一种考虑齿轮副连续啮合过程的接触有限元动力学分析方法

在系统分析齿轮副连续啮合过程不同典型啮合状态特点的基础上,提出了一种可以考虑齿轮副连续啮合过程中啮合齿对变化,受载弹性变形以及滑动摩擦等影响因素的接触有限元分析方法.利用该方法对三种考虑不同因素的齿轮副模型进行了对比分析,并得到了各种因素对齿轮副连续啮合过程动态传递误差及动态接触力特性的影响.研究表明:该方法可以真实模拟齿轮副连续啮合过程中单、双齿对啮合及其交替啮合状态的动力学特性,包括滑动摩擦引起的节点冲击,受载弹性变形引起的啮入、啮出冲击以及时变刚度等激励特性;并可以得到啮入、啮出冲击的大小及作用时间,以及滑动摩擦和齿廓修形对动态啮合特性的影响;动态啮合特性分析结果与齿轮副连续啮合状态的特征完全吻合.      

齿距啮合偏差对准双曲面齿轮传动误差的影响

由齿轮机构的总体传动误差概念引申出含有齿距啮合偏差的单齿传动误差,并根据齿面的几何关系,给出齿距啮合偏差对单齿传动误差曲线影响的偏移式;然后,在Y9550型滚动检验机的基础上搭建传动误差检测平台并进行测量试验,得到准双曲面齿轮副两种传动误差的测量结果;最后,利用JD45+型齿轮测量机所测的齿距偏差数据对理论传动误差曲线进行修正,进而分析了轮齿的啮合状态.通过对理论与实际传动误差曲线的对比,验证了齿距啮合偏差对传动误差的影响方式.试验结果表明:在轻载条件下,实际单齿传动误差可近似由理论设计曲线和齿距啮合偏差组成的综合仿真曲线来替代,从而为进一步研究实际工况下齿轮传动的运动精度和工作平稳性奠定了基础.      

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。      

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。      

采用碟形砂轮的面齿轮磨齿方法理论分析

为了制造出高精度硬齿面面齿轮和获得抛物线传动误差并提高传动稳定性,提出一种采用碟形砂轮加工面齿轮的磨齿方法.分析了碟形砂轮磨削面齿轮的展成原理和碟形砂轮的运动,根据展成原理推导了碟形砂轮的齿面方程,使用渐开线失配的碟形砂轮和改变砂轮的运动,推导出双向修形面齿轮的齿面方程.建立了双向修形面齿轮和常规渐开线小齿轮啮合的齿面接触分析模型,齿面计算和齿面接触分析实例表明,采用碟形砂轮加工双向修形面齿轮的磨齿方法是可行的,获得了面齿轮抛物线传动误差,避免了边缘接触并提高了传动的稳定性.      

Ease-off拓扑修形斜齿轮齿面黏着磨损计算方法

从ease-off差曲面拓扑修形出发，对变位斜齿轮啮合参数进行了解析，获得了齿面接触、运动与力学参数；应用离散接触线有限元，拟赫兹点接触仿真，解决了齿面边缘接触应力集中的求解问题；利用经典摩擦磨损计算模型，快捷求解了齿面瞬时接触线上的动态磨损系数，获得了两齿面磨损量三维分布云图。结果表明：主动轮齿根处磨损量远超齿顶处，从动轮齿顶处磨损略大于齿根处;主动轮啮入区磨损变化剧烈，啮出区磨损均匀，从动轮啮入区与啮出区磨损量无明显差异；抛物线修形，使齿面的磨损向齿宽中部集中，有利于改善齿面的磨损分布。选用合适的变位系数、修形量能够调整齿面的磨损分布，延长齿面的精度寿命。为变位、修形多变量耦合斜齿轮磨损计算、减摩设计提供了理论方法。     

齿轮轮齿接触分析的分解算法

提出了齿轮轮齿接触分析算法——分解算法。传统的轮齿接触分析方法求啮合点时需要求解含5个非线性方程的方程组，求解性差；齿面接触和边缘接触的数学模型不同，需要分别进行求解，求解过程复杂。轮齿接触分析算法——分解算法，提出了瞬时共轭啮合线的概念，可有效分离传动误差，得到啮合点、瞬时接触线，求啮合点时非线性方程的个数由5个减少为2个。分解算法建立的数学模型也适用于边缘接触分析，算法简单、有效、适应性强。以一对弧齿锥齿轮为例, 对比分析了传统方法和分解算法, 结果表明: 齿面部分的印痕是一致的，传动误差幅值相差0.3″；边缘接触部分的印痕存在少许差异。      

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.      

基于传动性能和垂直轮位的弧齿锥齿轮齿面设计

根据齿面印痕的位置、方向及传动误差幅值的要求,在齿面上设计三个啮合点,通过对这三个啮合点的控制,达到对齿面啮合质量的全程控制.为了满足不同的加工要求,在此基础上,按照给定的垂直轮位的值对小轮加工参数进行再设计,保证传动误差的幅值不变且接触迹线仅有较小的改变.最后分别用该方法和美国Gleason公司的软件设计一对齿轮,并进行齿面印痕、传动误差和齿面对比,两种设计是基本一致的.      

螺旋双曲面齿轮修形及啮合特性

为了改善螺旋双曲面齿轮啮合特性,对小轮齿面进行修形设计.用抛物线齿廓的产形齿条展成修形插齿刀齿面,模拟插齿刀和被加工齿轮的啮合运动关系,建立齿轮齿面的数学模型;根据两齿面在啮合过程中连续相切条件,建立了考虑安装误差的轮齿接触分析(TCA)模型;齿轮副的啮合仿真结果表明,刀具齿廓抛物线修形可以获得中凸的抛物线传动误差,调整修形参数可改变传动误差幅值和对称性;轴交角的变化影响齿轮副的重合度、接触椭圆、安装误差敏感性.      

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%.      

基于载荷当量安装误差的面齿轮振动特性

以面齿轮传动系统为研究对象,考虑载荷作用下面齿轮传动系统中支撑结构变形和轮齿弹性变形,通过将传动系统变形等效到面齿轮和直齿轮安装误差方向,建立包含当量安装误差的面齿轮多自由度耦合振动分析模型;采用4阶Runge-Kutta法求解了面齿轮传动系统运动微分方程,得到了当量安装误差对面齿轮振动加速度和法向动态啮合力的影响;开展了面齿轮动态特性测试试验,试验结果表明:偏置距误差和轴交角误差引起的面齿轮沿x方向振动加速度大于沿z方向振动加速度;偏置距误差对面齿轮x方向振动加速度的影响大于轴交角误差。      

弧齿锥齿轮激励研齿的动态研磨分析与试验

建立了包含齿侧间隙、传动误差和时变啮合刚度等因素的10自由度弧齿锥齿轮研齿系统的动力学模型,针对普通研齿的不足之处,提出了激励研齿加工方法,对普通研齿和激励研齿动态位移响应和动态研磨力进行了对比分析,结果表明激励研齿方法使工作齿面和非工作齿面同时得到研磨,增加了研齿时的动态研磨力.超声激励下的弧齿锥齿轮研齿试验表明激励研齿方法能提高研齿的效率,提高齿形精度,改善齿面质量和轮齿啮合特性.      

基于确定接触迹线的点接触齿轮副构建及实验

提出一种点接触齿轮副,在已知齿面上根据设计需要确定接触迹线,推导其共轭曲线,将齿廓曲线沿共轭曲线扫掠后形成轮齿齿面,构建与已知齿轮正确啮合的配对齿轮,并推导该齿轮副的滑动系数计算方法;以渐开线内齿轮为已知齿轮,设计以抛物线齿面作为轮齿齿面的配对齿轮,进行齿轮样机制造和效率实验研究。结果表明,该齿轮副在啮合过程中时刻保持点接触状态,啮合点沿着理论接触迹线移动,与理论分析一致;滑动系数的大小取决于齿轮两端选取啮入点和啮出点所对应的渐开线参数值范围;实验后齿轮副实际接触迹线与理论接触迹线一致,且效率稳定在97.2%~98.5%。      

直升机主减速器变形对传动性能的影响分析

综合考虑了直升机主减速器机匣、轴系及轴承的支撑变形,计算了在实际工况下弧齿锥齿轮副的当量错位量。利用ANSYS软件对机匣进行静力分析,通过最小二乘优化方法得到了加载条件下输入轴和输出轴的轴线方程;对齿轮副进行受力分析,采用一维有限元方法计算了轴系及轴承各节点处的位移;将两组变形量叠加求出了当量错位量。建立了考虑错位量的轮齿接触分析(TCA)模型,根据错位量对齿面进行再设计,获得了优化后的小轮加工参数。结果表明:在变形形成当量错位条件下,齿面受载时,优化后的齿轮副齿面印痕会靠近齿面中心,改善了齿轮副的啮合质量。     

节点外啮合齿轮胶合承载能力中平均摩擦因数的计算方法

分析了现有胶合承载能力计算中平均摩擦因数计算方法的不足之处,根据节点外啮合齿轮传动的啮合特点,以相关标准中渐开线圆柱齿轮的计算公式为基础,提出了一种更为合理且精度较高的平均摩擦因数计算方法,以满足节点外啮合齿轮胶合承载能力计算的需要.通过对内、外啮合副节点前啮合和节点后啮合实例的计算,得出除外啮合节点前啮合以外,利用标准计算得到的平均摩擦因数的误差都超过18.5%,而改进计算方法所得的误差都在6.5%之内,证实了这种改进的平均摩擦因数计算方法具有更高的精度,而且这一计算方法也适用于标准齿轮传动.      

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.      

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。