基于传动误差设计的弧齿锥齿轮啮合分析

 提出了基于传动误差设计的弧齿锥齿轮啮合质量控制的新概念。首先分析了传动误差所反映的弧齿锥齿轮传动的动态特性、强度性能等众多信息,包括设计重合度、实际重合度、振动激励、边缘接触、载荷齿间分配和齿面印痕相对于误差的敏感性。在此基础上,提出了高重合度传动误差曲线的设计,通过齿面接触路径方向的倾斜,重合度能够高至 2.0～ 3.0,有效地改善了齿轮动态特性,提高了强度。进一步又提出了几何传动误差曲线幅值的设计,结合承载传动误差,使齿轮在不同载荷条件下既能具有高的重合度,又保证了相对低的误差敏感性。其后提出的四阶传动误差曲线的设计,除上述优点外,还改进了齿轮的轻载振动和噪声。最后论述了基于传动误差设计的弧齿锥齿轮的相应制造方法。该研究为高性能弧齿锥齿轮的开发开辟了途径。     

弧齿锥齿轮的齿距误差对传动性能的影响研究

采用齿轮啮合仿真和承载啮合仿真技术 ,对重合度达到 2 .0的航空弧齿锥齿轮的齿距误差的影响进行了研究。首先定义了航空弧齿锥齿轮相对齿距误差 ,选取了量级 ,研究了这一误差对齿轮实际重合度、传动误差、齿面载荷分布和齿间载荷分配的影响。进一步又分析了在一定齿距误差下载荷变化的影响以及固定载荷下误差变化的影响 ,为高重合度航空弧齿锥齿轮的应用提供了依据     

高重合度弧齿锥齿轮的性能分析与实验研究

从提高弧齿锥齿轮的强度和降低噪声出发,借助于TCA和LTCA等计算机仿真方法,通过增大接触路径的倾斜度,提出了高重合度弧齿锥齿轮的设计方法。这种齿轮传动误差波动小,齿面载荷分布合理,啮合性能优良。通过切齿、齿根应力测试、噪声测量等对比实验,验证了高重合度弧齿锥齿轮设计方法的可行性,证明了这种齿轮在动态性能与强度性能方面均有优越之处。      

基于承载传动误差幅值最小的斜齿轮齿面修形优化设计

为了减小振动与噪声,提出了以承载传动误差幅值最小为优化目标的修形齿面设计方法:通过两段曲线与一段直线分别设计齿廓、齿向、三维修形(齿廓与齿向修形的叠加)修形曲线,通过三次B样条拟合了相应的修形曲面,与理论齿面叠加构造了斜齿轮修形齿面,推导了其法矢,将斜齿轮修形技术与承载接触分析技术结合起来,采用遗传算法对修形曲线参数进行优化,编制了一套齿面修形优化分析程序,能对修形后的斜齿轮副进行齿面接触分析(TCA)、承载接触分析(LTCA).结果表明:无修形齿轮副的传动误差幅值随载荷增加而增大,修形后随载荷的增加重合度逐渐增大,幅值会产生波动,然后保持稳定,为斜齿轮修形齿面优化设计提供了新的方法.      

差曲面拓扑的齿轮啮合刚度计算与承载接触分析

基于齿条-齿轮等切共轭产形原理,构建齿面数值模型、ease-off差齿面,对ease-off蕴含的齿面啮合信息进行解析,获得了齿面接触路径、传动误差、接触线瀑布图;综合ease-off拓扑仿真与轮齿刚度非线性单元耦合解析,给出了修形拓扑齿面的啮合刚度、承载传动误差的计算方法。沿接触路径遍历接触线序列,获得了轮齿时变啮合刚度、承载传动误差与载荷分布图;给出了2阶抛物面对称与对角拓扑两种修形形式算例,求出了系列载荷作用下的啮合刚度、承载传动误差、齿面载荷分布。结果显示:随着载荷的增加,轮齿啮合刚度时变效应明显减弱;承载传动误差波动与啮合刚度、修形梯度密切相关;对角修形在啮合刚度、传动误差、载荷分布特性方面好于对称修形。      

航空弧齿锥齿轮承载传动误差的分析与设计

在计算时变啮合刚度的基础上,推导了承载传动误差简化计算公式,并与有限元计算方法进行了比较,表明两种计算方法得到的承载传动误差的幅值、形状及一阶频谱幅值随重合度的变化趋势基本一致.根据承载传动误差简化公式定性的分析了负载扭矩与实际重合度的关系、承载传动误差的变化规律、齿面印痕和几何传动误差对承载传动误差的影响.最后根据分析结果,提出基于承载传动误差的齿面优化设计的优化策略,优化变量为接触迹线的角度、几何传动误差的幅值,优化目标为承载传动误差在较宽的负载范围内波动最小.      

航空弧齿锥齿轮低噪声和低安装误差敏感性设计

基于局部综合原理,提出弧齿锥齿轮副的低噪声、低安装误差敏感性设计方法。介绍了基于局部综合原理的弧齿锥齿轮小轮加工参数设计的基本过程,通过预置传动比函数的1阶导数、大轮齿面参考点处接触迹线的切线方向和瞬时接触椭圆的长半轴长度和点接触局部综合公式,求得小轮的加工参数;根据得到的弧齿锥齿轮副的加工参数,进行齿面接触分析,进而获得齿面接触印痕和传动误差曲线;对某型航空弧齿锥齿轮副进行了基于局部综合法的加工参数设计,得到对称抛物线型传动误差曲线和接近于直线的啮合印痕。齿面接触印痕和传动误差曲线有利于降低弧齿锥齿轮副的啮合振动和噪声以及对安装误差的敏感性。     

弧齿锥齿轮齿面拓扑修形及加工参数计算

为了能够实现对齿面啮合性能的灵活控制，针对弧齿锥齿轮小轮提出一种齿面拓扑修形方法，即借助二阶曲面对齿面偏差拓扑的近似表达，将齿面拓扑修形分解为5个方向:螺旋角修正、压力角修正、齿长曲率修正、齿廓曲率修正及齿面挠率修正，通过改变5个方向的修形系数对小轮齿面拓扑结构进行自由控制。在此基础上，建立齿面偏差与机床加工参数之间的修正数学模型，通过构建敏感性矩阵并采用最小二乘法求解，反求出获得修形齿面的小轮加工参数，以便指导加工。以一对弧齿锥齿轮副为例进行修形啮合分析，仿真结果表明:选取齿长曲率修形系数为0.0001，齿廓曲率修形系数为0.0005，齿面挠率修形系数为0.0003，对齿面进行拓扑修形后传动误差幅值为-25.60″，接触迹线倾斜角度变为54.7°，相比原始结果啮合性能得到改善。滚检接触区与理论仿真结果一致，验证了修形方法的有效性。      

基于数控切齿的弧线齿面齿轮啮合特性研究

研究了弧线齿面齿轮的数控切齿及其啮合特性.基于假想产形齿轮的概念,同时考虑了刀具法向截面的修形,推导弧线齿面齿轮的齿面方程;以坐标变换为工具,建立其机床加工模型,确定各运动轴的多项式表达式;在此基础上,建立了考虑安装误差的弧线齿面齿轮副接触分析模型.计算结果表明:通过面齿轮的齿面修形,可以降低啮合转换点处的传动误差幅值,并获得较好的传动误差曲线.      

成形法加工的弧线齿面齿轮几何接触分析

研究了成形法加工的弧线齿面齿轮齿面接触分析及齿面修形.弧线产形齿条是由具有一定刀倾角的刀盘形成,用其推导展成加工的弧线齿圆柱齿轮和成形法加工的弧线齿面齿轮齿面方程,同时通过刀具抛物线齿廓对大轮齿面进行修形;在此基础上,建立了包括考虑安装误差在内的弧线齿面齿轮齿面接触分析(TCA)模型;最后通过算例的啮合性能分析,表明对大轮齿面修形可降低传动误差幅值和获得较好传动误差曲线,且该类传动装置对安装误差敏感性较低.      

直齿锥齿轮低安装误差敏感性设计与实验验证

未修形直齿锥齿轮啮合时为线接触,为减小两齿面啮合对安装误差敏感性,对主动轮齿面采用鼓形修形,改变刨刀运动轨迹进行齿向抛物线修形、改变瞬时滚比进行齿廓修形,从而实现两齿面点接触啮合.为进一步降低安装误差的敏感性,以齿廓、齿向修形系数为优化变量,减小接触迹线上啮合点的差曲面高斯曲率波动,同时增大参考点的差曲面高斯曲率值,降低安装误差敏感性;为避免齿面接触应力过大,控制参考点的差曲面主曲率,保证瞬时接触椭圆的长度不小于齿宽的1/3.算例分析及加工和滚检实验显示:经过优化设计后的修形齿面安装误差敏感性较低,总轴向错位量和总轴向分离量分别达到法向模数的30%,齿面印痕仍具有较好的稳定性.      

高速弧齿锥齿轮动态啮合质量优化

提出了高速弧齿锥齿轮动态质量优化的新的思路和方法,将局部综合法加工参数设计、TCA技术和LTCA技术构成闭式反馈优化设计回路,获得了工作载荷下良好的齿轮传动系统动态特性。     

基于曲面包络逼近原理的点啮合齿面整体设计方法

基于曲面活动标架理论,提出了点啮合齿面整体设计的曲面包络逼近方法:以第一齿面包络特征线为样条曲线,以第二齿面沿接触点迹线的齿面局部结构作为曲面插值条件,通过第一齿面运动不变量描述的运动变换,构造完全由第一齿面的运动不变量描述的第一齿面共轭运动空间作为第二齿面整体优化设计空间,确保齿面设计方法的可全局优化性和可加工性。根据点啮合齿面加载接触实验数据,以空载啮合时两齿面间隙作为预测和控制重载情况下的接触区形状和大小的设计目标参数,建立点啮合齿面整体优化设计的变分不等式模型。与以往点啮合齿面设计和齿面接触分析(TCA)方法相比,该齿面设计方法摆脱了以往齿面接触分析(TCA)中以特定机床加工参数作为齿面重构参数而给齿面优化设计带来的不必要的限制,能在满足预定的加载的啮合特性要求的同时,确保齿面能用盘铣刀通过多轴联动数控加工方法以展成法加工。仿真实例计算和分析表明:本齿面设计方法能形成完整的弧齿锥齿轮齿面,该齿面在满载啮合时,重合度达到2.122,传动误差幅值降低至0.063°,具有优良的加载啮合特性。      

全工序法弧齿锥齿轮加工参数计算方法

分析弧齿锥齿轮刀盘的结构特征与切齿运动特点,提出三个参考点的设置方法。以大轮采用展成法,小轮采用螺旋展成法加工的弧齿锥齿轮副为研究对象,提出了全工序法大轮加工参数的简化计算方法。总结螺旋锥齿轮的一般啮合规律,结合参考点设置方法,利用Free-Form型机床的柔性运动控制特征,建立了小轮的切齿控制优化模型,获得一组最优化的加工参数。以此计算方法开发了设计软件,基于国产全数控锥齿轮加工装备,以一对准双曲面齿轮为算例进行了网络化闭环制造,试验结果显示:齿轮副传动误差幅值达13.2″,两齿面接触区均位于齿面中部、呈内对角,验证了方法的正确性,有效解决了全工序法加工弧齿锥齿轮时双面接触特征同步调整困难的行业难题。      

弧齿锥齿轮误差敏感性优化设计

从齿面结构上提出了通过优化差曲面全曲率来改善弧齿锥齿轮的安装误差敏感性问题的方法.推导了啮合点处沿齿线方向的两啮合齿面全曲率作为敏感性系数,分析了局部综合参数和参考点位置参数对参考点处的敏感系数的影响.提出了通过优化传动比一阶导数、接触迹线方向、二阶变性系数和三阶变性系数,获得对安装误差敏感性低的小轮加工参数.算例表明:优化后的齿轮副在啮合过程中的敏感性系数控制在较小范围之内,传动误差的幅值和对称性均满足设计要求,改善了齿轮副的啮合质量.      

Design of face-hobbed spiral bevel gears with reduced maximum tooth contact pressure and transmission errors

The aim of this study is to define optimal tooth modifications, introduced by appropriately chosen head-cutter geometry and machine tool setting, to simultaneously minimize tooth contact pressure and angular displacement error of the driven gear (transmission error) of face-hobbed spiral bevel gears. As a result of these modifications, the gear pair becomes mismatched, and a point contact replaces the theoretical line contact. In the applied loaded tooth contact analysis it is assumed that the point contact under load is spreading over a surface along the whole or part of the ’’potential’’ contact line. A computer program was developed to implement the formulation provided above. By using this program the influence of tooth modifications introduced by the variation in machine tool settings and in head cutter data on load and pressure distributions, transmission errors, and fillet stresses is investigated and discussed. The correlation between the ease-off obtained by pinion tooth modifications and the corresponding tooth contact pressure distribution is investigated and the obtained results are presented.     

构造拓扑修形齿面的面齿轮传动主动设计

为了改善加工参数较少的面齿轮传动的啮合性能,提出了用给定的啮合性能对面齿轮和小齿轮齿面进行拓扑修形设计的方法.面齿轮用插齿法加工,面齿轮与插齿刀的转角关系由预设的传动误差确定,由此确定面齿轮的拓扑修形齿面.然后用接触路径的位置及其方向和接触椭圆的大小构造小齿轮的拓扑修形齿面,该齿面用共轭点接触法磨齿加工,建立了小齿轮拓扑修形齿面与加工参数之间的线性方程.结果表明:齿面接触分析(TCA)获得的传动误差、接触路径与预设的传动误差、接触路径相同,TCA仿真的椭圆长度与预设椭圆长度相差范围为0.175 2~1.16mm.