2021年, 第45卷, 第5期　
刊出日期：2021-05-15

  

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理论研究
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  误差交互作用对齿轮分扭传动系统静力学均载特性的影响研究

  王祁波, 丁景伟, 靳广虎, 朱如鹏

  机械传动. 2021, 45(5): 1-9. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2021.05.001

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  为进一步掌握误差与分扭传动系统均载性能间的关系，针对单输入双输出齿轮分扭传动系统，建立了静力学模型和方程，研究了误差间交互作用对系统静力学均载系数的影响，并开展了基于交互作用的正交试验参数匹配分析。结果表明，部分齿侧间隙间存在交互作用；任意两中心距误差间均存在交互作用；通过基于交互作用的参数匹配分析，可获得有助于改善系统均载性能的误差最优组合方式。
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  滚滑运动导致的滚动轴承磨损特性研究

  李中阳, 庞新宇, 闫宗庆, 张磊

  机械传动. 2021, 45(5): 10-17. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2021.05.002

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  滚滑运动是导致滚动轴承失效的一种特殊运动形式，采用仿真和试验相结合的方法，研究了滚动轴承在滚滑运动下的磨损特性。首先，应用Abaqus有限元软件建立滚滑状态下的滚动轴承有限元仿真模型，得到轴承的摩擦力动态响应。之后，通过滚滑磨损试验台得到轴承运动过程中的摩擦力数据，运用灰色关联分析法得知仿真数据与试验数据的关联度达到0.8以上，因此，仿真所得的摩擦力可作为判断轴承磨损状态变化的依据。在轴承磨损试验中，对润滑油进行颗粒度检测并观察记录了轴承内圈的表面形貌。结果表明，仿真所得摩擦力变化影响油液颗粒度、表面形貌的变化，油液中所含颗粒数目上升与内圈表面产生磨痕作为内圈所受摩擦力变化导致的磨损结果，正反馈于摩擦力，使其幅值不断增大，进一步加剧了轴承的磨损。仿真与试验相结合的方法为准确判断滚滑状态下轴承各点位置磨损特性提供了分析研究的基础。
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  改进NSGA-Ⅱ算法的自动变速箱离合器接合控制

  禹云, 唐翠娥

  机械传动. 2021, 45(5): 18-25. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2021.05.003

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  为了提高车辆在起步过程中的平稳性，并延长离合器的使用寿命，首先，根据离合器的主动盘和从动盘的运动状态，建立了接合过程的动力学模型；然后，通过引入NSGA-Ⅱ算法来解决多目标优化问题，并采取了正态分布交叉和自适应变异算子对其进行改进，保持了种群的多样性，能有效防止陷入局部最优；最后，将离合器的接合时长和接合速度作为设计变量，并将冲击程度和滑动摩擦功为优化目标函数进行了仿真实验。结果表明，改进的NSGA-Ⅱ算法具有更优的Pareto前沿和更快的收敛速度，且分布更加均匀，明显优于其他两种比较算法；在相同接合时长的条件下，能够通过平稳控制离合器的接合速度获得更小的冲击程度和滑动摩擦，为设计离合器接合控制策略提供了技术支撑。
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  基于CLTC工况的纯电动汽车单踏板再生制动系统经济性研究

  赵向阳, 吴启斌

  机械传动. 2021, 45(5): 26-31. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2021.05.004

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  研究了基于CLTC（China light-duty test cycle）工况下的纯电动汽车匹配单踏板再生制动系统的经济性能。对比了CLTC和NEDC（New european driving cycle）两种工况差异，并基于某车型在AVL_CURISE平台搭建虚拟仿真模型，建立配置单踏板制动能量回收控制系统的纯电动汽车模型；对比了不同工况下配置单踏板系统和原并联制动再生系统效果经济性能差异。仿真结果表明，单踏板再生制动系统能量回收效果优于原并联再生制动系统，纯电动汽车NEDC切换为CLTC工况续驶里程差异较为有限。
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  内花键齿形的振动辅助冷挤压细化晶粒的机理研究

  张凯, 王勇, 张晔, 王艳阳, 张祖芳, 金平, 周庆成

  机械传动. 2021, 45(5): 32-35,56. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2021.05.005

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  为研究轴向振动冷挤压工艺中成形件组织演化规律，采用元胞自动机方法模拟了轴向冷挤内花键成形过程中毛坯的微观组织演化过程。发现施加辅助振动的冷挤工艺加工出来的内花键平均晶粒尺寸明显小于无辅助振动时的平均晶粒尺寸。通过正交试验，分析了振动频率、振动幅值和挤压速度对成形件微观组织的影响规律。方差分析的结果表明，振动幅值对齿根部位晶粒平均尺寸影响最显著，而对节圆与齿顶部位晶粒尺寸影响最显著的分别是振动频率和挤压速度；振动频率对成形件齿根和节圆部位的平均晶粒均匀度影响最显著，挤压速度对齿顶的晶粒均匀度影响最显著。对辅助振动参数影响晶粒细化的机理进行了总结。
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  基于圆柱齿轮齿顶修形的弧线齿面齿轮齿面设计研究

  陈勇, 冯占荣, 赵玉龙, 黄宁, 高凌锋, 熊光劲

  机械传动. 2021, 45(5): 36-41. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2021.05.006

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  面齿轮是一种由渐开线圆柱齿轮与近似锥齿轮相互啮合的一种新的齿轮传动形式。弧线齿面齿轮是以渐开线弧线齿圆柱齿轮为假想刀具包络展成的面齿轮。推导了面齿轮工作齿面方程，并对圆柱齿轮齿顶进行圆角化修形设计；推导了截面圆角方程、圆角曲面方程以及修形后的弧线齿面齿轮过渡曲面方程，并通过Matlab对两种齿顶形式的圆柱齿轮建立数学模型，得知齿顶圆角包络产生的面齿轮要比齿顶尖角包络产生的面齿轮在内径齿根部的齿厚更大。研究结果表明，对刀具齿顶进行圆角化不仅可以避免面齿轮与圆柱齿轮边缘接触导致面齿轮齿面磨损，还可以增大面齿轮内径齿根处的厚度，该种面齿轮修形方式也为其他齿形面齿轮提供了理论依据。
设计计算
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  装载转运车牵引转向机构优化设计与分析

  王若超, 殷智宽, 刘自胜, 王子爵, 张泰铭, 姚建涛

  机械传动. 2021, 45(5): 42-49. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2021.05.007

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  目前，应用于仓储货物装载转运的牵引车辆多采用平行四边形牵引转向机构，因转向轮不符合阿克曼原理，转向时滑动摩擦力大，从而会导致牵引转向操作费力。设计了一种基于阿克曼原理的梯形牵引转向机构，并运用多元非线性规划序列二次规划遗传算法对梯形牵引转向机构的构件尺寸进行优化运算，得到了更加贴合阿克曼理论曲线的尺寸参数。根据优化后的参数制作了样机，通过动力学仿真软件从转向轨迹、转向启动力矩、能量转化效率3个维度对梯形转向机构与优化前平行四边形机构进行了仿真对比实验。结果表明，优化之后的机构具有更平滑的转向轨迹、更小的转向启动力矩以及更高的能量转化效率。
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  可变幅扑翼飞行器设计及多飞行模式实现

  侯月阳, 侯宇, 孙伟, 王昆, 王强

  机械传动. 2021, 45(5): 50-56. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2021.05.008

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  针对目前扑翼飞行器飞行模式单一，无法灵活调整飞行姿态的问题，设计了一款可变幅扑翼飞行器，通过调节翅翼扑动幅值，实现扑翼运动姿态和飞行模式切换。建立可变幅扑翼飞行器机构运动学模型，基于Adams和Matlab进行联合仿真，对扑翼飞行器进行运动特性分析。建立多飞行模式下的气动模型，通过XFLR5软件分析可变幅扑翼飞行器的气动特性，通过设定相关参数，实现了起飞、快速飞行、慢速巡航等多种飞行模式，提高了扑翼飞行器的灵活性，为未来扑翼飞行器的进一步发展提供了研究基础。
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  一种新型3T1R并联机器人机构运动学分析与参数优化

  徐化娟, 李宏伟, 张春燕

  机械传动. 2021, 45(5): 57-65. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2021.05.009

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  基于方位特征集设计理论，提出一种动平台能实现三平移动一转动并联机器人机构。根据方位特征方程分析机构的拓扑结构特性，通过杆长约束条件建立运动学方程模型并完成正逆解分析，根据雅可比矩阵确定了发生奇异位形的运动条件。进一步研究了机构的动平台操作空间形状与转动灵活性，同时，根据单一变量法分析结构参数对操作空间的影响，建立操作空间最大化优化模型，运用搜索速度快、全局搜索能力强的天牛须搜索算法进行了尺度优化。结果表明，该机构具有较大的、几何形状规则的工作空间，转动能力强。优化后的尺寸参数为该操作手的应用设计提供了理论依据。
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  基于折纸机构设计的新型行走机器人

  江新阳, 许勇, 王艳, 刘佳莉, 赵传森, 吕叶萍, 王煜

  机械传动. 2021, 45(5): 66-74. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2021.05.010

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  针对行走机器人存在的驱动复杂、无法适应不同行走环境等局限，基于折纸机构设计出一种新型的具有单自由度的行走机器人的两种腿部折纸构型；通过将三浦折纸（Miura-Ori）折痕转角理论与腿部等效运动学模型相结合，简化运动学的求解并设计出一种新型的驱动方式。将单顶点折纸理论拓展到多顶点的折纸构型之中，得到了不同单元的折痕转角之间的确定关系。提出一种配合折纸折叠状态的步态规划。结果表明，机器人腿部折纸构型能够实现大跨度、大步长的行走步态；由于足部末端的大跨度动作，不与地面发生相对滑动，能够在不同复杂程度的路面实现平稳行走。
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  电动拖拉机动力耦合装置设计与选型

  李书苑, 刘孟楠, 徐立友

  机械传动. 2021, 45(5): 75-82. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2021.05.011

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  设计了多种基于行星齿轮机构的双电机动力耦合结构方案，利用杠杆分析法得出多种动力耦合装置的定量关系，对比分析各方案的传动特性，选出两种较好的方案进行了动力匹配及参数计算。基于Simulation X搭建双电机动力耦合装置传动仿真模型，进行运动学仿真分析，优选出最终传动方案。仿真分析结果表明，提出的选型方法能有效减少耦合传动方案数量，选出的动力耦合传动方案转速及转矩性能优异，可满足电动拖拉机多工况作业需求。该项研究对行星轮系及汽车变速器开发具有重要的理论意义。
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  坐立卧式护理轮椅的结构设计及运动学仿真分析

  张帅, 尚振东, 胡志刚, 付东辽

  机械传动. 2021, 45(5): 83-89. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2021.05.012

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  为满足行动不便的老年人和残障患者的护理需求，设计了可辅助站立、辅助躺卧的坐立卧式护理轮椅。阐述了轮椅机构的设计方案和工作原理，并基于人机工程学原理，采用三维步态分析及运动系统分析了正常人体起立、躺卧过程中各关节的运动轨迹规律。建立轮椅机构间几何关系，并对机构进行了运动学分析；结合人体测量学数据，确定各构件参数并建立虚拟样机；运用Adams软件对机构进行了运动仿真，仿真中机构运行平稳。仿真结果表明，坐立卧式护理轮椅辅助人体坐、立、卧运动符合健康人体运动规律，验证了机构设计的合理性。
试验分析
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  润滑条件对低速重载齿轮胶合损伤影响规律的试验研究

  陈超, 师陆冰, 李纪强, 刘忠明

  机械传动. 2021, 45(5): 90-95. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2021.05.013

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  为了研究润滑条件对低速重载齿轮出现胶合损伤的影响规律，采用一对圆环试样滚滑的方式来模拟轮齿的啮合，在MJP-30A滚动磨损试验机上进行了18CrNiMo7-6渗碳钢齿轮材料在不同润滑条件下的胶合试验，分析了摩擦因数的变化规律和试验后试样的表面形貌。结果表明，干摩擦条件下，出现胶合损伤时的接触应力为1 927 MPa，出现胶合损伤前，接触界面摩擦因数随接触应力的增加而降低；良好润滑条件下，接触应力达到3 047 MPa仍未发生胶合，摩擦因数随接触应力的增加有轻微下降趋势；乏油条件下，摩擦因数随着乏油程度的加剧呈明显上升趋势，仅当摩擦因数几乎增大至干摩擦因数水平时才发生胶合损伤。因此，为避免低速重载齿轮运行过程中发生齿面胶合损伤，应将其润滑状态作为重要监测指标，以避免齿面间发生严重的乏油润滑和干摩擦接触。
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  轨道交通齿轮箱热平衡分析技术研究

  丁炜, 颜世铛, 苗圩巍, 周立轩, 刘忠明

  机械传动. 2021, 45(5): 96-100,160. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2021.05.014

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  轨道交通齿轮箱作为列车动力系统的关键部件，对列车的运行起到至关重要的作用。其中轨道交通齿轮箱的热平衡分析对保证齿轮箱的正常运行具有重要意义。以地铁齿轮传动系统为研究对象，应用热网络法建立关键部件的热平衡方程组，给出传动系统功率损失、热阻及对流换热系数的计算模型，并求解热平衡方程组的各节点温度。研究表明，该轨道交通齿轮箱的效率随着转速的升高而降低，转速升高，各节点的温度升高，齿轮啮合点处温度最高。
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  基于螺旋理论的高速并联机器人动力学分析

  吴璞, 王宗彦, 何晓, 景鸿翔, 夏长林

  机械传动. 2021, 45(5): 101-106,132. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2021.05.015

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  为提高机器人在高速运动过程中的精度和稳定性，研究了4-DOF的Delta高速并联机器人动力学方程的建模方法。采用几何法求解机器人逆运动学方程，结合旋量理论的Kane方法建立了机器人的动力学方程。采用Matlab编程对运动学和动力学模型进行求解，绘制了各个驱动臂的位移、速度、加速度以及力矩曲线。在Simscape中建立Delta机器人的动力学控制系统，以力矩为输入，得到驱动臂位移曲线。对比计算和仿真结果，验证了动力学方程的正确性。
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  含摩擦的椭圆齿轮非线性动态特性分析

  温芳, 党海钊, 蔡敢为, 梁兴波

  机械传动. 2021, 45(5): 107-113. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2021.05.016

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  建立了椭圆齿轮副的弯扭耦合模型，包含齿面摩擦、时变刚度、阻尼、齿侧间隙等因素；选取不同的参数，采用4~5步长Runge-Kutta数值方法求解，分析了椭圆齿轮副的非线性动态特性。由分析可知，当转速较低时，椭圆齿轮系统处于单周期，运动稳定且有规律，转速的增大使其存在拟周期和不稳定、无规则的混沌运动交替出现的现象；摩擦因数和阻尼比的增大能使系统的运动更稳定；而时变啮合刚度系数和偏心率的增大则会使系统的运动更不稳定。
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  电动车两挡自动变速器敲击噪声的仿真分析

  雷勇敢, 陈勇, 郑大伟, 李光鑫, 魏长银, 臧立彬, 陆杭聪, 林霄喆

  机械传动. 2021, 45(5): 114-119. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2021.05.017

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  敲击噪声是变速器噪声的一种类型，由于变速器敲击噪声具有噪声级跳跃和明显的宽频带特征，与其他噪声有明显区别，故对变速器敲击噪声的研究尤为重要。以某款纯电动车两挡机械式自动变速器为研究对象，搭建变速器齿轮传动系统多体动力学模型，分析变速器挂挡齿轮和空套齿轮在运转过程中的角加速度、啮合力，理论计算分析得出产生敲击噪声最大的空套齿轮；并以此为例，结合轴承动态载荷的仿真结果，对变速器结构的振动响应进行理论计算，间接验证齿轮动力学模型的准确性，并研究阻滞力矩对敲击噪声的影响。
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  非对称聚合物齿轮的瞬态弹流润滑分析

  左名玉, 王优强, 菅光霄, 胡宇, 莫君, 房玉鑫

  机械传动. 2021, 45(5): 120-125. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2021.05.018

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  聚合物齿轮质轻而耐腐蚀，可降低噪声，提高经济效益。相对地，聚合物轮齿强度低于金属轮齿，故采用非对称设计提高聚合物齿轮的强度。为探究非对称聚合物齿轮的弹流润滑特性，在水润滑条件下，采用多重网格法对非对称聚合物齿轮进行了瞬态弹流润滑分析：对比非对称齿轮与传统对称齿轮的水膜压力与厚度；改变齿轮运行工况及考虑轮齿的表面粗糙度，研究其对齿轮弹流润滑分析的影响。结果表明，非对称齿轮可有效改善弹流润滑，润滑膜的压力和膜厚受齿轮转速和载荷影响较大，表面粗糙度对于非对称聚合物齿轮的弹流润滑有着不利影响，在应用中应保证齿面加工质量。
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  超高转速齿轮箱轴承-转子系统性能分析及优化设计研究

  陈俊豪, 刘春波, 杨林杰, 吴鲁纪

  机械传动. 2021, 45(5): 126-132. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2021.05.019

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  以可倾瓦轴承-转子系统为基础，仿真计算分析了轴承跨距、轴径及轴承相关参数对轴承-转子系统临界转速的影响，为高速齿轮箱轴承-转子的优化设计提供依据。研究表明，跨距的影响与转速关系密切；轴径超过54 mm后，影响可忽略；间隙比、支点偏移及预负荷系数对1阶、2阶临界转速的影响趋势基本相同，关系曲线分别为线性、对数和指数形式。根据分析结果，设计了60 000 r/min齿轮箱，轴承-转子系统通过空载试验，齿轮箱整体性能满足要求。
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  基于Cruise和Isight的两挡电动汽车传动系统匹配与优化

  牛继高, 王招君, 张朋播, 杨云龙, 张凯, 徐春华

  机械传动. 2021, 45(5): 133-138. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2021.05.020

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  针对两挡电动汽车动力传动系统匹配与优化问题，根据整车设计参数及目标要求，通过理论计算对纯电动汽车驱动电机、动力电池、变速器等核心部件进行动力性匹配，运用Cruise仿真软件建立目标车辆的整车模型，并对匹配结果进行仿真验证。在动力性满足设计要求的前提下，为进一步改善经济性，搭建Cruise和Isight联合仿真模型，采用改进的非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ），对传动系统传动比进行多目标优化，获得兼顾动力性和经济性的最优方案。优化结果表明，优化后NEDC（New european driving cycle）循环工况下电耗比优化前降低了0.38 kWh/100 km，经济性提高2.4%；0～100 km/h加速时间比优化前降低0.95 s，动力性提高7.5%。
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  基于立体视觉的齿轮轴系装配误差测量方法

  陈勐昊, 王卓, 张鹏, 张旭, 丁晓宇

  机械传动. 2021, 45(5): 139-145. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2021.05.021

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  为解决工程中齿轮轴系装配误差的测量难题，提出了一种基于立体视觉的齿轮轴系装配误差测量方法。该方法以布置在待测特征上的圆形标记点为媒介，通过三维重建与数学拟合，获取相应特征的空间位姿，进而计算装配误差。以某锥齿轮箱为对象，给出了所提方法的完整技术流程，并系统研究了状态数量和靶标盘安装角度对拟合精度的影响。开发了完整的软硬件系统，通过实验，验证了测量方法的有效性与高效性。
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  自适应局部迭代滤波与模糊熵在齿轮系统故障识别中的应用

  张文斌, 江洁, 普亚松, 俞利宾, 郭德伟, 闵洁

  机械传动. 2021, 45(5): 146-152. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2021.05.022

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  针对齿轮系统实测信号受噪声干扰而不能准确反映故障特征的问题，提出了一种自适应局部迭代滤波与模糊熵相结合的故障识别方法。利用自适应局部迭代滤波可以将齿轮非平稳信号分解为有限个平稳的本质模态函数，由于自适应局部迭代滤波能有效分离出齿轮系统的转频信号，因此，以转频信号对应的本质模态函数为分界，计算前几个本质模态函数的模糊熵，最后，通过计算不同工况振动信号模糊熵的灰色关联度来识别齿轮系统不同的故障类型。结果表明，该方法能够有效地应用于齿轮系统的故障诊断。
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  基于激光位移传感器的弧齿锥齿轮精密测量

  卢重望, 宋爱平, 宋占群, 梅宁, 于晨伟

  机械传动. 2021, 45(5): 153-160. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2021.05.023

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  在分析现有锥齿轮测量技术特点的基础上，提出了一种基于激光位移传感器的弧齿锥齿轮非接触式测量方法与对应的格里森制弧齿圆锥齿轮的齿距偏差、齿形相对偏差算法。介绍了弧齿锥齿轮综合测量装置及其原理。通过对被测齿廓采样数据运用最小二乘法原理以及坐标转换知识，建立弧齿锥齿轮的齿面及齿廓理想模型；通过对平滑曲线与采集点的对比分析，得到齿距偏差、齿形相对偏差。该方法能够有效简化弧齿锥齿轮的测量过程并提高测量效率与精度。
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  系统级分析方法在风扇驱动齿轮箱试验中的应用

  吕作鹏, 罗健, 冯金, 钱露露, 黄钟韬

  机械传动. 2021, 45(5): 161-168,176. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2021.05.024

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  风扇驱动齿轮箱具有结构复杂，系统动力学分析困难的特点。通过对齿轮箱零部件的模态分析和敲击模态试验，验证了零部件级模型的准确性。再通过外啮合的子系统级动态响应分析和性能试验对比分析，验证子系统结构的分析合理性。最后，通过模态综合法，将各子系统统一到内啮合系统中进行动力学响应计算，并与试验数据进行分析验证。明确各环节的分析验证要点，逐级迭代。建立一套从部件级到子系统级，最后到系统级的理论分析与试验验证的系统级分析方法，为今后复杂系统的参数敏感度分析和模态识别等提供指导和帮助。
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  强干扰下基于TMD-SVD和POS-BP网络的变速箱状态识别

  何雷, 刘溯奇

  机械传动. 2021, 45(5): 169-176. https://doi.org/10.16578/j.issn.1004.2539.2021.05.025

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  针对车辆变速箱工作环境恶劣、故障模式难以识别的问题，在现有方法基础上，提出了一种基于经验模态-小波包结合的二次模态分解（Two-layer-mode decomposition，TMD）和奇异值分解（Singular value decomposition，SVD）特征值提取方法，并结合粒子群（POS）-BP神经网络应用于变速箱故障诊断中。首先，在自行搭建的实验台上采集变速箱正常、滚动体故障、外圈裂纹、齿轮磨损4种典型状态下的振动信号；然后，用EMD分解提取信号前5个IMF分量，由于IMF1频谱依然较复杂，采用小波包继续进行2层分解；最终，由二次模态分解得到8个子序列，构建信号分量矩阵，再提取分量矩阵的奇异值作为特征值，将特征值输入构建好的POS-BP神经网络诊断模型中，根据输出识别变速箱故障类型。分析结果表明，该方法能有效应用于特种车辆变速箱故障诊断，诊断正确率达到92%，为复杂工况下变速箱状态识别提供了一种有效的参考途径。