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关键词： 行星齿轮传动机构   拓扑图   图库   参数优化  

摘要： 行星齿轮传动机构变速方案的构型决定了车辆结构的复杂程度以及生产制造成本的大小。随着节能减排的要求日益严格,采用行星齿轮式的液力机械式自动变速器(Automatic Transmission,AT)和机电复合传动变速器(Electro-mechanical Variable Transmissions,EVT)都朝着多挡位和多模式的方向发展,要求使用行星排和自由度的数量随之增加。因此AT和EVT在设计阶段会生成数以亿计的潜在方案,建模和分析复杂,计算耗时长,且它们的构型都是以多自由度行星齿轮拓扑结构为基础,通过控制元件和电机等的合理布置,淘汰无效结构,最终得到最优方案。目前尚没有一套系统的考虑包括AT和EVT在内的行星齿轮传动机构的高效设计方法。 本文以这两类行星齿轮传动机构为研究对象,基于有色三层图模型进行了多自由度多行星排拓扑结构综合,提出了传动比/机械点的快速求解方法,建立了挡位/模式排序过程中的数学模型,最后通过参数优化设计得到了一系列新型传动方案,为提高新型行星齿轮传动机构的研发效率提供理论基础,主要研究内容如下: 在非同构多自由度多行星排拓扑结构生成过程中,建立了自由度与行星轮系中不同类型构件之间的数量关系,为多自由度拓扑结构综合提供了约束条件。将行星齿轮结构转化为带构件属性的图论模型,在拓扑结构枚举过程中,利用有向图模型区分齿轮之间的运动关系。并结合两种典型的同构判定算法有效地避免了同构方案的误判,得到了非同构2-5自由度的2-5个行星排拓扑结构集,为下一步行星齿轮传动机构的创新设计奠定了结构基础。 分析了多自由度多行星排拓扑结构可能生成的传动比值及机械点值的数量和组成情况,基于基本齿轮连接实体(Fundamental Geared Entity,FGE)模型进一步减小行星齿轮拓扑结构集的规模,并研究了1自由度多FGEs结构速比合并递推过程及速比合成方法。将FGE图模型转换为有向图来区分FGE点和外部构件点,枚举了所有可能的1-5FGE(s)拓扑结构图,筛选出所有合理的非同构1自由度FGE图结构,并对每种FGE图结构所能生成的速比进行了搜索递推计算,最后建立了1自由度下1-5FGE(s)有限数量FGE图结构及对应速比值的图库。 综合考虑挡位/模式控制元件及电机的布置条件、切换逻辑、传动范围、电机工作特性等因素,全面地给出了液力机械式自动变速机构和机电复合传动机构的设计约束规则,预先淘汰了大量不合理的布置方案。在传动比值及机械点值的计算过程中,将1自由度下的拓扑图转化为FGE图模型的形式,基于同构判定,得到了所求图与图库中的预存图之间FGE点和外部构件点编码的对应关系,并调用图库中的预存速比值进行替换运算能快速地得到所求速比值,极大地提高了设计效率。 在挡位及模式排序过程中,提出了一种结合采样模拟和检验的方法对液力机械式自动变速机构的传动比值按照挡位升序情况进行了分组计算,提前淘汰了大量无效的挡位序列。根据构件编码建立了挡位/模式的单一切换计算模型,多模式机电复合传动机构的机械点衔接计算模型,以及传动比/机械点的级比计算模型,并利用采样模拟的方法求解了级比计算模型,得到了一系列合理的挡位及模式序列。最后,建立了效率和传动比值/机械点值的多目标优化函数,并对行星排特性参数进行了优化计算,并利用层次分析法对新型液力机械式自动变速方案和机电复合传动方案进行了评价分析,为最优传动方案的选择提供了依据。 全文基于MATLAB软件平台实现了整个设计过程的自动化计算,分别以3自由度四行星排和4自由度三行星排拓扑结构为基础,设计了新型液力机械式自动变速方案和机电复合传动方案的构型及参数,通过与现有方案的对比分析验证了所提出的设计方法的可行性和高效性。

关键词： 单晶硅   直拉生长   生长腔室   热流耦合仿真   单晶炉结构  

摘要： 直拉法生长单晶硅是一种适用于大规模生产的可控制及可重复技术,对于半导体和光伏产业的发展至关重要。单晶炉设备是单晶硅直拉生长的基础,其中核心模块是关系到单晶硅生长质量的提拉机构与生长腔室。大尺寸单晶硅生长易摆动、生长速度不稳定及大尺寸生长腔室内温度梯度、熔体流动控制困难等问题导致晶体的缺陷难以控制,严重限制了单晶硅品质。基于此,本文开展了大尺寸单晶硅硬轴直拉生长炉的提拉机构设计及单晶硅生长实验研究。建立仿真模型设计并分析了生长12英寸以上大尺寸单晶硅的硬轴提拉机构及28英寸生长腔室结构对单晶硅生长的影响,分析了在不同工艺参数下晶体固液界面的形状变化,获得使固液界面最为平坦的工艺参数组合。最后,对大尺寸单晶硅硬轴直拉生长炉进行了集成,开展了提拉机构的振动测试与单晶硅生长实验。本论文具体研究内容如下: （1）针对12英寸以上单晶硅生长时提拉速度不稳定、生长腔室径向温度梯度大等问题,提出了一种硬轴提拉机构与28英寸生长腔室的设计。设计的硬轴单晶炉提拉机构,包括具有高刚性的中空水冷主轴、固定支撑组件,并针对硬轴提拉机构易传递机械振动影响晶体生长的问题,提出由磁流体与X型密封圈组成的运动密封分离机构;设计了28英寸大尺寸单晶炉生长腔室,包括28英寸坩埚组件与保温毡结构,为增加生长腔室轴向温度梯度,设计了热屏上方的水冷热屏组件与位于坩埚底部的底加热器组件。 （2）建立了热传输与k-ε湍流流动模型对水冷主轴及生长腔室关键组件进行了分析;基于本构模型对支撑架及运动密封分离组件进行了仿真校核。结合热传输方程与流体流动方程建立了热流耦合模型得到了主轴水冷管道直径50 mm冷却效果最佳;对框架式与龙骨式固定支撑架进行了结构强度对比,在1.5倍安全系数下,龙骨式支撑架最大形变为0.02 mm,远小于框架式的0.28 mm;建立了橡胶材料的本构模型,验证了运动密封分离技术可有效减小由硬轴密封产生的摩擦振动;分析了圆角优化后主加热器的热应力分布,避免了应力集中;分析保温毡温度与氩气流速分布得到保温毡厚度100 mm,热屏下端液口距30 mm可获得最佳保温效果与氩气流道。 （3）建立了熔体对流及固液相变的三维热场稳态模型,并研究了不同工艺参数对固液界面形状与轴向温度梯度分布的影响规律。首先基于所设计并优化后的单晶炉生长腔室结构,结合包含热传导、热对流及热辐射的热传输方程与流体流动方程建立了多物理场耦合模型进行求解计算。开展了单晶炉生长腔室全局温度模拟,研究了等径生长阶段水冷热屏流量、加热器功率、生长速度对轴向温度梯度及固液界面的影响。随后,以增加生长腔室轴向温度分布,改善固液界面形状为目标针对水冷热屏流量（Q）、加热器功率（W）、生长速度（V）三者工艺参数进行了基于响应面法的优化研究,得到Q=60 L/min,W=65 k W,V=0.82 mm/min的最佳工艺组合。 （4）开展了硬轴单晶炉整机集成并进行硬轴提拉机构振动测试,进行单晶硅直拉生长实验与切片氧含量、电阻率的表征测量。分别对三款电机与两款减速器进行了振动测试与选型并在硬轴单晶炉进行整机集成,随后开展硬轴提拉机构振动测试,结果表明使用运动密封分离技术后提拉机构最大振动加速度从0.003 g下降至0.0006 g。其次,使用最优化算法得到的工艺参数组合进行12英寸单晶硅生长实验,得到固液界面形状与仿真结果基本一致;对切片氧含量和电阻率展开表征测量,氧含量为7.5×1017/cm3,电阻率平均值为18.2Ω·cm,径向电阻率波动为10%,表明的研制的硬轴单晶硅直拉生长炉生产的单晶硅缺陷少,均匀性良好。

关键词： 控制棒驱动机构   电磁离合器   转矩试验   改进措施  

摘要： 文章介绍了一种电磁离合器的结构，并阐述了其磁路及工作特点。通过设计电磁离合器的试验装置并进行了转矩试验，针对试验结果分析其原因，提出了电磁离合器的改进措施，改进后的电磁离合器试验结果满足使用要求。试验结果及改进措施为后续电磁离合器的结构优化及更大传递转矩设计提供了工程参考价值。

关键词： 变位系数   变位斜齿轮传动系统   时变啮合刚度   动态特性   多目标优化  

摘要： 齿轮传动作为一种机械传动方式,在各种传动中被广泛应用。斜齿轮相对于直齿轮具有啮合性能好、重合度大和结构紧凑等优点,但由于其结构更加复杂,导致时变啮合刚度的计算难度也大幅提升。目前,国内外学者主要集中在利用解析法对直齿轮啮合刚度进行计算,针对斜齿轮的相关研究相对匮乏,这在一定程度上限制了斜齿轮在传动系统中的应用及其性能优化。变位设计作为一种有效的优化方法,能够显著提升齿轮的抗疲劳性能,进而延长齿轮的使用寿命,提升传动系统的整体性能。因此,深入研究变位斜齿轮的时变啮合刚度计算方法,并对其进行传动系统的动态特性分析与参数优化设计,不仅具有重大的理论意义,还具备极高的工程应用价值。这将有助于推动齿轮传动技术的进一步发展和完善,为机械传动领域的进步提供有力支撑。 本文以变位斜齿轮及其传动系统为研究对象,主要进行了如下研究: (1)提出了变位斜齿轮时变啮合刚度的计算方法。基于切片理论和积分思想,充分考虑了基圆与齿根圆之间的实际差异,研究了斜齿轮时变啮合线和啮合角的计算方法,得到了每个切片层的啮合刚度和单齿的时变啮合刚度;同时考虑了由于重合度引起的时变啮合刚度的变化,对齿轮啮合过程中啮合时序的变化规律进行了分析,得出了综合时变啮合刚度。 (2)建立了变位斜齿轮时变啮合刚度解析模型,并通过有限元方法验证了该模型的准确性。探究了在不同变位系数下,斜齿轮的各刚度分量以及单齿和综合时变啮合刚度的变化规律。结果表明,随着从动轮变位系数的增大,正变位齿轮、等变位传动齿轮和正传动齿轮时变啮合刚度减小。所得结论为后续变位斜齿轮传动系统的动态特性分析提供了理论依据。 (3)建立了变位斜齿轮传动系统动力学模型,并通过实验验证了该模型的准确性。研究了不同变位情况和工况对变位斜齿轮传动系统的动态啮合力、动态传递误差和轴向振动加速度的影响。结果表明,正传动齿轮的动态传递误差增大,动态啮合力和轴向振动加速度减小;负传动齿轮的动态传递误差减小,动态啮合力和轴向振动加速度增大。所得结论为后续变位斜齿轮传动系统的参数优化设计提供了理论支撑。 (4)建立了变位斜齿轮传动系统低动力、低误差多目标优化模型,并采用NSGA-II算法进行了优化。以主动轮和从动轮的变位系数为设计变量,最小化动态啮合力和动态传递误差为目标函数进行寻优求解,得到了在不同工况下优化后的变位系数,并对相应的轴向振动加速度进行了分析。与优化前的结果进行了对比,结果表明,优化后系统的各项动力学性能指标均得到了改善。此设计为变位斜齿轮传动系统的优化提供了一种有效方法。

关键词： 五轴机床   摇篮转台   高刚性   结构设计   有限元分析  

摘要： 五轴机床作为工业制造领域的核心技术装备,对于推动新技术、新产品的研发具有不可替代的作用,已然成为国家战略性产业的重要组成部分。摇篮转台作为五轴机床的核心部件之一,其性能优劣直接关系到机床对工件的加工精度和效率。然而,我国摇篮转台在承载能力、加工效率以及精度保持性等方面仍存在诸多不足,严重制约了我国机床技术水平的提升。因此,本文开展了摇篮转台的结构设计研究,此在提高摇篮转台的精度、刚性和可靠性等性能,进而提升五轴机床的整体性能。 本文对摇篮转台课题任务的开展进行了充分调研,总结了国内外摇篮转台结构的工作原理和系统组成,为摇篮转台的设计研究提供了充分的参考依据。在此研究基础上,对摇篮转台的结构设计开展了如下研究工作: (1)阐述了摇篮转台的应用场景及使用需求,并明确指明了在汽车零部件制造领域中,摇篮转台所需满足的性能指标,包括运动速度、定位精度、承载能力等关键性能参数。基于需求分析,提出了多种摇篮转台的传动结构设计方案。为满足速度和扭矩需求,设计了一套可靠的传动比方案以保障转台运行的稳定性。 (2)构建了摇篮转台底座、工作台、主支撑以及辅助支撑等模型,以对转台设计的合理性及可行性进行验证,包括检查潜在的干涉和装配问题。同时,通过对转台关键部件实施刚度有限元分析,以评估转台在实际工作状况下的受力及变形情况,从而判断结构模型是否满足高刚性的设计要求。 (3)分析了摇篮转台关键部件的受力和变形情况,提出了针对性的优化方法,即以转台底座结构尺寸为设计变量、转台底座最大变形为约束条件、转台底座质量为优化目标。采用了Box Behnken Design试验设计进行样本点的抽样,以获取构建响应面模型所需的数据。基于回归模型,运用Design Expert软件中的Optimization功能进行了寻优计算。最后,通过对比实验证明了优化结果的可靠性,实现了降低制造成本和提高运行效率的目标。 经过摇篮转台的高刚性设计和优化,使得摇篮转台在承受载荷时的刚度得到有效提升。优化后的转台具有更稳定的运动性能,进一步提升了加工质量和效率。最终产品经过生产调试后,为汽车零部件制造企业带来了显著的经济效益,提高了企业的知名度。