復(fù)雜規(guī)則曲面機(jī)械零件的熱變形理論及應(yīng)用研究.pdf

1、隨著測量手段的不斷更新和測量精度等級的提高，由溫度引起的熱誤差在測量總誤差中所占比重越來越大，對溫度引起的變形機(jī)理和控制研究越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。本文在國家自然科學(xué)基金“機(jī)械配合熱變形誤差的基礎(chǔ)理論與應(yīng)用技術(shù)研究（項目編號：50075023）”和“復(fù)雜規(guī)則機(jī)械形體熱變形誤差基礎(chǔ)理論及應(yīng)用研究（項目編號：50475069）”的支持下，同時在吸收參考國內(nèi)外熱變形理論研究成果和對簡單形體的熱變形研究的基礎(chǔ)上，對具有復(fù)雜規(guī)則曲面的漸開線齒

2、輪的熱變形及相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了系統(tǒng)深入的理論研究及大量的實驗研究，建立了齒輪的熱變形數(shù)學(xué)模型，對于齒輪的強(qiáng)度設(shè)計、精度設(shè)計、動力學(xué)分析及齒輪修形計算均具有重要意義，也是進(jìn)一步研究其它復(fù)雜規(guī)則形體熱變形的參考依據(jù)。 本文基于齒輪嚙合原理、輪齒接觸分析、摩擦學(xué)基礎(chǔ)，運(yùn)用固體物理、熱傳導(dǎo)理論、彈性理論和熱彈性理論的知識，研究漸開線圓柱齒輪在嚙合傳動時的變形機(jī)理分析、溫度場計算、熱變形建模和傳動性能的變化。本文主要完成研究內(nèi)容和創(chuàng)新性成果有

3、： 復(fù)雜機(jī)械形體由于其結(jié)構(gòu)形狀和尺寸的復(fù)雜性，使其膨脹特性與簡單機(jī)械零件的膨脹特性不同。通過對固體熱膨脹機(jī)理研究后認(rèn)為：由于在變溫過程中物體心部與表面間存在溫度差、厚截面與薄截面間存在溫度差，以及物體內(nèi)部各部分的物理性能和熱慣性不同，使復(fù)雜形體不能自由膨脹，因此，在構(gòu)件內(nèi)產(chǎn)生熱應(yīng)力，而熱應(yīng)力的作用使構(gòu)件內(nèi)產(chǎn)生附加應(yīng)變，使其內(nèi)應(yīng)力重新分布，這種熱應(yīng)力的反復(fù)作用使形體沿大尺寸方向收縮，沿小尺寸方向脹大，即力圖使構(gòu)件的棱角變圓，平面凸

4、起，從而使構(gòu)件在熱變形前后在結(jié)構(gòu)形狀上具有非相似性。實驗結(jié)果也表明這種非相似性在熱變形體中是普遍存在的。 嚙合齒輪本體溫度場的復(fù)雜性，使建立其解析解非常困難。文中以實踐為依據(jù)提出在溫度場中也存在類似應(yīng)力場的圣維南定理。并依照Blok理論，將嚙合齒輪簡化成兩個以節(jié)圓尺寸為直徑相互滾動的圓柱體，嚙合齒輪的滑動摩擦熱相當(dāng)于以穩(wěn)定的熱源沿圓柱體表面輸入、而從兩端面散熱，從而計算出簡化模型的溫度場，并用溫度場的圣維南定理對其修正，得到接近

5、實際的溫度場分布。理論計算與有限元分析結(jié)果頗為接近，具有一定的精度。 標(biāo)準(zhǔn)漸開線齒輪在溫度發(fā)生變化時，其幾何尺寸也相應(yīng)改變，使實際齒廓曲線與理論漸開線曲線不相重合，使齒輪熱變形后不具有漸開線的傳動特性，這種形狀上的非相似性即產(chǎn)生了非漸開線誤差，該誤差是產(chǎn)生齒形誤差的因素之一。文中全面分析了熱變形對齒輪輪齒特性的綜合影響，提出：對測量技術(shù)中的精密齒輪可近似認(rèn)為只存在幾何熱變形，而忽略接觸力的影響；對精密工作齒輪則需要研究接觸熱變形

6、的影響，并給出接觸熱變形的計算方法。 分析了嚙合齒輪由于輪齒的熱變形對其傳動性能的影響，并引用變位齒輪的定義，認(rèn)為熱變形時的齒輪等價為變變位系數(shù)的變位齒輪，其等價變位數(shù)不僅與環(huán)境溫度、工作溫度和設(shè)計溫度偏差有關(guān)，而且與齒輪本身的幾何參數(shù)有關(guān)。 為研究齒輪熱變形后形狀的非相似性，本文在原有設(shè)備基礎(chǔ)上，設(shè)計一套能實現(xiàn)轉(zhuǎn)動和移動的四維高精度測量裝置。為提高測量精度、減少眾多測量環(huán)節(jié)對測量結(jié)果的影響，文中提出一種測量裝置綜合誤差