高速漸開線圓柱齒輪齒面設(shè)計(jì)及數(shù)控加工技術(shù)研究.pdf

1、針對艦船、航空齒輪箱中的直齒輪、斜齒輪及人字齒輪，以齒輪嚙合理論、有限元方法為基礎(chǔ)，圍繞修形齒面建模、實(shí)際齒面的建模、幾何嚙合仿真、承載嚙合仿真、應(yīng)力過程仿真、不同應(yīng)用場合齒輪的目標(biāo)修形優(yōu)化、多軸聯(lián)動多自由度數(shù)控加工及高階傳動誤差齒面設(shè)計(jì)展開，系統(tǒng)地進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究，總結(jié)出一套具有工程使用價(jià)值的齒面修形優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件和方法，達(dá)到提高傳動系統(tǒng)平穩(wěn)性，降低振動噪聲的目的，論文主要研究內(nèi)容如下：
　?。?）對齒輪承載接觸分析模型進(jìn)行完善

2、，給出考慮基節(jié)誤差的承載接觸分析計(jì)算方法，結(jié)果表明：基節(jié)誤差放大了承載傳動誤差幅值，引起較大振動及載荷分配的不均勻。對修形人字齒輪三維有限元進(jìn)行精確齒面控制建模和裝配，按照 Abaq us有限元軟件輸入文件的編寫規(guī)則進(jìn)行批處理加載分析，并與承載接觸分析方法的結(jié)果對比，表明了二者分析結(jié)果一致性，驗(yàn)證了本文承載接觸分析方法的正確性與高效性。
　?。?）建立基于齒面坐標(biāo)測量的真實(shí)齒面模型，采用理論齒面疊加法向偏差曲面表達(dá)實(shí)際齒面，推導(dǎo)實(shí)

3、際齒面接觸過程，相對直接通過復(fù)雜曲面擬合的數(shù)字齒面，提高了計(jì)算效率和擬合精度。
　?。?）提出的斜齒輪對角修形能夠保證修形后齒面瞬時(shí)接觸線長度不變，在減振降噪的同時(shí)，兼顧了齒輪的強(qiáng)度，三維拓?fù)湫扌握鎸?shí)反映齒面實(shí)際狀況。齒面修形優(yōu)化設(shè)計(jì)以承載接觸分析為基礎(chǔ)，從減振、降噪、提高強(qiáng)度為出發(fā)點(diǎn)，分別以承載傳動誤差幅值最小、嚙合線相對振動最小、齒面閃溫最小、齒面載荷均勻及多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行修形優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果表明：齒廓修形后，輪齒接觸區(qū)潤滑狀態(tài)改善

4、，導(dǎo)致齒面閃溫減小，直齒輪單齒嚙合區(qū)內(nèi)閃溫變化不明顯；人字齒輪的軸向竄動是左右齒面間隙相互補(bǔ)償?shù)倪^程，齒向修形與軸向竄動相互補(bǔ)充，保證了齒面載荷整體上均勻；隨轉(zhuǎn)速、載荷的增加，嚙合沖擊逐漸增大，且隨轉(zhuǎn)速增加，嚙合沖擊激勵(lì)較剛度激勵(lì)的振動更加明顯，因此系統(tǒng)共振的敏感性降低，多載荷承載傳動誤差幅值反映了振動隨載荷變化趨勢；人字齒輪軸向位移激勵(lì)對嚙合線方向振動無影響，軸向位移激勵(lì)是引起軸向、扭擺方向振動的主要原因；修形降低了嚙合激勵(lì)，因此，有

5、效降低了系統(tǒng)振動。
　?。?）根據(jù)空間齒輪嚙合原理，建立修形齒面多軸、多自由度的多種數(shù)控加工模型。基于刀具廓形修形及機(jī)床各軸運(yùn)動敏感性分析，通過優(yōu)化齒面誤差最小，得到刀具修形參數(shù)及機(jī)床各軸運(yùn)動參數(shù)。結(jié)果表明：①根據(jù)齒廓修形齒面反算砂輪廓形，進(jìn)行數(shù)控五軸聯(lián)動成形磨削，可實(shí)現(xiàn)拓?fù)湫扌锡X面的高精度加工；②平面砂輪磨齒時(shí)，沿齒向方向壓力角、螺旋角、展成角附加運(yùn)動可分別實(shí)現(xiàn)一定的對角修形加工，機(jī)床增加齒向運(yùn)動，可減小平面砂輪半徑，用于磨削大

6、螺旋角、大齒寬對角修形斜齒輪；③當(dāng)滾刀有齒向修形時(shí)，再增加合理的切向運(yùn)動，使得滾切過程中，產(chǎn)生沿齒向方向齒形的連續(xù)變化，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)加工產(chǎn)生的齒形扭曲；修形滾刀齒形及增加切向運(yùn)動可實(shí)現(xiàn)一定的拓?fù)湫扌锡X面加工；④錐面砂輪沿軸向沖程運(yùn)動時(shí)，通過等粗糙度磨齒法，確定砂輪每次沖程的徑向位置及沖程總次數(shù)，與通用的勻速展成及徑向均速展成磨齒法相比，可顯著減小理論粗糙度值，該方法可磨削更為復(fù)雜的修形齒面；砂輪沿齒向沖程運(yùn)動磨削對角修形斜齒輪時(shí)，沖程方向

7、與接觸線方向一致，根據(jù)展成原理求解工件附加運(yùn)動，數(shù)控編程簡單，其關(guān)鍵技術(shù)為嚙入點(diǎn)的準(zhǔn)確對刀，對角修形磨齒試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的正確性。
　　（5）為了進(jìn)一步降低輪齒振動，提出一種考慮展成磨齒加工的高階傳動誤差齒面設(shè)計(jì)方法，通過優(yōu)化承載傳動誤差幅值最小確定其曲線及加工參數(shù)；對比斜齒輪2階、4階及高階傳動誤差齒面的承載傳動誤差表明：無修形齒輪由于重合度不變，隨載荷增加承載傳動誤差幅值不斷增加；修形后隨載荷增加，齒面間隙逐漸減小，重合度不斷

8、增加，承載傳動誤差幅值逐漸降低，當(dāng)齒面間隙完全消除后，重合度不再變化，隨載荷的增加，承載傳動誤差幅值逐漸增大；對于高重合度齒輪副，高階傳動誤差齒面更能有效降低承載傳動誤差幅值，因?yàn)槠淝€自由度較高，更有利于降低多齒對嚙合引起的重合度變化；通過修形齒面曲率分析，表明平面砂輪進(jìn)行展成磨削高階傳動誤差齒面是可行的，不存在干涉；除此之外，提出一種考慮接觸印痕的內(nèi)凹型高階傳動誤差齒面，結(jié)果充分證明其更能有效降低輪齒承載傳動誤差幅值，其內(nèi)凹程度受載