高速同轴对转行星齿轮传动机理研究

本项目以水下自航行器电动推进系统的减速传动机构为研究对象，利用行星齿轮传动分流、差动、汇流理论，提出反力矩平衡的同轴对转行星齿轮传动方案。采用二硫化钼微粒子高速压力喷丸与低温离子渗硫相结合的技术，在齿面上形成具有良好减摩性能的固体润滑复合涂层来提高高速齿轮传动的抗胶合能力。建立包含齿面接触柔性、轴承柔性及零件变形的行星齿轮传动的柔性多体动力学模型，由此研究在内外激励作用下传动机构的动态特性，并系统优化减速机构的啮合参数、啮合相位、齿面微观几何和结构刚度来降低系统的振动噪声。结合累积疲劳损伤理论分析理论和齿轮材料的S-N曲线，建立短服役寿命周期下齿轮传动的强度设计准则，获得该传动高功率密度设计方法。在传动性能试验台上验证对转减速机构的功能和性能，最后形成高速对转行星齿轮传动的设计理论与方法。因而该研究既有重要的理论意义和学术价值，又有重要的社会效益。

针对自航行器使用工况，从传动原理、齿面涂层、动力学分析及短服役寿命条件下齿轮强度设计等方面进行研究，满足了同轴对转传动系统的功能和性能要求。主要研究如下：. (1) 提出一种适用于无人水下航行器电力推进系统的新型复合行星减速机构，将高速单输入转化为转速相等的同轴对转输出，并能平衡电机定子上的反力矩。. (2) 在试件上生成TiN、WC/C和DLC三种PVD涂层，通过试验机及电子能谱仪研究了不同涂层的摩擦学性能，结果表明，WC/C与DLC涂层表现出优异的摩擦磨损性能和跑合性能、较高的承载能力，可用于重载齿轮传动中。. (3) 采用用非线性弹簧单元来模拟涂层-基体结构的界面结合层，研究了载荷和涂层性能参数对应力分布的影响规律，结果表明，涂层表面的最大等效应力是涂层表面裂纹产生的主要因素，涂层/基底界面的最大切应力是导致涂层剥落的主要因素，载荷等级影响了涂层的应力分布和失效形式。. (4) 研究了乏油条件下齿轮传动的润滑供油量及胶合失效机理，结果表明：乏油润滑会使油膜厚度降低，油膜的平均温升增高，油膜压力分布趋于Hertz接触状态，导致润滑及胶合失效；将微观弹流润滑数值结果与宏观的供油量大小联系起来，为齿轮传动润滑流量的设计提供了可参考的依据。. (5) 建立了传动系统与结构系统耦合的同轴对转传动动力学分析模型，研究了内外激励对传动的动态特性的影响规律，结果表明，差动轮系各个构件的扭转位移响应和速度响应幅值都要高于定轴轮系，定轴轮系的行星均载系数大于差动轮系。在参数敏度分析的基础上，通过优化传动参数、支撑刚度及均载构件，实现了减速箱振动抑制，满足了传动系统的动态性能要求。. (6) 应用边界元分析软件研究了在不同载荷条件下齿轮裂纹扩展状况，获得了载荷大小、载荷循环次数与裂纹长度之间的关系，建立了适用于短寿命工作条件下齿轮传动S-N曲线。