×10^(6)°/s^(2);相比于普通渐开线齿轮,双渐开线齿轮在点蚀影响下的啮合刚度变化更稳定,加速度幅值波动更平缓,具有更好的抵抗冲击能力和动力传递稳定性。

考虑磨损故障的双渐开线齿轮传动系统动态特性研究

针对目前双渐开线齿轮(DIG)研究过程中齿廓磨损对双渐开线齿轮动态特性的影响问题,对考虑磨损故障的双渐开线齿轮传动系统动态特性进行了研究。首先,进行了双渐开线齿轮接触线长度与齿面载荷计算,考虑相对滑移距离,建立了等效接触模型;然后,进行了双渐开线齿轮齿面累积磨损量、齿轮齿面累积磨损深度的计算,建立了双渐开线齿轮啮合刚度计算模型,进行了磨损故障的双渐开线齿轮刚度的计算;最后,以一对双渐开线齿轮为研究对象,采用集中质量法建立了6自由度动力学模型,研究了齿面磨损对双渐开线齿轮动力学特性的影响。研究结果表明:在运行1×104次载荷循环后,混合弹流润滑状态下,双渐开线齿轮与普通渐开线齿轮(CIG)在节线附近齿根位置的最大累计磨损量差值为0.00207μm,且双渐开线齿轮节线靠近齿顶位置的磨损小于普通渐开线齿轮的磨损;双渐开线齿轮系统在磨损后振动加速度幅值小于普通渐开线斜齿轮的幅值。通过对不同磨损情况下的时域响应进行研究,发现磨损导致双渐开线齿轮传动系统的振动幅值增大。

齿轮传动的摩擦与磨损控制

齿轮传动过程中摩擦力增大,会导致齿面磨损加剧,啮合间隙、振动和噪声增大,传动效率降低,因此对齿轮传动进行摩擦机理研究是很有必要的。从固体摩擦的现代理论入手,分析了齿轮传动的齿面相对滑动速度、摩擦功耗和传动效率计算公式。阐明了磨损的过程和类型,并从材料选择、表面处理、润滑剂选用等8个方面讨论了控制磨损的措施。

机械磨损典型案例原因分析及改进

机械磨损是机械设备在使用过程中不可避免的现象,不仅会影响设备的性能,还会导致设备的失效和损坏。花键磨损和联轴器磨损均属较为常见的机械磨损故障类型。以海洋钻井平台现场遇到的几起花键磨损和联轴器磨损典型故障为例,在对故障情况及其影响进行简要介绍的基础上,对机械磨损的规律及影响因素进行了较为详细的论述,然后结合宏观检查方法及理化检测方法,对花键磨损及齿式联轴器磨损的原因进行了深入分析,据此提出合理选型与设计、更换或修复部件、润滑维护、改善安装工艺、引进新技术等改进和预防措施。

含磨损故障的齿轮传动系统非线性动力学特性

为揭示磨损故障对于齿轮传动系统非线性动态特性的影响,利用Archard和Weber-Banaschek公式分别计算了齿面动态累积磨损量和磨损齿轮对的时变啮合刚度。建立含有非线性齿侧间隙、内部误差激励和含磨损故障的时变啮合刚度的三自由度齿轮传动系统平移-扭转耦合动力学方程。采用变步长Gill积分方法对动力学模型进行了数值仿真分析,以系统的激励频率为分岔参数,计算系统的对应的分岔图;引入GRAM-SCHMIDT方法对系统的Jacobi矩阵进行正交化处理,计算系统的李雅普诺夫指数谱,同时结合Poincaré映射图和功率谱验证了李雅普诺夫指数谱和分岔图计算结果的正确性。通过研究发现了系统内部存在的丰富非线性现象,包括倍周期分岔途径、阵发性途径和多种拟周期通过锁相进入混沌的现象;在系统经由拟周期进入混沌的过程中发现了交替出现的拟周期与锁相现象以及拟周期运动时功率谱分量存在的Farey序列现象。研究结果表明含有磨损故障的齿轮传动系统具有非常复杂的动力学特性,而系统由周期运动进入混沌运动的途径也是丰富多样的。

面齿轮单面啮合测量仪的研制

采用齿轮单面啮合测量原理,研制出面齿轮传动误差测量仪。仪器采用立卧相结合的结构,主要由基座、精密密珠轴系、光栅测量系统、测控单元构成,解决了正交及偏置齿轮副的装夹、定位及调整问题;采用时钟脉冲细分计数方法采集传动误差数据,提高了测量精度;开发了面齿轮传动误差测控软件,实现了齿轮副传动误差及面齿轮切向综合偏差、齿距偏差、偏心等测量,并具有齿轮误差分析功能,能满足5级精度的面齿轮质量检测要求。

新型高铝锌基合金在齿轮传动中的应用研究

研究了新型高铝锌基合金（ＺＡ２７）用于齿轮传动中的摩擦磨损特性。结果表明：锌基合金齿轮的跑合性能良好；在低速、重载荷、润滑良好条件下，这种材质齿轮的摩擦磨损特性良好，磨损量在规定的范围之内。

齿轮的传动误差检测方法研究

传动误差是检验齿轮啮合质量的一个重要指标,也可以为进一步改善齿轮的设计和加工提供实验依据,因此对传动误差检测手段和分析方法的研究具有重要的理论意义和应用价值。笔者介绍了齿轮传动误差检测分析系统,并对某船用人字齿轮修形前后的传动误差进行了采集分析,运用数字信号处理技术对传动误差进行频谱分析和滤波处理,对比了修形前后的齿频传动误差,最后通过实验验证了该方法的可行性及精确性。

考虑动载荷与动态磨损系数的直齿轮传动系统动态磨损特性

为揭示齿轮传动系统齿面动态磨损特性,通过Weber–Banaschek公式计算获取啮合齿轮对的时变啮合刚度,基于此建立包含非线性齿侧间隙和内部误差激励的齿轮传动系统运动学方程,计算获得系统轮齿啮合时载荷沿啮合线的动态变化规律。根据齿面粗糙度和当前啮合点最小油膜厚度,建立齿面动态磨损系数的表达式。以轮齿的起始啮合点和最终啮合为区间,将渐开线齿廓进行离散化处理,建立离散化的齿面动态磨损模型并对其进行特定参数下的仿真计算。研究结果表明:由于动载荷、动态磨损系数和滑移速度等参数的影响,主从动齿轮齿面累积磨损量沿渐开线齿廓呈现非均匀分布,节点处最小,齿顶处最大;小齿轮的齿面磨损程度比大齿轮更严重;当传动比和模数变化时,齿面累积磨损量均存在变化趋势明显的敏感区域。

基于LabVIEW生产者-消费者模式的齿轮传动振动测试系统

机械振动测量是工程测试中常见的内容,传统的测量手段通常是依靠测量硬件仪器完成的,存在不足。为改善测试系统性能,基于LabVIEW2009,构建了一种利用生产者—消费者模式的测试系统与方法,实测证明构建系统正确可行。

谐波齿轮传动的含间隙机构的动力学分析

在考虑谐波齿轮柔性的基础上,研究了谐波齿轮传动对间隙机构动力学特性的影响。首先,利用非线性弹簧阻尼模型建立了谐波齿轮传动的含间隙机构的接触碰撞动力学模型。然后,对含间隙曲柄滑块机构进行仿真分析,结果表明谐波齿轮传动和机械部件柔性对间隙碰撞都有缓冲效果,只是机械部件刚度较大时,部件柔性的缓冲效果不明显,而降低机械部件刚度又将导致机械部件在运动过程中产生大变形,影响其机械性能。为谐波齿轮传动在含间隙机构中的应用,提供了理论依据。

齿轮副整体误差及其获取方法

针对传动误差在研究和评价齿轮传动质量中的一些局限性,从我国首创的齿轮整体误差测量技术入手,提出了齿轮副整体误差的概念.依据空间解析几何和齿轮啮合原理建立了齿轮副整体误差的数学模型,应用误差作用原理从微观角度推导了齿轮副整体误差与主、从动轮的齿轮整体误差的关系,定义了齿轮副整体误差曲线的基本组成单元,给出了理论单元齿轮副整体误差曲线的解析方程,在建立的接触面坐标系中推导了单元齿轮副整体误差曲线的基本算法;然后详细介绍了齿轮副整体误差的获得方法和具体计算过程,并在齿轮整体误差测量仪CZ450的硬件基础上开发了齿轮副整体误差测量系统,给出了测量实例;最后在与传动误差比较的基础上,分析了齿轮副整体误差的优点.

新型涂层钢蜗杆副传动机理研究与传动性能评价

为解决青铜蜗轮耐磨性差、疲劳强度低等问题,将新型涂层技术应用到钢蜗轮传动中。开展蜗杆传动弹性啮合分析、蜗轮齿面磨损分析和轮齿稳态温度场仿真分析,建立材料特性与蜗杆副应力场、磨损特性及温度场之间的关系,提出评价蜗杆副材料啮合性能、耐磨性及抗胶合能力的方法。在20Cr钢表面制备了超微细磷酸锰转化涂层和硫化亚铁固体润滑涂层,在摩擦磨损试验机上对涂层标准试件的摩擦学性能进行了评价,在传动试验台上对两种涂层钢蜗杆副进行传动性能综合试验。结果表明:两种涂层均具有优良的减摩耐磨性能,涂层钢蜗杆副较之未涂层钢蜗杆副缩短了跑合时间,具有更高的传动效率和更优良的抗胶合能力。上述研究为实现蜗杆传动以钢蜗轮替代青铜蜗轮的目标打下了基础,具有一定的理论意义和工程实用价值。

齿轮磨损计算与测试方法及抑制技术

齿轮是航空航天器、大型舰船、先进轨道车辆、电动汽车、智能机器人、高效能源机械等重大装备传动系的核心元件,齿面磨损则是其最常见的失效形式.有必要从理论与试验两方面,研究齿面磨损量的确定方法及其抑制技术.基于黏着磨损、疲劳磨损和能量磨损理论及材料磨损率,对不同的齿面磨损模型及其计算方法进行分析.按等效试件、比例试件和实际试件分3类试验方法,分述其在齿轮磨损研究中的应用;并对磨损量的常用测量技术,即称重法、表面轮廓法、铁谱与光谱分析法进行探讨.研究结果显示,齿轮磨损量的预测需要根据摩擦配副材料-结构特性、使役条件及其对应的失效形式选用合适的磨损模型和测算方法,将理论分析、数值计算与测试技术密切结合.在改进传统的硬齿面和润滑技术的同时,固体润滑薄膜材料、耐磨减摩涂层和齿面复合强化等先进技术,将为高性能齿轮产品及其装备的抗磨损设计提供重要的助力.

齿轮单面啮合测量技术的发展及其应用

齿轮单面啮合测量技术历经了八十多年的发展,因突出的特点而在齿轮测量中占有特殊的位置。在简述单面啮合测量原理的基础上,本文对具有代表性的两种信号处理方法(分频比相测量法、数字计数测量法)进行了详细分析,并介绍了切向综合偏差的评定方法,包括基于国标的评定和FFT评定。通过图示齿廓形状与综合偏差曲线的关系,进一步张显了单啮测量的优越性。评点单面啮合测量技术的几个应用领域和典型问题后,介绍了两种基于新的测量方法的齿轮单面啮合测量仪,最后指出了齿轮单面啮合测量技术的一个主要发展方向。