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高强度螺旋锥齿轮的设计及实验研究

张金良  
【摘要】: 本论文主要研究提高螺旋锥齿轮(包括准双曲面齿轮和弧齿锥齿轮)强度新的设计方法及其加工方法。螺旋锥齿轮由于其传动平稳、承载能力大而被广泛应用于汽车、航空、航天、工程机械、矿山机械、机床仪表等工业部门。随着现代科学技术的进步和发展,对螺旋锥齿轮的强度、噪声等提出了更高的要求,同时,又为研究螺旋锥齿轮搭建了全新的平台。因此,螺旋锥齿轮强度、噪声等方面的研究一直是齿轮研究的热点、难点,广受各国专家的关注。本论文在国家自然科学基金和航空基金的资助下,利用新的啮合理论、TCA、LTCA、有限元分析等研究提高螺旋锥齿轮强度的方法。 本论文主要研究成果及创新点如下: (1)借助于局部综合法,研究了非零变位弧齿锥齿轮的加工参数设计;利用有限元方法研究了非零变位弧齿锥齿轮的齿根应力、齿形以及齿厚的变化。数值计算和计算机仿真显示,正变位弧齿锥齿轮齿根最大拉伸应力、齿面最大接触应力均有所减小;在不改变轮坯外形尺寸和刀具参数的情况下,正变位弧齿锥齿轮与Gleason轮坯设计方法设计的齿轮相比,齿根厚度明显增加。 (2)提出了可采用HFT切齿法加工的准双曲面齿轮修正节锥设计方法——利用准双曲面齿轮的轮坯几何关系,通过修正节锥参数来提高准双曲面齿轮强度的方法。 基于局部综合法,研究了修正节锥设计方法设计的准双曲面齿轮加工参数设计方法。有限元计算及计算机仿真显示,采用修正节锥设计方法设计的准双曲面齿轮的齿面接触应力、齿根弯曲应力减小,小轮的外径、齿根弦齿厚增加。 从切齿试验和齿根弯曲应力对比试验结果看出,采用通用的HFT切齿方法和刀具可以切出修正节锥设计方法设计的准双曲面齿轮,并且弯曲应力、齿形和齿厚的变化与设计相符。 利用修正节锥设计方法,可以设计出大速比准双曲面齿轮副(小轮齿数为3,4)。(3)提出了准双曲面齿轮的非对称设计方法。在准双曲面齿轮轮坯设计中,修正正转用齿面的压力角,以增加正转时齿轮的弯曲强度,减少齿根拉伸应力。 (4)研究了准双曲面齿轮的优化设计。优化小轮刀具齿形角(认为是一连续变化量)、齿轮副在参考点啮合时瞬时接触椭圆长轴长占齿宽的比例、传动误差一阶导数值以及参考点的位置可以改善由HFT加工出的准双曲面齿轮副的啮合性态,有效地消除准双曲面齿轮副的三阶接触缺陷,实现准双曲面齿轮的质量控制。给出了准双曲面齿轮采用HFT切齿法时齿根优化、齿深控制、根切检验及齿顶干涉检验方法。 (5)对于精切加工参数由局部综合法导出的准双曲面齿轮,本文提出了小轮粗切加工参数设计方法,并通过实验验证了上述方法。 (6)大速比准双曲面齿轮的小轮轮齿根部与大轮的轮齿项部容易发生干涉,为了切除这个干涉带,切齿时常采用带有刀片突端的刀具。本文给出了突端刀具最大圆角半径的计算公式,突端刀具加工准双曲面齿轮小轮的切齿设计以及应力分析。


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