根据齿轮空间啮合理论,建立齿轮啮合的空间坐标系,推导出非对称渐开线圆柱齿轮和偏置面齿轮的数学模型,建立了偏置非对称面齿轮的啮合方程。以啮合方程为约束条件,编写了求解偏置面齿轮副齿面点云坐标的数值计算程序,求解出偏置面齿轮副的齿面点云坐标,通过拟合点云得到偏置面齿轮的复杂曲面模型;研究了偏置非对称面齿轮内径不根切、外径不变尖的问题,确定了齿宽的限制条件。确定偏置面齿轮副的基本设计参数,求解出齿面离散坐标点并导入三维软件中,建立了偏置面齿轮和非对称圆柱齿轮的精确几何模型。研究成果对装备用特种偏置非对称面齿轮传动系统设计制造具有指导意义。

齿轮高速运行时,风阻功率损失是导致传动效率低的主要因素之一。基于计算流体动力学(Computational fluid dynamics,CFD)技术建立了弧齿圆柱齿轮周围空气流域模型并进行数字孪生,得出弧齿圆柱齿轮周围空气流域内的速度矢量图及风阻损失功率。结果表明,弧齿圆柱齿轮周围设置挡板可有效减小风阻功率的损失,轴向挡板间距越小,弧齿圆柱齿轮的风阻功率损失越小。轴向挡板间隙为2 mm时的风阻功率损失相比于轴向挡板间隙为10 mm时的风阻功率损失减小27.80%。而对于径向挡板来说,并不是间隙越小弧齿圆柱齿轮的风阻功率损失越小。不同齿形的齿轮在相同条件下风阻功率损失不同,同等条件下对比发现,压力角为25°的直齿轮相比于标准斜齿轮的风阻功率损失减小了23.84%。

针对同步带轮齿廓对带轮承载能力的影响,提出了一种高转矩仿生齿廓同步带轮的设计方法。从树干与地面的拉伸三角样式的仿生连接中获取简化正切曲线,将其作为仿生同步带轮的齿廓,设计出一种有效的描述同步带轮齿廓的参数化方法。使用有限元内嵌优化模块,进行正切曲线的优化,最终得到带轮齿根等效应力最小时的正切曲线参数,并对仿生同步带轮和常规圆弧同步带轮的齿根等效应力进行比较。研究表明,提出的方法可以明显降低同步带轮均布应力,减小齿根应力集中;与圆弧齿廓同步带轮相比,仿生齿廓带轮的载荷分布更合理,承载能力更高。