第3代新型低碳高合金钢弧齿锥齿轮失效分析

在中央传动调试试验中发生主动弧齿锥齿轮轮齿断裂故障,并连带其他部件产生不同程度损伤。主动弧齿锥齿轮整个圆周的接触印痕偏向小端一侧、靠近齿底,从动弧齿锥齿轮接触印痕分布在小端齿顶部位,印痕已不完整、局部超出工作面。为了排除15Cr₁₄Co₁₂Mo₅Ni₂钢弧齿锥齿轮试验中发生的断裂故障,对齿轮进行宏观检查、断口分析、组织检查、硬度测试、成分分析、啮合印痕仿真分析与验证,确定了故障齿轮断裂的性质和产生原因。结果表明：主动弧齿锥齿轮为高周疲劳断裂,疲劳起源于小端面与齿凸面根部转接棱角部位,与材质与冶金缺陷无关;在工作过程中存在异常咬合是导致该齿轮产生早期疲劳开裂的主要原因。建议优化齿面加工参数,提高齿轮工作过程中的咬合质量,从而避免此类故障再次发生。     

基于数值的弧齿锥齿轮齿面啮合点位置分析的拟赫兹法

在已知弧齿锥齿轮齿面网格的条件下,分析了单齿啮合时弧齿锥齿轮齿面弹性变形对轮齿啮合点位置的影响。为此,首先形成一整套刚性齿面啮合点的数值计算方法;然后,采用赫兹接触理论计算齿面弹性变形,确定齿轮轮齿的微小转动及由此引起的啮合点位置的变动。将齿轮因齿面变形而产生微小转角,继而进行齿面啮合分析的过程定义为拟赫兹接触分析。结果表明,齿面弹性变形引起的齿轮轮齿的微小转动对啮合点的最终位置有一定的影响。      

弧齿锥齿轮高精度离散数值齿面啮合分析

基于弧齿锥齿轮齿面3坐标测量网格点数据,采用齿面间距计算的局部坐标法、齿面最小间距计算的流水法、齿面最小间距调整的无约束优化法和高精度齿面逐级加密等离散数值齿面啮合分析技术,得到了离散数值齿面的啮合印痕和传动误差曲线.以发动机传动系统中的1对弧齿锥齿轮为例,验证了数值计算技术的可行性.结果表明:测量齿面数据隅于轮齿范围之内,该技术也可用于检测弧齿锥齿轮加工质量,并为真实齿面加工参数反求和重构提供输入数据.     

以啮合性能为判据的弧齿锥齿轮加工方式评价

以设计要求的齿面接触印痕和传动误差曲线为目标,探讨采用展成法加工弧齿锥齿轮小轮时变性与否的问题。为此,给出了小轮加工参数形成过程中变性法与不变性法的数学特征,基于局部综合法得到了与这两种加工方式相对应的加工参数及齿面模型,在此基础上经轮齿接触分析得到了啮合性能即齿面接触印痕和传动误差曲线,将其与设计要求相对比,以评价加工方式的合理性。对某航空弧齿锥齿轮的啮合过程进行了数值仿真,结果表明不变性法比变性法得到了更好的啮合性能。     

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。     

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。     

弧齿锥齿轮切齿和啮合过程的数字仿真

针对弧齿锥齿轮的切齿和啮合过程,建立了用数字仿真技术研究锥齿轮齿面形成和轮齿啮合过程的方法。在该方法中,将齿面切制时的线共轭条件转化为约束极值问题,据此获得被切齿面的数值模型;将轮齿啮合时的点共轭条件转化为在两齿面上求距离最近的点,并借助齿面数值模型,获得接触印痕和传动误差。用本文方法进行了某航空弧齿锥齿轮的切齿和啮合过程的数字仿真。      

安装误差对航空弧齿锥齿轮传动误差曲线的影响分析

传动误差曲线是评价弧齿锥齿轮副动态特性与啮合性能的重要指标,而安装误差又对动态特性与啮合性能产生直接影响。为此,分析了传动误差曲线对各类型安装误差变动的敏感性。依据局部综合法设计得到了齿轮副加工参数,形成弧齿锥齿轮副齿面。计入系统安装误差,通过对轮齿接触分析,得到了传动误差曲线与齿面接触印痕。定量分析了在不同安装误差条件下,传动误差曲线的变化情况,并对航空附件传动系统中的1对弧齿锥齿轮进行了传动误差曲线对安装误差的敏感性分析。结果表明:传动误差曲线对小轮安装距误差更为敏感。     

弧齿锥齿轮低敏感性修形

为了改善航空弧齿锥齿轮的啮合稳定性,提出了齿面低敏感性修形.基于齿面误差和误差敏感性矩阵,建立齿面误差修正模型,用广义逆矩阵的最小二乘法求解超越方程组,获得机床调整参数的修正量;对齿面进行3段抛物线修形,将修形后的齿面作为目标齿面,采用齿面误差修正的方法求得相应的机床调整 参数;仿真算例表明:经过低敏感性修形,降低了齿面印痕的误差敏感性、提高了齿轮副的容差范围,但齿根弯曲强度下降了4.28%.因此,通过合理选择齿面修形系数,可降低齿根强度的变化,改善齿轮副啮合稳定性.      

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。      

非零变位弧齿锥齿轮的切齿设计与分析

借助于局部综合法,研究了非零变位弧齿锥齿轮的切齿设计。通过变位系数的选择,改善了齿面结构,提高了弧齿锥齿轮的承载能力;由局部综合法,利用二阶接触参数的可预控性,从而优化弧齿锥齿轮的啮合性能。从分圆型变位齿轮与Gleason轮坯计算所得齿轮之间的比较可以看出,由于节锥不变,轮坯外形尺寸不变,通过变位,齿根厚度增加,且在相同的大轮负荷力矩下,变位齿轮的最大拉伸应力、最大压缩应力和最大接触应力明显降低。      

基于能量等效的直齿锥齿轮时变啮合刚度计算

针对直齿圆锥齿轮啮合刚度的计算问题,从微元思想出发,将变截面齿廓划分为若干等截面微段齿段,基于能量等效建立微段齿段啮合刚度计算模型,并利用积分方法获得单齿啮合刚度。此外,基于力平衡和变形协调条件进一步提出了齿轮时变啮合刚度计算模型,同时根据几何关系导出了相应传动误差计算式。利用有限元分析对解析计算模型进行了验证,并分析了误差来源。结果表明:利用该模型不仅能够将直齿锥齿轮啮合刚度计算精度保证在2%以内,还达到了快速求解的目的。      

盘形锥齿轮振动特性和故障分析

本文用试验和分析方法研究了A、B两种盘形锥齿轮在旋转条件下正常啮合时的振动特性和几种因素对振动特性的影响,并对A型齿轮断块故障作了分析,可供排除此类齿轮成块断裂故障参考。     

弧齿锥齿轮波动共振条件分析

应用弹性理论和波动理论, 推出旋转盘形弧齿锥齿轮波动响应的模态解, 重点讨论了啮合力F对齿轮波动共振的影响。给出了弧齿锥齿轮波动共振的条件。      

弧齿锥齿轮齿面曲率干涉判断方法与实验验证

提出一种基于齿面拓扑结构的齿面曲率干涉判断方法,通过构造两齿面拓扑偏差判断齿面曲率干涉.这种方法不仅可以直观地判断是否发生齿面曲率干涉,而且可以对其实际啮合位置进行预判.对一对弧齿锥齿轮齿面曲率干涉进行了计算,分析结果显示小轮工作面大端、小端和齿顶曲率干涉,齿面印痕应位于大端和小端,小轮非工作面齿顶曲率干涉.在数控铣齿机加工该弧齿锥齿轮副并检测齿面印痕,工作面齿面印痕位于小轮大端和小端,非工作面小轮齿顶出现了齿顶接触的现象,检测结果与该方法预判结果一致.      

盘形铣刀加工等基圆锥齿轮的原理及齿面求解

为了实现等基圆锥齿轮的高速、高效加工,基于等基圆锥齿轮理论,分析了盘形铣刀加工等基圆锥齿轮的可行性,建立了盘形铣刀数学模型、盘形铣刀加工坐标系,分析并确立了各坐标系间的转换关系.通过刀具曲面与齿面在共轭接触点处啮合方程的建立及求解,得到了盘形铣刀加工的等基圆齿面表达式.对盘形铣刀加工理论下的等基圆锥齿轮齿面与理论等基圆齿面进行了分析比较,进行了盘形铣刀的仿真加工.结果表明:通过盘形铣刀截形、盘形铣刀加工运动中的回转角度、倾斜角度及倾斜中心点的合理设计,盘形铣刀加工而成的实际齿面与理论齿面的接近程度达到工程要求,使用盘形铣刀可以加工等基圆锥齿轮.      

螺旋锥齿轮边缘接触分析

边缘接触是一种轮齿齿顶边缘传递运动的现象。这时,接触区在齿根或齿顶处产生一条硬印。常规的齿面接触分析（TCA）结果是一组间断的误差曲线和不完整的接触区,未能反映一个完整的接触过程。本文提出了描述边缘接触这一现象的具体方法。可得到完整的传动误差曲线和接触区图,为进一步的边缘接触振动分析打下了基础。      

复杂激励下涡轴发动机中央从动锥齿轮故障机理

针对某小型涡轴发动机燃气发生器转子前端中央从动锥齿轮发生的疲劳断裂故障,同时考虑了齿面高频啮合激励作用和转子-从动锥齿轮耦合振动带来的影响,研究了从动锥齿轮的振动响应特征。结果表明:齿面啮合激励会激起从动锥齿轮5节径振型,同时,转子-从动锥齿轮耦合振动会对锥齿轮产生转子转速2倍频(2×)激励,并激起锥齿轮的俯仰模态振型,除此之外,齿面附加约束作用改变了该振型下的振动应力分布、使疲劳裂纹沿径向扩展,与故障现象相符,证明了该故障机理分析的正确性。