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。     

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。     

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。     

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。     

一种弧齿锥齿轮传动性能优化方法

 以期望的传动误差曲线为目标,首次提出了弧齿锥齿轮传动误差曲线优化的泛变性(GMR)方法,它是对局部综合法的一种改进。首先讨论了齿面接触印痕和传动误差曲线的计算方法,并在传统局部综合法基础上提出了泛变性局部综合法,给出了该方法的理论基础即局部综合公式和齿面接触方程,接着分析了对弧齿锥齿轮传动性能尤其是传动误差影响最大的两个加工参数即小轮切削速比和三阶变性系数的变化规律,最后对某具体航空弧齿锥齿轮副的传动误差曲线和齿面接触印痕进行了泛变性优化设计。结果表明：当小轮切削速比取0621 9且三阶变性系数取-0021 99时,轮齿接触分析(TCA)实际传动误差曲线比较对称且与期望曲线较好地吻合,而齿面接触印痕几乎没有变化,由此证明泛变性法对传动性能控制的有效性和稳定性。该研究工作对于航空齿轮传动系统具有重要的实际意义。     

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.      

弧齿锥齿轮传动误差曲线优化的半变性法

以预置的传动误差曲线为目标,提出了弧齿锥齿轮传动误差曲线优化的半变性法.以局部综合原理为基础,先初步确定小轮加工参数并进行齿面接触分析(TCA),将结果曲线与预置曲线对比后,再微调切削速比和三阶变性系数以缩小两者之间的差距.采用半变性法对某航空弧齿锥齿轮副的传动误差曲线进行了优化,研究发现:切削速比与传动误差曲线开口大小有关,三阶变性系数与传动误差曲线整体歪斜程度有关.优化后的传动误差曲线与预置曲线吻合度较好,且接触印痕满足设计要求,证明了半变性法的有效性.      

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。     

调整参数误差对齿面接触质量的影响

从齿面接触分析(Toothcontactanalysis,TCA)内含的啮合信息分析机床调整参数误差对齿面接触质量的影响,研究机床调整参数误差与螺旋锥齿轮齿面接触分析之间的关联规律.以SGM(螺旋锥齿轮,大轮展成法,小轮变性法加工)调整卡加工的弧齿锥齿轮副为研究对象,分析得到各个调整参数误差引起的齿面接触质量的变化规律.在此基础上,确定对齿面接触质量有较大影响的机床调整参数.      

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.     

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。      

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。      

弹性支承下弧齿锥齿轮齿面接触特性的理论与实验研究

航空发动机采用弹性支承后,转子弹性变形会造成主传动弧齿锥齿轮相对位置的变化,从而影响齿面接触性能。针对某型涡喷发动机转子系统,分析求解了弹性支承下齿轮安装处的变形,并将其等效地转化为齿轮副间的安装距偏差,在此基础上,完成了弧齿锥齿轮齿面接触特性分析。在转子系统模拟试验台上,对发动机主传动锥齿轮接触性能进行了实验研究。分析与实验结果同时表明支承刚度对齿面接触区和传动误差皆有很大影响。     

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.      

Design and analysis of spiral bevel gears with seventh-order function of transmission error

This paper proposes a new approach to mial function of transmission error （TE） for spiral design and implement a seventh-order polyno- bevel gears with an aim to reduce the running vibration and noise of gear drive and improve the loaded distribution of the tooth. Based on the constraint conditions of predesigned seventh-order polynomial function curve and the theory of linear algebra, the polynomial coefficients of the seventh-order polynomial function of transmission error can be obtained. By applying a method named reverse tooth contact analysis, the modified roll coefficients as well as parts of machine-tool settings for the face-milling of spiral bevel gears can be individually determined. Therefore, a predesigned seventh-order polynomial function of transmission error for spiral bevel gears can be obtained by the modified roll with high-order coef- ficients, and comparisons of the seventh-order polynomial and parabolic functions of transmission error are also performed. The achievement of spiral bevel gears with the seventh-order function of transmission error can be accomplished on a universal Cartesian-type hypoid gear generator or a numerically controlled cradle-style hypoid gear generator due to its simple generating motion of axes of the cradle and the work piece. The results of a numerical example show that the bending stresses of the tooth of seventh-order are less than those of a parabolic one, while the contact stresses remain almost eouivalent.     

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.      

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。