擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪齒面嚙合性能分析及設(shè)計技術(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，加工一對齒輪副只需要兩臺切齒機床、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，并且降低了勞動強度，減少了所需設(shè)備和刀具種類。該類齒輪副還具有傳動平穩(wěn)、噪聲小、承載能力強等一系列優(yōu)點，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，先進的擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪加工工藝以及成套的加工、測量、磨刀、調(diào)刀設(shè)備逐步被引進到國內(nèi)大型汽車企業(yè)，這類齒輪應(yīng)用越來越廣泛，人們也逐漸對其優(yōu)越性有所認識。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設(shè)計制造方面遠遠落后于歐美發(fā)達國家，可以說基本處于起步階段，這嚴重制約著自主設(shè)計制造水平的提高以及工藝改進。基于此，本文主要針對車

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)計方法兩方面進行了系統(tǒng)研究，并編制了一套完整的設(shè)計分析軟件，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)雙曲面齒輪配對齒面嚙

4、合的基本公式，提出了新的瞬時接觸橢圓計算方法，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變嚙合剛度計算方法。
　　(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。運用文中建立的齒面模型，通過定量施加擾動的方法，分析了包括刀具參數(shù)、刀盤參數(shù)、機床設(shè)置參數(shù)以及滾比修正運動參數(shù)在內(nèi)的各個加工參數(shù)對齒面拓撲的影

5、響規(guī)律，獲得了對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)劃算法對模型進行求解，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設(shè)計。基于共軛原理，以大輪理論齒面作為假想產(chǎn)形輪，在嚙合坐標(biāo)系中按照預(yù)置的轉(zhuǎn)角運動關(guān)系，展成與之線接觸并滿足預(yù)置傳動誤差曲線的小輪輔助齒面，然后對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)計階段主動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有效的途徑。
　　(4)基于測量的擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪實際齒面嚙合性能分析及主動設(shè)計?；诟呔三X輪測

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

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

9、析軟件 KIMoS5的仿真結(jié)果進行了對比分析，驗證了本文齒面建模方法、理論齒面幾何接觸分析方法、齒面主動設(shè)計方法、實際齒面嚙合仿真分析方法的有效性和可行性。
　　(5)試驗及對比分析驗證。以奧利康制Spirac法某高速車橋齒輪副為例，進行了切齒、齒面測量、滾檢試驗以及理論齒面建模、幾何接觸分析和齒面主動設(shè)計驗證，將本文仿真方法所獲得的結(jié)果與試驗結(jié)果以及克林貝格最新版螺旋錐齒輪設(shè)計分析軟件 KIMoS5的仿真結(jié)果進行了對比分析，驗證