高重合度外啮合齿轮齿根弯曲应力计算方法

针对高重合度外啮合直齿圆柱齿轮副,对其齿根弯曲应力计算方法进行了研究.计算了高重合度齿轮的轮齿变形和刚度,对单个轮齿承受的载荷进行了研究,给出了高重合度齿轮齿间载荷分配率的定义和计算方法.以高重合度齿轮的双齿啮合界点作为计算载荷的加载点,给出了高重合度齿轮齿根过渡曲线30°切线位置危险截面的双齿啮合区界点的齿形系数和应力集中系数计算方法,获得了齿根危险截面弯曲应力的计算公式；采用CL 100齿轮试验机,设计了不同重合度的外啮合齿轮副,测量了其齿根的弯曲应力数值,试验结果表明:在高载荷下主动轮的齿根弯曲应力理论计算误差小于7.85%，从动轮的计算误差小于9.8%；低载荷下主动轮的齿根弯曲应力理论计算误差小于24.1%，从动轮的计算误差小于19%.      

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。     

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。     

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.      

非牛顿大滑滚比工况的斜齿轮热摩擦特性分析

考虑啮合过程中接触线长度及齿面载荷的时变性,结合沿接触线方向综合曲率半径及卷吸速度的瞬态特点,建立满足航空传动润滑剂非牛顿流体及大滑滚比工况的有限长线接触斜齿轮热弹流润滑(TEHL)模型。采用多重网格法及逐列扫描法,获得适用于宽泛工况范围的斜齿轮热弹流润滑完全数值解;分析非牛顿及大滑滚比情形下的斜齿轮传动热摩擦特性。结果表明:斜齿轮端部存在明显压力及温度尖峰,且离入口愈近膜厚会略减小;非牛顿特性对温度场影响显著,且接触线过节点时温度分布呈“V”型分布;摩擦因数沿啮合线方向在节点处接近于0且向两侧逐渐增大,同时随滑滚比的增大而增大。      

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。     

基于曲率修正的弧齿锥齿轮齿面设计

针对弧齿锥齿轮小轮齿面复杂,加工参数调整计算繁琐,根据小轮切齿加工数学模型,构建与小轮齿面具有相对传动关系的共轭大轮齿面。以完全共轭大轮为基准面,提出一种大轮差齿面曲率修正构建方法。对差齿面和完全共轭齿面叠加后得到的大轮目标齿面进行离散齿面接触分析,结果显示,采用临界干涉法可有效判断啮合状态,真实获得离散齿面的啮合印痕和传动误差曲线。弧齿锥齿轮的滚检试验结果表明,利用齿面曲率修正的方法对完全共轭大轮进行Ease-off二阶修形设计,得到的接触区位置和啮合迹线方向符合满足预定的传动性能。设计的目标齿面可以作为弧齿锥齿轮大轮精密锻造的标准齿面,避免了小轮齿面加工参数的二次调整计算。     

承载传动误差最小的高重合度弧齿锥齿轮波动齿面设计

为改善航空弧齿锥齿轮的承载啮合性能,结合ease-off技术提出一种波动齿面设计方法以降低高重合度弧齿锥齿轮的承载传动误差。鉴于中凹型修形曲线（修形齿面的几何传动误差曲线）可极大地减小高重合度弧齿锥齿轮传动的承载传动误差波动幅值,创建一种与高重合度相适应的波动齿面修形模型;结合ease-off技术建立以降低承载传动误差波动幅值为目标的优化模型;通过优化得到具有良好啮合性能的高重合度弧齿锥齿轮。分析发现:优化后2阶传动误差设计弧齿锥齿轮传动的承载传动误差波动幅值降低了34.152%,而由波动齿面设计方法所得改进修形弧齿锥齿轮的承载传动误差进一步降低了61.492%,有效地改善了高重合度弧齿锥齿轮传动性能,为高性能弧齿锥齿轮齿面设计奠定理论基础。      

螺旋锥齿轮啮合刚度及参数振动稳定性研究

准确计算时变啮合刚度是齿轮系统动力学研究的基础.针对航空高速重载螺旋锥齿轮,基于轮齿接触分析(TCA)和轮齿加载接触分析(LTCA)通过计算瞬时接触点的轮齿变形柔度建立了时变啮合刚度数值模型;将齿轮时变啮合刚度在一个啮合周期内视为逐段线性,基于Floquet理论推导了含时变刚度参数振动系统的状态转换矩阵解析式;通过修正小轮机床调整参数设计三种接触情况,分析了算例齿轮在相同载荷工况下的接触轨迹、传动误差、重合度和时变啮合刚度;采用二自由度齿轮系统动力学模型考察工作转速范围内的周期运动不稳定区间,分析了时变啮合刚度对螺旋锥齿轮系统参数振动稳定性的影响.      

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.      

预置接触区长度系数的Spirac切齿调整计算方法

基于参考点处瞬时接触椭圆大体决定接触区长度的方法,提出一种切齿调整计算方法.根据奥利康刀倾半展成法(Spirac)切齿原理,建立摆线齿准双曲面齿轮的数学模型,得到了大轮齿面参考点处瞬时接触椭圆参数;在满足参考点位置、压力角和螺旋角的基础上,将刀倾角也作为迭代变量,并将接触区长度系数等于预置值作为新增的迭代条件,迭代求解切齿调整参数.最后以一对摆线齿准双曲面齿轮副为例,对比该方法与Spirac切齿调整计算结果,验证了该方法的准确性,并对不同预置接触区长度系数得到的齿面进行齿面接触分析.结果表明,该方法解决了反复调整刀倾角的问题,并通过精确控制大轮齿面接触区长度系数等于设计值,实现了对大轮齿面接触区长度的预控.     

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。      

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.      

斜齿轮齿面柔度矩阵与修形的有限元计算

提出了一套斜齿轮修形用的有限元计算程序。该程序自动生成轮齿有限元网格和齿面接触线, 计算得到接触线上结点的柔度矩阵;然后考虑支承结构与齿轮的综合变形, 由数学规划获得最佳齿面修形。计算与实验结果对比证明该程序操作简便、计算精度高, 具有工程应用价值。      

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.      

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。      

基于剃齿啮合传动特性的剃齿刀优化设计

针对剃齿齿形“中凹”误差问题,构建了剃齿啮合分析模型,研究不同重合度对剃齿啮合传动特性的影响,以此提出一种剃齿刀优化设计方法。通过剃齿试验得出不同重合度的剃齿啮合传动特性对齿形“中凹”误差的影响规律,从而验证剃齿刀优化设计方法的正确性。结果表明 :适当的增大重合度能一定程度上减小剃齿啮合传动误差和瞬时传动比的曲线幅值,但继续增大会导致曲线局部振荡,使得传动更加不平稳,形成明显的齿形“中凹”误差;不同重合度的剃齿啮合状态引起的接触变形才是影响剃齿传动性能的主要因素;剃齿啮合传动性能越好,工件齿轮形状偏差及总偏差也越小;基于剃齿啮合传动特性的剃齿刀优化设计能有效地减小齿形“中凹”误差。      

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.      

弹流润滑螺旋锥齿轮热摩擦行为分析

针对直升机主减速器中的高速重载螺旋锥齿轮,建立了点接触热弹流润滑分析数学模型,包括Reynolds方程、能量方程和膜厚方程等,采用数值方法求解弹流润滑状态下的齿面摩擦因数.模型中考虑了润滑油黏度和密度随压力、温度的变化,并通过轮齿承载接触分析(LTCA)获得齿面真实载荷和卷吸速度、相对滑动速度等运动学变量.基于真实齿面点建立了螺旋锥齿轮单齿模型,考虑滑动摩擦生热和不同表面上的热边界条件,通过有限元稳态热分析和瞬态热分析得到了轮齿本体温度场和接触点瞬时闪温,并与现有文献和算例齿轮台架试验结果进行对比.      

面齿轮副啮合性能预控方法及试验

为了提高面齿轮副的啮合性能,根据面齿轮的磨削加工过程和配对圆柱齿轮的三维拓扑修形原理,推导了面齿轮副的三维拓扑修形齿面方程,分析了5种修形因数对面齿轮副啮合性能的影响,提出了通过优化修形因数实现面齿轮副啮合性能的预控,通过试验验证了三维拓扑修形理论的正确性.研究结果表明:齿廓修形因数是主要的预控参变量,对接触区域沿齿高方向的宽度有明显影响.齿向修形抛物线因数影响接触区沿齿长方向宽度,两者取值的不同能显著影响接触迹线的倾斜程度和接触区域的形状和面积.通过齿面三维拓扑修形,能有效预控齿面的接触区域和传动误差,降低面齿轮副对安装误差的敏感性.