擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪齒面嚙合性能分析及設(shè)計(jì)技術(shù)研究.pdf

1、長幅外擺線等高齒(簡稱擺線齒)準(zhǔn)雙曲面齒輪采用連續(xù)分度的端面滾齒法加工，加工一對(duì)齒輪副只需要兩臺(tái)切齒機(jī)床、兩把刀以及兩次裝卸，與圓弧漸縮齒準(zhǔn)雙曲面齒輪的單分度端面銑齒法相比，生產(chǎn)效率得到極大提高，并且降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了所需設(shè)備和刀具種類。該類齒輪副還具有傳動(dòng)平穩(wěn)、噪聲小、承載能力強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此特別適用于大批量生產(chǎn)的汽車行業(yè)。在歐美廣泛應(yīng)用于各類輕重型卡車以及SUV等的車橋齒輪傳動(dòng)中。
　　隨著我國汽車工業(yè)的高速發(fā)展以及與

2、歐美日韓汽車企業(yè)的合作日益密切，先進(jìn)的擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪加工工藝以及成套的加工、測(cè)量、磨刀、調(diào)刀設(shè)備逐步被引進(jìn)到國內(nèi)大型汽車企業(yè)，這類齒輪應(yīng)用越來越廣泛，人們也逐漸對(duì)其優(yōu)越性有所認(rèn)識(shí)。但是，由于歷史原因，國內(nèi)長期專注于圓弧漸縮齒，忽視了對(duì)擺線等高齒的研究，并且由于國外企業(yè)的技術(shù)封鎖，使得我國在擺線等高齒的先進(jìn)設(shè)計(jì)制造方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于歐美發(fā)達(dá)國家，可以說基本處于起步階段，這嚴(yán)重制約著自主設(shè)計(jì)制造水平的提高以及工藝改進(jìn)?；诖?，本文主要針對(duì)車

3、橋用奧利康制擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪，從齒面嚙合性能分析和齒面設(shè)計(jì)方法兩方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并編制了一套完整的設(shè)計(jì)分析軟件，本文主要研究成果如下：
　　(1)擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪齒面建模以及接觸分析。計(jì)算了擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪齒坯幾何參數(shù)和切齒加工參數(shù)，建立了適用于克林貝格制和奧利康制的齒面加工仿真方法，考慮刀刃圓弧和刀尖圓弧，建立了包括工作齒面以及齒根過渡曲面在內(nèi)的完整齒面模型。基于微分幾何以及嚙合原理，推導(dǎo)了擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪配對(duì)齒面嚙

4、合的基本公式，提出了新的瞬時(shí)接觸橢圓計(jì)算方法，并給出了邊緣接觸的幾何分析方法。結(jié)合齒輪幾何分析和力學(xué)分析，建立了擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪輪齒承載接觸分析模型，在此基礎(chǔ)上分析了接觸應(yīng)力和彎曲應(yīng)力過程并提出了一種新的齒輪副時(shí)變嚙合剛度計(jì)算方法。
　　(2)擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪齒面誤差敏感性分析及預(yù)修正。運(yùn)用文中建立的齒面模型，通過定量施加擾動(dòng)的方法，分析了包括刀具參數(shù)、刀盤參數(shù)、機(jī)床設(shè)置參數(shù)以及滾比修正運(yùn)動(dòng)參數(shù)在內(nèi)的各個(gè)加工參數(shù)對(duì)齒面拓?fù)涞挠?/p>

5、響規(guī)律，獲得了對(duì)齒面誤差影響較大的加工參數(shù)組合。建立了擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪齒面誤差預(yù)修正優(yōu)化模型，并采用序列二次規(guī)劃算法對(duì)模型進(jìn)行求解，得到各加工參數(shù)調(diào)整量。
　　(3)擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪齒面主動(dòng)設(shè)計(jì)?；诠曹椩恚源筝喞碚擙X面作為假想產(chǎn)形輪，在嚙合坐標(biāo)系中按照預(yù)置的轉(zhuǎn)角運(yùn)動(dòng)關(guān)系，展成與之線接觸并滿足預(yù)置傳動(dòng)誤差曲線的小輪輔助齒面，然后對(duì)小輪輔助齒面沿各嚙合線方向按照預(yù)置的接觸印痕所確定的三段拋物線修形曲線進(jìn)行修形，獲得了滿足預(yù)置

6、嚙合性能的小輪目標(biāo)齒面。建立了以小輪齒面與目標(biāo)齒面法向誤差平方和最小為目標(biāo)的優(yōu)化模型，并引入權(quán)重系數(shù)來控制雙面法加工的兩側(cè)齒面的逼近程度，從而可以選擇性地保證某側(cè)齒面的嚙合性能。最后運(yùn)用序列二次規(guī)劃算法求解該模型，得到了小輪加工參數(shù)調(diào)整量。該方法基于理論齒面，為設(shè)計(jì)階段主動(dòng)控制雙面法加工的擺線齒及其他齒輪兩側(cè)齒面的嚙合性能提供了一個(gè)有效的途徑。
　　(4)基于測(cè)量的擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪實(shí)際齒面嚙合性能分析及主動(dòng)設(shè)計(jì)?；诟呔三X輪測(cè)

7、量中心測(cè)得的齒面離散坐標(biāo)點(diǎn)，研究了實(shí)際齒面擬合的原理和方法。提取擬合齒面的型值點(diǎn)，通過控制頂點(diǎn)和權(quán)因子求解，獲得了實(shí)測(cè)齒面的擬合齒面及其參數(shù)化表示，并驗(yàn)證了曲面擬合的精度。建立并求解了實(shí)際齒面嚙合仿真分析數(shù)學(xué)模型。與傳統(tǒng)的滾動(dòng)檢測(cè)相比，實(shí)際齒面嚙合仿真分析在獲得齒面接觸印痕的同時(shí)還可以獲得傳動(dòng)誤差曲線，比較全面地反映了實(shí)際齒面的嚙合信息，并且避免了以實(shí)際齒面的滾檢印痕來驗(yàn)證理論齒面的仿真結(jié)果會(huì)出現(xiàn)的評(píng)價(jià)基準(zhǔn)不一致的問題。提出了應(yīng)用于試制

8、階段的、基于實(shí)際齒面的擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪齒面主動(dòng)設(shè)計(jì)方法，綜合考慮了大、小輪齒面由于機(jī)加工誤差和熱處理變形所導(dǎo)致的偏差，只需要對(duì)小輪齒面進(jìn)行一次修正便可以獲得預(yù)期的嚙合性能，這對(duì)于縮短試制周期是十分有利的。
　　(5)試驗(yàn)及對(duì)比分析驗(yàn)證。以奧利康制Spirac法某高速車橋齒輪副為例，進(jìn)行了切齒、齒面測(cè)量、滾檢試驗(yàn)以及理論齒面建模、幾何接觸分析和齒面主動(dòng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證，將本文仿真方法所獲得的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果以及克林貝格最新版螺旋錐齒輪設(shè)計(jì)分

9、析軟件 KIMoS5的仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，驗(yàn)證了本文齒面建模方法、理論齒面幾何接觸分析方法、齒面主動(dòng)設(shè)計(jì)方法、實(shí)際齒面嚙合仿真分析方法的有效性和可行性。
　　(5)試驗(yàn)及對(duì)比分析驗(yàn)證。以奧利康制Spirac法某高速車橋齒輪副為例，進(jìn)行了切齒、齒面測(cè)量、滾檢試驗(yàn)以及理論齒面建模、幾何接觸分析和齒面主動(dòng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證，將本文仿真方法所獲得的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果以及克林貝格最新版螺旋錐齒輪設(shè)計(jì)分析軟件 KIMoS5的仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，驗(yàn)證