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机械传动

机械传动

2025年05期

《机械传动》杂志，于1977年经国家新闻出版总署批准正式创刊，是中国机械工程学会机械传动分会和中国机械通用零部件工业协会齿轮分会两组织的会刊，在国内享有较高的声誉，在机械行业内具有重要的影响力。

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理论研究 | 线接触弧齿锥齿轮传动的温度场与热变形研究

理论研究 | 线接触弧齿锥齿轮传动的温度场与热变形研究

摘要：【目的】针对线接触弧齿锥齿轮传动中轮齿温度变化导致的啮合传动问题，为揭示线接触弧齿锥齿轮啮合传动中的稳态本体温度分布及热变形规律，开展了考虑轮齿摩擦生热和对流换热的轮齿有限元仿真研究。【方法】首先，依据线接触弧齿锥齿轮加工齿面模型建立了齿轮副的三维模型；其次，基于该三维模型，结合摩擦学和传热学理论，给出轮齿各表面的热边界条件，求解了线接触弧齿锥齿轮传动中的热载荷；再次，建立单个轮齿稳态本体温度场有限元分析模型，获得了其稳态本体温度场分布，以及转速、转矩、环境温度对温度场的影响规律；最后，将所得温度场结果作为体载荷对齿轮结构场进行加载，进行热-结构间接耦合分析，获得了单齿热变形情况。【结果】结果表明，主动轮温度高于从动轮，且均在齿面靠近大端处形成高温区；齿面最高温度随着转速、转矩和环境温度的升高而增大，但分布无明显变化；轮齿受热呈整体膨胀变形，齿面法向热变形分布不均，且齿顶较齿根处变形大。
理论研究 | 基于人工势场的柔性膝关节自适应运动方法研究

理论研究 | 基于人工势场的柔性膝关节自适应运动方法研究

摘要：【目的】考虑柔性膝关节运动轨迹跟踪误差及柔顺性对关节运动的影响，提出了一种基于人工势场(ArtificialPotentialField,APF)的自适应阻抗控制方法去改善柔性膝关节的运动轨迹和柔顺性。【方法】该方法以气动人工肌肉为动力源，通过建立人机交互力矩与膝关节运动角速度之间的动力学模型，可实时调整阻抗控制参数的大小，从而实现外骨骼膝关节与人体腿部运动的跟随；采用APF理念对控制参数进行优化，提升运动跟随效果，并通过仿真和试验以验证该算法的有效性。【结果】研究结果表明，所提出的基于APF的自适应阻抗控制方法可使外骨骼自适应地跟踪人体运动轨迹，并能减小轨迹跟踪的误差，从而改善柔性膝关节控制的柔顺性，提高系统的人机协同性。
理论研究 | 基于非线性弹簧的变桨轴承性能分析方法研究

理论研究 | 基于非线性弹簧的变桨轴承性能分析方法研究

摘要：【目的】工程应用中，变桨轴承包含数百对滚动体和滚道的非线性接触，受力状况复杂，完整实体模型分析困难。为了更精确地描述变桨轴承运动、受力特点及滚动体载荷应力分布规律，对滚动体和滚道之间的等效方式进行了研究。【方法】以5MW级风力发电机组三排圆柱滚子轴承为研究对象，首先，建立考虑螺栓连接的叶根-轴承-轮毂整体物理计算模型，采用赫兹接触理论计算非线性弹簧单元刚度进而模拟滚动体变形情况，建立滚动体-滚道之间的接触力学关系；其次，将螺栓等效、接合面摩擦接触纳入实际计算，对轴承结构性能进行分析研究；最后，采用所建立的物理计算模型对变桨轴承进行了承载能力分析。【结果】结果表明，通过轴承最大接触载荷值与NREL的经验公式理论值的对比，发现误差小于 5 % 。该方法具有一定的工程实用价值，可为风力发电机组变桨轴承的合理设计和制造提供参考和依据。
理论研究 | 谐波齿轮柔轮齿圈结构参数对最高负载应力影响研究

理论研究 | 谐波齿轮柔轮齿圈结构参数对最高负载应力影响研究

摘要：【目的】为揭示负载状态下齿圈结构参数对最高负载应力的影响规律，为齿圈强度设计提供理论指导，提出了柔轮齿圈负载应力计算方法。【方法】依据负载工况下柔轮长轴啮合区齿体受载情况，将齿体等效为考虑齿根倒圆的变截面梁模型，研究了不同负载转矩下齿间最大啮合力在齿槽处产生的附加弯曲应力与最高装配应力叠加得到的齿圈最高负载应力表达，分析了齿圈壁厚、齿根倒圆半径和槽宽比等参数对最高负载应力的影响；建立有限元模型，对装配和负载应力理论解进行了数值验证。【结果】结果表明，齿圈最高负载应力随壁厚先急剧降低后缓慢增加，最佳齿圈厚度系数随负载的增大而增大；柔轮齿圈最佳齿根倒圆半径范围为 0.6m～0.7m ；最佳槽宽比随负载转矩的增大而减小。
理论研究 | 基于机构转化的平面机构速度分析

理论研究 | 基于机构转化的平面机构速度分析

摘要：【目的】在已知机构尺寸和原动件运动规律的情况下，机构运动分析旨在确定机构中其他构件的运动特性，解决平面机构中同一构件上两点和两构件重合点间的速度分析这两类问题；但两构件重合点间的速度分析比较难于理解。【方法】利用平面机构的组成原理，把平面机构拆分成原动件和基本杆组，对基本杆组中做平面运动的构件施加反向运动，形成机构转化。采用机构转化速度分析法对Ⅱ级基本杆组的5种类型给出了相应的速度分析，该方法对上述两类问题都适用。【结果】通过实例，验证了机构转化速度分析法的准确性。
理论研究 | 罗茨转子共轭轮廓构造的创新途径与方法

理论研究 | 罗茨转子共轭轮廓构造的创新途径与方法

摘要：【目的】罗茨转子的共轭轮廓因具有直接决定产品性能的特点而一直备受关注，但其构造所采用的一些常见曲线，往往不能满足产品的特定性能需求。为此，提出一套既适用于常见已知、更适用于现行未知共轭轮廓曲线的创新途径与方法。【方法】从转子副上由节点到啮合点的共轭矢径出发，提出了共轭矢径长度、方位的啮合距和啮合角概念，分析了啮合距和啮合角内在的耦合关系，总结了啮合距、共轭轮廓、泵性能的内在逻辑关系，并由此提出了共轭轮廓构造的创新途径与方法。【结果】实例结果表明，不同的共轭矢径函数唯一决定了共轭轮廓的不同形状，不同的共轭轮廓形状直接决定产品不同的输出性能，输出性能的创新等价为共轭轮廓的创新；啮合角等于啮合距对节圆转角1阶导数的反余弦函数，共轭轮廓的创新等价为啮合距函数的创新；通过啮合距多项式不同阶次与系数的创新组合，可以构造出更多现行未知的共轭轮廓曲线等。所述创新途径与方法在凸圆柱齿轮和转子轮廓构造的应用上具有普适性，能够为后续进一步的拓展研究提供参考和方向。
理论研究 | 面向人机共享控制的机械臂动态连续仿真研究

理论研究 | 面向人机共享控制的机械臂动态连续仿真研究

摘要：【目的】人机共享控制作为一种将操作者的判断决策与机械臂精细控制相结合的控制方式，被广泛应用在机器人的远程控制中。当机械臂控制权重发生切换时，受机械臂构成、信号时延等原因的影响，关节角度发生突变，影响控制系统的动态连续。【方法】为解决该问题，提出可行的共享控制策略决定控制权重，采用基于3次Bezier曲线插值的局部拟合算法实现机械臂轨迹优化，并针对该算法优化后轨迹对机械臂控制系统的连续性进行了仿真和验证。【结果】仿真结果表明，通过对比不同轨迹规划曲线，所用方法能够有效抑制由控制权重切换导致的角度突变，实现切换时刻关节角度、角速度曲线连续平滑，并有效抑制加速度振荡，具有良好的鲁棒性。
设计计算 | 一种绳驱式可关节错位补偿的肘腕康复机构设计与分析

设计计算 | 一种绳驱式可关节错位补偿的肘腕康复机构设计与分析

摘要：【目的】康复训练是骨折术后康复的关键，而现有康复机器人因构型所限，人机兼容性尚有不足，康复效果不甚理想。基于人体肘腕关节解剖学结构，考虑人机轴线错位易造成患者二次损伤，遵循康复医理，提出了符合肘腕关节运动特性、适应其康复需求的新型肘腕康复机构。【方法】针对肘腕关节运动特征，设计了由绳索驱动的腕部并联机构和关节错位补偿机构，以确保患者康复的舒适度和安全性；求解了腕部并联机构的逆运动学，并推导出腕关节角度与各驱动绳索长度的关系；绘制腕部并联机构工作空间，以验证该机构是否能够满足腕关节康复的活动范围；结合腕部并联机构运动与静力学分析，以确定压缩弹簧的刚度。【结果】分析结果表明，所设计机构能够满足肘腕康复运动与力学需求，为样机试制提供了基础参数依据。
设计计算 | 大功率风电齿轮箱滑动轴承基于公差配合的润滑间隙设计

设计计算 | 大功率风电齿轮箱滑动轴承基于公差配合的润滑间隙设计

摘要：【目的】合理设计在大功率风电齿轮箱中广泛应用的滑动轴承尤为关键。轴承半径间隙直接影响着润滑、载荷分布、摩擦及振动等性能。优化间隙设计既能确保正常运行，又能提升效率，延长寿命。以某大功率风电齿轮箱滑动轴承为例，提出了一种基于公差配合，同时计及粗糙度、修形与热变形的润滑间隙设计方法。【方法】分别对齿轮-轴套、轴套-轴的配合进行设计计算，并在等效试验机上进行了极限工况试验验证。【结果】结果表明，该方法可以实现大功率风电齿轮箱滑动轴承间隙的合理配置，以此验证了该方法的准确性。
设计计算 | 考虑柔性轴承径向变形的谐波齿轮负载变形研究

设计计算 | 考虑柔性轴承径向变形的谐波齿轮负载变形研究

摘要：【目的】为了为谐波齿轮的齿廓设计提供侧隙设置依据，建立柔轮负载变形计算方法。【方法】基于赫兹接触理论，获得柔性轴承的径向刚度理论公式；考虑柔性轴承径向变形及其引起的周向位移和齿圈周向伸长，推导出啮合力作用下柔轮齿圈的负载变形公式；用实体单元建立包含柔性轴承的柔轮装配模型，仿真分析啮合力引起的轴向不同截面内的齿圈变形，以验证理论公式。【结果】研究发现，理论公式反映了轴承支承截面内的齿圈变形，但前后截面存在微小偏差。
设计计算 | 基于弹性补偿的抽油机齿轮齿廓修形

设计计算 | 基于弹性补偿的抽油机齿轮齿廓修形

摘要：【目的】针对抽油机齿轮齿条机构因啮入冲击导致的轮齿点蚀现象，探讨了齿廓修形对于减轻齿轮齿条啮入冲击的可行性。【方法】首先，基于石川法计算了啮合过程中轮齿的弹性变形量；其次，采用齿廓修形补偿轮齿弹性变形量的方法，得到了4种修形方案；最后，通过有限元仿真和试验对比，分析验证了各个修形方案的效果。【结果】结果表明，齿廓修形在一定范围内可以有效提高齿轮的疲劳寿命，减轻接触应力的波动程度。最佳修形量为理论修形量；但当修形量过小或过大时，齿轮的疲劳寿命提升甚微，甚至还会降低。
设计计算 | 时滞反馈控制下超磁致伸缩致动器非线性动力学特性研究

设计计算 | 时滞反馈控制下超磁致伸缩致动器非线性动力学特性研究

摘要：【目的】为有效控制超磁致伸缩致动器(Giant Magnetostrictive Actuator,GMA)的非线性特性，设计了一种线性和非线性时滞反馈控制器，联合抑制GMA系统主共振分岔和混沌运动。【方法】基于多尺度法求解系统的解析解和主共振响应方程，通过数值模拟研究未受控系统关键结构参数和控制系统各时滞反馈参数对主共振、混沌运动的特性规律。【结果】研究结果表明，未受控系统存在分岔和多值解现象；适当增大时滞增益系数可抑制系统主共振分岔和跳跃现象，减小系统混沌运动区域。研究结果对提高GMA系统的输出稳定性具有一定的指导作用。
试验分析 | 基于传递矩阵法的永磁涡流联轴器不平衡响应分析

试验分析 | 基于传递矩阵法的永磁涡流联轴器不平衡响应分析

摘要：【目的】针对永磁涡流联轴器的不平衡振动特性进行分析研究，提出一种基于Riccati传递矩阵法的永磁涡流联轴器动力学集总分析模型。【方法】对预设多个不平衡量的联轴器转子进行计算分析，探究其在不同的不平衡量分布下表现出的振动特性；利用三维有限元分析方法对永磁涡流联轴器在预设不平衡量下的振动特征进行仿真分析，并与传递矩阵法的计算结果进行了对比。【结果】结果表明，在转速范围内，相较于不平衡量作用于观测点异侧转子的情况，不平衡量作用于观测点同侧的转子时产生的不平衡振动较大。
试验分析 | 成形法加工弧齿锥齿轮齿面残余应力仿真分析

试验分析 | 成形法加工弧齿锥齿轮齿面残余应力仿真分析

摘要：【目的】为探究弧齿锥齿轮成形法切削加工中切削速度、切削深度、进给量对齿面残余应力的影响规律，优化加工参数，根据成形法加工特点建立三维斜角切削仿真模型。【方法】采用单因素法和响应曲面法进行仿真，对各切削用量对齿面残余应力的影响进行分析，建立曲面响应预测模型求解最优切削参数组合，并进行试验验证。【结果】结果表明，轮齿已加工表面呈现为拉应力，沿层深迅速转变为压应力，然后逐渐减小为0；切削速度增大，加工表面残余拉应力增大，工件内部最大残余压应力有所减小；进给量对齿面残余应力影响最大，进给量增大，表面和硬化层内部残余应力均明显增大，应力层深增大；切削深度变化对齿面残余应力影响较小；齿面残余应力预测值与试验的相对误差值最大为 6.17% ，验证了仿真切削对残余应力进行预测的可行性。
试验分析 | 20Cr2Ni4齿轮钢初始形貌对激光冲击与喷丸的残余应力影响分析

试验分析 | 20Cr2Ni4齿轮钢初始形貌对激光冲击与喷丸的残余应力影响分析

摘要：【目的】为了研究初始形貌对激光冲击和喷丸强化下靶材深度方向上残余压应力的影响。【方法】利用有限元软件建立20Cr2Ni4 齿轮钢复合强化有限元模型，并在不同初始形貌状态前提下对该模型表面分别进行了激光冲击、喷丸及复合强化的仿真分析。【结果】结果表明，随着初始表面粗糙度的增加，喷丸强化下靶材深度方向上的峰值残余压应力和层深均有所降低；相较于喷丸，激光冲击强化下靶材应力层深没有显著的变化；在复合强化中，靶材深度方向上残余压应力的分布表现出明显的分段组合特征，且靶材深度方向上的压应力层深可以达到喷丸的3倍，峰值残余压应力可以达到激光冲击强化的2倍；相较于激光冲击强化，复合强化后靶材内部应力层深由 0.42mm 降低到 0.36mm ，降幅 14.3% 。此外，复合强化可以获得更高的峰值残余压应力，削弱初始粗糙表面对峰值残余压应力的影响。
试验分析 | 基于拟静力学的轴承内圈滚道工作应力场研究

试验分析 | 基于拟静力学的轴承内圈滚道工作应力场研究

摘要：【目的】轴承滚道工作应力场研究是进行滚动轴承疲劳寿命分析的重要基础。【方法】以7008C轴承内圈为对象，通过分析滚动体与滚道之间的接触与变形，建立并求解轴承拟静力学方程组，得到了滚动体与内圈滚道之间的接触应力分布；在此基础上，利用有限元软件AnsysWorkbench建立轴承内圈滚道工作应力场有限元模型，分析了工况条件对最大切应力分布的影响。【结果】研究表明，方位角为 0°> 处的1号滚动体受载最大；随着轴向力和径向力的增加，最大切应力的峰值呈现增大的趋势，峰值所在深度逐渐靠近滚道表面；随着工作转速的增大，最大切应力的峰值减小，峰值所在深度也逐渐远离滚道表面。
开发应用 | 高精密齿轮成形磨削电镀CBN砂轮修整技术研究

开发应用 | 高精密齿轮成形磨削电镀CBN砂轮修整技术研究

摘要：【目的】电镀立方氮化硼(Cubic BoronNitride,CBN)砂轮作为齿轮磨削加工的热点工具，存在修整精度低、批量修整稳定性差等缺点。为提高齿面磨削精度，实现电镀砂轮1\~2级齿轮齿面磨削加工水平，通过分析电镀CBN砂轮齿廓、加工偏差、检测原理，提出了“双刀具圆弧 .+ 变齿厚”复合补偿修整策略。【方法】首先，分析了电镀砂轮的齿廓特征及加工偏差，确定了对应的修整方案；其次，依据修整方案修正补偿量和齿廓扭曲，对比了不同齿厚下的齿廓位置关系；最后，开展相关试验研究，出具了相关工具砂轮的检测报告。【结果】经试验验证，该策略可实现电镀CBN砂轮的稳定修整，齿轮磨削精度可达2级以上，具有很大的技术应用空间。
开发应用 | 基于FRFT滤波提取变速行星轮系太阳轮故障阶次

开发应用 | 基于FRFT滤波提取变速行星轮系太阳轮故障阶次

摘要：【目的】为了更好地提取噪声环境下变速行星轮系的微弱故障特征，提出一种基于转速信号确定的分数阶傅里叶变换(Fractional FourierTransform,FRFT)最佳阶次，并通过带通滤波获取变速工况下齿轮故障阶次的方法。【方法】首先，根据行星轮系输入轴转速信号和系统齿轮参数计算齿轮啮合频率；其次，采用最小二乘拟合方法确定啮合频率的FRFT最佳阶次；在此基础上，进行以该阶分数域峰值为中心的带通滤波，同时进行包络阶次分析，从而得到齿轮故障相关的包络阶次；最后，针对一台行星齿轮减速器的二级太阳轮齿根裂纹故障进行了试验验证。【结果】结果表明，基于转速信号确定的FRFT最佳阶次是可行的，能够有效分离噪声和其他分量；试验结果与理论值的最大相对误差为 3.4% ，发生在低转速低负载工况下。
开发应用 | 对偶四元数运动多项式分解和POC集结合的机构综合及汽车多功能门锁

开发应用 | 对偶四元数运动多项式分解和POC集结合的机构综合及汽车多功能门锁

摘要：【目的】针对汽车侧门锁狭小空间内电动吸合、辅助开启和除冰多功能需求，提出对偶四元数运动多项式分解和POC集结合的机构综合方法。【方法】基于对偶四元数，以Bennett机构和RPRP机构为子机构，构造5R2P空间机构运动多项式；通过多项式因式分解生成RRPRPRR构型，进一步依据串接R、P副轴线平行的POC集输入输出方程等效性，以RRPRPRR重构出RRPRRPR构型。【结果】该变自由度多模式RRPRRPR机构具有2-DOF和1-DOF运动模式，可通过过渡构型切换运动模式，嵌入于汽车门锁内，结合锁棘轮棘爪、限位块、柔性复位等机构，实现电动吸合、辅助开启和除冰功能；5R2P的2-DOF模式主要实现电动吸合和辅助开启，1-DOF模式以末端凸轮型面往复敲打棘轮型面，实现汽车侧门锁的除冰。
开发应用 | 基于优化VMD-NLM与1DDRSN的齿轮箱故障诊断方法

开发应用 | 基于优化VMD-NLM与1DDRSN的齿轮箱故障诊断方法

摘要：【目的】针对在噪声干扰情况下齿轮箱故障诊断准确率不佳的问题，基于优化变分模态分解（Variational Mode Decomposition,VMD)和非局部均值滤波(Non-Local Means,NLM)的去噪方法，与一维深度残差收缩网络（1Dimensional Deep Residual Shrinkage Network,1DDRSN）相结合，构建了一种全新的齿轮箱故障诊断方法。【方法】首先，使用减法平均优化（Subtraction-Average-Based Opti-mizer,SABO)算法对VMD中的参数进行自动寻优；其次，使用样本熵筛选VMD后的各模态分量(IntrinsicModeFunction,IMF），对含有噪声的分量进行NLM去噪重构；再次，引入将注意力机制和软阈值化相结合的残差网络，建立1DDRSN模型；最后，将去噪重构的信号输入至1DDRSN进行故障诊断识别，并通过DDS试验台进行了验证。【结果】结果表明，去噪后的信号与原始信号相比，使故障准确率提升了 3.16% ，说明优化VMD-NLM具有较好的降噪效果；1DDRSN诊断准确率达到了 99.33% ，与卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN）、ResNet相比，准确率分别提升了 5.97% 、1. 17% ，验证了该方法的可行性和诊断效果的准确性。
综述 | 主动助力下肢康复外骨骼机器人研究现状

综述 | 主动助力下肢康复外骨骼机器人研究现状

摘要：【意义】在当前人口老龄化和下肢障碍人群急剧增加的情况下，开发主动助力下肢康复外骨骼机器人具有重要的意义。【分析】对国内外主动助力下肢康复外骨骼机器人的研究现状进行了综述。按单关节和多关节进行分类，重点总结了两类机器人的结构、适用人群、应用场景等关键信息；对其中的关键技术(驱动器类型、人机耦合、能源动力等)进行了阐述和分析；最后，围绕主动助力下肢康复外骨骼机器人的关键技术与未来发展趋势进行了分析与展望。

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