为了对齿轮试验台运行状态进行监测,及时有效地发现运行故障,保证设备稳定地运行,提出了一种基于数字孪生的齿轮试验台状态监测方法。通过建立齿轮试验台的数字孪生模型,实时仿真齿轮试验台在正常运行工况下的运行状态,实现对齿轮试验台设备状态监测、故障判断和运行状态的预测。经闭功率流齿轮试验台测试结果对比表明,齿轮试验台数字孪生体仿真结果与齿轮试验台测试结果基本一致,此技术可以还原正常运行工况下齿轮试验台的运行状况,从而实现对齿轮试验台的状态监测,为故障诊断、状态监测提供了一种新方法。

针对齿轮材料、数控铣齿方法和热处理规范均相同的同一批次的弧齿锥齿轮,基于自助法对少量齿面偏差样本数据进行自助再抽样,得到大量的样本数据,建立了批量弧齿锥齿轮齿面偏差的自助法统计模型;计算了齿面测量顺序点的概率特征值,利用k-s检验了其是否符合正态分布,并选取估计真值、估计区间等参数,描述了其统计规律和结果;通过三次NURBS曲面拟合方法,得到了整批次齿面偏差变化规律,实现了整批次齿面精度的有效评价。该自助法统计模型为指导齿面加工参数修正和高效稳定生产提供了理论依据。

摆线轮在齿轮测量中心上检测时采用一维测头采样机理,由于一维测头的敏感方向与齿廓法向误差定义方向不一致,导致误差计算过程繁琐,甚至误差结果不准确,不能真实地反映实际齿廓的加工形状。为此,提出了一种封闭重构方法,将其运用到RV摆线轮误差检测过程中,不仅能够精确获得摆线轮齿廓任一点的加工误差,而且误差结果能够反映齿廓的实际形状。基于封闭曲线重构理论,利用封闭曲线周期性延伸的特点,确定了首末端点节点矢量和首末控制顶点,实现重构齿廓在闭合点处完全封闭连续。在此基础上,建立误差计算模型,计算得到真实齿廓误差。通过实例对比验证了该方法的实用性和有效性,为后续精加工处理提供数据依据。

传统的齿廓修形设计存在计算复杂、齿廓曲线形状不易控制及轮齿啮合精度不易保证等缺点,齿轮的齿廓压力角对啮合传力性能具有较大影响。因此,基于摆线轮齿廓压力角的分布规律,提出了一种新的齿廓修形方法。以计算分析获得的压力角分布趋势为基础,建立了直线法齿廓修形数学模型,推导出齿廓压力角和修形量的函数关系;构建了轮齿接触分析模型,获取了修形摆线针轮的传动误差。通过摆线轮的齿廓形状和传动误差的对比测量实验,验证了文中所提方法的正确性和有效性。该方法综合考虑了摆线轮齿廓压力角与修形量之间的相互影响,解决了传统修形方法在计算、加工和主动设计等方面的技术难题,可以灵活控制修形量变化趋势,在保证啮合性能的同时,获得了更逼近理论摆线的设计齿廓。

在摆线轮加工过程中,由于受到机床精度、刀具精度、工装夹具精度及轮坯精度等因素的影响,不可避免地会产生齿形误差。为了评估齿形误差对摆线针轮副传动精度的影响,基于实测的摆线轮齿形误差计算出实际齿面坐标点数据。采用非均匀有理B样条(NURBS)曲线对实测齿面数据进行曲线拟合,得到含齿形误差的摆线轮数字化齿廓。依据齿轮啮合原理对摆线轮数字化齿面进行齿面接触分析,获得了考虑齿形误差的摆线针轮副传动误差曲线。仿真结果表明,齿形误差会改变摆线轮传动误差曲线的形状和幅值。

为了降低弧齿锥齿轮在批量加工制造中存在的齿面偏差,提出一种基于自助法的弧齿锥齿轮齿面修正方法。以同一批次小样本弧齿锥齿轮作为研究对象,在自助法统计齿面偏差检测数据的基础上,得到大量的齿面偏差数据;利用NURBS曲面拟合方法构建齿面的均值差曲面,将它作为实际加工齿面,建立齿面偏差的数字化预控补偿模型,对它进行优化求解,得到批量齿面数控加工的机床修正参数,然后不断调整机床加工参数,实现齿面的预控修正补偿;最后对修正前、后齿面偏差作对比分析。结果表明:小轮齿面偏差比修正前降低了76.66%,验证了自助法齿面修正理论的有效性,对指导弧齿锥齿轮批量齿面修正提供了理论依据。

基于齿面检测信息,识别并分析了齿面误差及其影响因素,推导出了机床运动参数与齿面误差的映射关系;开发了齿面误差自动识别系统来自动确定误差类型及机床运动参数修正项;建立了四轴联动数控铣齿机运动修正模型,通过数值优化计算实现了机床运动参数的自动修正,并经由测量加工网络完成了修正参数至数控机床的自动反馈.实验及应用表明,通过齿面误差的自动识别、机床运动参数的自动修正与反馈处理,达到了有效减小齿面误差的预期效果,齿面精度能够满足设计要求,很好地实现了螺旋锥齿轮的数字化闭环制造.

在弧齿锥齿轮冷精整工艺过程中,热锻模具齿形的优化对于改善冷精整过程中齿面金属流动特性,解决齿顶尖部填充不满,以及啮合传动噪声的现象具有显著效果。选用农机变速箱齿轮,基于该齿轮功率大、强度高、工作环境为低速大负荷等特点,对齿轮模型进行精确建模,并进行TCA分析,通过导入齿面点的方式得到模腔模型。采用控制变量和数值模拟相结合的方法,改变刀盘直径将齿面修鼓。运用有限元软件DEFORM-3D,对成形过程进行模拟,对比观察两种齿面的速度矢量,解释了修形对改善金属流动方向的合理性。通过开模试验,进一步证实了该修形方法对于改善弧齿锥齿轮齿顶尖部填充不满,解决生产中存在的折叠、裂纹等缺陷具有显著优势。

为了改善齿轮副的对角接触现象，将常规弧齿锥齿轮的渐缩齿改为等高齿齿形，采用0号刀齿铣齿，从理论上避免对角接触。基于齿轮的局部啮合原理、齿面接触分析（TCA）技术和承载齿面接触分析（LTCA）技术，对相同条件下等高齿设计与常规齿轮设计的实际接触区、载荷及应力应变进行了分析。分析与加工试验结果表明：理论与实际接触区位置基本相同，所受力的大小以及应力分布也基本相同。与传统的齿轮设计相比，等高齿弧齿锥齿轮设计保证了齿轮强度、齿轮啮合质量，使其接触区规范且易于调整，有利于提高加工效率。

摆线针轮啮合间隙对RV减速器的啮合传动性能及运动精度影响很大,因此,啮合间隙的准确计算是摆线针轮接触特性研究中很重要的内容。目前,国内对啮合间隙的计算大多是以理论设计齿廓为基础,未考虑摆线轮在修形设计加工过程中的齿廓偏差,所以,计算得到的理论啮合间隙与实际啮合间隙不一致。为此,综合考虑齿廓偏差的影响,提出一种摆线针轮啮合间隙的新计算方法,从工程和数学的角度获得了轮齿啮合的真实间隙。通过将摆线轮的齿廓偏差在理论齿廓上进行有效叠加,基于非均匀有理B样条重构得到高度逼近实际加工齿面的数字化齿面;根据建立的摆线针轮传动接触分析模型,运用微分几何原理计算针齿中心至摆线轮齿廓的最小距离,得到齿廓偏差影响下的准确啮合间隙值,为RV减速器摆线针轮副的传动性能研究及齿廓修形设计提供了新的思路。