正交面齒輪的插齒加工仿真和磨齒原理研究

1、南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文1第一章緒論1.1論文的背景齒輪是機械傳動中應(yīng)用極為廣泛的零件之一。隨著航空航天事業(yè)的發(fā)展，航空齒輪傳動在飛行器的動力裝置中得到了廣泛應(yīng)用，占有很重要的地位。航空齒輪傳動在設(shè)計和生產(chǎn)方面與普通機械中應(yīng)用到的齒輪既有相同之處，又有很大差別。例如：航空齒輪傳動應(yīng)在保證飛行安全高可靠性的前提下，單位質(zhì)量應(yīng)盡可能輕；占用空間盡可能?。粋鬟f功率大，齒輪圓周速度高，齒面精度高，工作平穩(wěn)性好，噪聲低等。長期以來，為了提高航

2、空齒輪傳動的質(zhì)量、可靠性以及減輕齒輪傳動裝置的重量，人們做了大量的研究工作。面齒輪傳動（FaceGearDrive）技術(shù)從中脫穎而出，針對面齒輪傳動的研究也越來越多。據(jù)國外有關(guān)文獻報道，在直升機傳動系統(tǒng)中采用具有面齒輪的動力分流裝置，比傳統(tǒng)裝置的重量下降了40%，且振動小、噪聲低，具有很多優(yōu)點。在國外，面齒輪傳動技術(shù)已經(jīng)取得了實質(zhì)性的進展，針對面齒輪傳動的切齒技術(shù)和磨齒技術(shù)都已經(jīng)在最近幾年實現(xiàn)，在低功率輕載荷場合，面齒輪傳動已成功應(yīng)用于

3、銑床主軸的傳動系統(tǒng)、齒輪箱、汽車傳動系統(tǒng)中的后橋驅(qū)動和差速傳動、錐形攪拌機、機器人傳動、雷達天線傳動等等[3]。從所查的資料看，國際上所針對面齒輪傳動開展的研究內(nèi)容有：面齒輪齒面生成原理；嚙合原理和嚙合特性研究；強度的有限元分析研究；面齒輪的加工方法及加工裝備的研究；面齒輪傳動的試驗研究。南京航空航天大學(xué)在國家自然科學(xué)基金和航空科學(xué)基金的資助下已進行了面齒輪傳動的理論研究，包括：面齒輪齒面生成原理；幾何設(shè)計、嚙合原理、嚙合特性；強度的有

4、限元分析；面齒輪齒面瞬時溫升的計算機輔助分析。但是，國內(nèi)針對面齒輪加工方法、加工設(shè)備等“瓶頸”問題的研究還沒有進行，這直接影響了面齒輪傳動的推廣應(yīng)用，尤其是在高速重載等要求高的場合的應(yīng)用。因此，開展面齒輪加工方法、加工設(shè)備的研究，主要包括切齒技術(shù)和磨齒技術(shù)的研究，是非常有必要的。本文將圍繞面齒輪的加工進行研究。1.2面齒輪傳動的特點與研究現(xiàn)狀面齒輪傳動是一種圓柱齒輪與圓錐齒輪相嚙合的齒輪傳動。圖1.1是面齒輪傳動的示意圖，其中齒輪1為普

5、通的圓柱齒輪（小齒輪），齒輪2為面齒輪（圓錐齒輪），兩輪軸線相交，其夾角為γ。當(dāng)γ=90時，圓錐齒輪的輪齒將分布南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文3（2）面齒輪傳動比普通的錐齒輪傳動具有較大的重合度。據(jù)有關(guān)文獻介紹，其重合度在空載下一般可達到1.6～1.8，理論上重合度可以高達2以上，在受載時會更高。重合度大對提高承載能力和增加傳動的平穩(wěn)性是相當(dāng)重要的。（3）小齒輪為直齒圓柱齒輪時，小齒輪上無軸向力作用。這可以簡化支承，減輕重量，相應(yīng)地也就增

6、加了承載能力。這對于空間受到限制和重量要求輕的場合是極為有用的。（4）小齒輪為漸開線齒輪，根據(jù)漸開線的性質(zhì)可知，同時嚙合齒對的公法線相同，且在不同的瞬間也不改變。這對于動力傳動極為有利。（5）對于點接觸面齒輪傳動，在理論上仍然能保證定傳動比傳動。而常用的點接觸錐齒輪傳動從原理上已不能保證定傳動比傳動，其傳動比是在一定范圍內(nèi)波動的。因此相對來說面齒輪傳動的振動小、噪聲低。根據(jù)傳統(tǒng)的觀點，面齒輪傳動的缺點主要有兩方面：（1）由于加工面齒輪的

7、刀具的尺寸與實際嚙合中的圓柱齒輪相同，因此，從理論上講，加工面齒輪的刀具將是無窮多。（2）由于受根切和齒頂變尖的限制，面齒輪的齒寬不能設(shè)計得太長，從而使面齒輪的承載能力受到了限制。在較早期的文獻中對面齒輪機構(gòu)有一些簡單的幾何描述。最具有代表性的是Buckingham在1949年在其著作《Analyticalmechanicsofgears》中介紹了面齒輪傳動。他利用投影幾何的方法近似的研究了面齒輪齒形的變化特點。有關(guān)面齒輪的最新研究則出

8、現(xiàn)在美軍方與NASA聯(lián)合進行的ART（theAdvancedRotcraftTransmission）計劃中，對面齒輪傳動進行了高速重載的研究，并設(shè)計了采用面齒輪傳動的新型直升機主減速器傳動裝置的分流傳動結(jié)構(gòu)[7]，如圖1.2（a）所示，圖1.2（b）是其面齒輪傳動部分簡圖。若采用通常的螺旋錐齒輪作為傳動分流環(huán)節(jié)，則必須采用兩個螺旋錐齒輪，其支撐結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，重量也會增加，如圖1.2（c）所示。這種帶有面齒輪分流結(jié)構(gòu)的直升機主減速器，其

9、重量較傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)下降了40%，且動力分流效果好、振動小、噪聲低，取得了很好的效果。在ART項目結(jié)束后，美國DARPA（DefenseAdvancedResearchProjectsAgency）在TRP項目（TechnologyReinvestmentProgram）中繼續(xù)支持對面齒輪傳動技術(shù)的研究，其主要研究背景是把面齒輪傳動技術(shù)應(yīng)用于新一代阿帕奇（Apache）武裝直升機中，其研究內(nèi)容包括：各類面齒輪傳動的齒接觸分析（ToothCo