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非对称渐开线齿轮传动特性及应用基础研究

李秀莲  
【摘要】:齿轮是动力机械装备的主要传动零件之一。非对称齿轮是一种为了提高轮齿的抗弯曲强度而提出的新型齿轮。该齿轮具有承载能力大、体积小、重量轻、使用寿命长等优点,开展非对称齿轮的研究,对航天、航空等场合下重载、高速齿轮的应用具有重要的理论指导和现实意义。本文采用理论分析、数值模拟和实验测试相结合的方法,以非对称渐开线齿轮为对象,研究齿面摩擦下单、双模数非对称齿轮的传动性能,探索提高非对称齿轮传动性能的新方法、新理论和新技术,主要研究工作如下: 1.阐述了非对称渐开线斜(圆锥)齿轮齿廓曲面的生成原理,推导出单、双模数非对称渐开线齿条刀具的参数方程 根据非对称齿轮的结构特点,阐述了非对称渐开线斜(圆锥)齿轮齿廓曲面的生成原理,为进一步推广非对称齿轮奠定了理论基础;为了加快单、双模数非对称齿轮的研究和应用,结合单、双模数非对称齿轮的特点,推导出单、双模数非对称渐开线齿条刀具的参数方程。 2.建立齿面摩擦下非对称渐开线齿轮齿面接触应力和齿根弯曲应力的数学模型 在考虑齿面摩擦影响的情况下,通过建立轮齿受力的数学模型,推导出单、双模数非对称渐开线齿轮齿面接触应力和齿根弯曲应力的数学模型,为提高齿面接触强度和齿根弯曲强度提供了理论依据。 3.建立齿面摩擦下非对称渐开线齿轮支座反力的数学模型 通过对轮齿受力进行分析,在引入齿间载荷分配因数的情况下,建立齿面摩擦作用下单、双模数非对称渐开线齿轮支座反力的数学模型,给出了表征齿轮支座反力波动程度的评价指标,为提高齿轮传动平稳性提供了理论参考。 4.建立非对称渐开线齿轮齿廓滑动系数的数学模型 利用啮合齿廓接触点的公法线矢量和接触点相对运动速度方向的法曲率,推导出空间啮合状态下,单、双模数非对称渐开线齿轮齿廓滑动系数的矢量计算公式;以及单、双模数非对称渐开线直齿圆柱齿轮齿廓滑动系数的简化计算公式;为揭示齿轮摩擦、磨损的机理提供了理论依据。 5.实现了非对称渐开线齿轮啮合效率的预测 在引入轮齿啮合点齿廓曲率半径的条件下,通过对轮齿的单、双齿啮合情况进行受力分析,建立任意齿间载荷分配因系数下单、双模数非对称渐开线齿轮啮合效率的数学模型,并对各种条件下齿轮啮合效率进行了预测,为非对称渐开线齿轮传动效率的确定,提供了一种快速、便捷的方法。 6.非对称渐开线齿轮传动系统的测试及实验设计 设计了非对称渐开线齿轮传动系统的测试平台,进行了齿轮传动装置噪声和振动加速度的测试,分析了对称齿轮和非对称齿轮在不同啮合状态下的动态性能。 研究表明,在非对称渐开线齿轮齿面接触应力和齿根弯曲应力的计算中不可忽视齿面摩擦的影响;非对称渐开线齿轮在轮齿强度、齿廓滑动系数、啮合效率、振动、噪声等方面的性能指标均优于对称渐开线齿轮;相对于单模数对称渐开线齿轮,双模数非对称渐开线齿轮不仅可节省材料、减轻重量、提高齿面接触强度和齿根弯曲强度,而且由于齿廓滑动系数值较小,齿面磨损也较轻。与对称渐开线齿轮相比,非对称渐开线齿轮齿面接触应力可降低28.86%,齿根弯曲应力可降低6.37%。在考虑齿面摩擦的情况下,非对称渐开线齿轮齿面接触应力将增大7.51%,齿根弯曲应力将增大7.12%。与单模数对称渐开线齿轮相比,双模数非对称渐开线齿轮齿面接触应力可降低34.74%。对于单模数非对称齿轮,增大压力角,齿顶滑动系数可降低17.42%,齿根滑动系数可降低40.28%。对于双模数非对称齿轮,增大压力角,齿顶滑动系数可降低21.81%,齿根滑动系数可降低34.75%。对称渐开线齿轮的啮合效率为97.73%,而同等条件下非对称渐开线齿轮的啮合效率为98.24%。对称渐开线齿轮的噪声为83.685.0 dB,而非对称渐开线齿轮噪声72.6—73.7 dB。对称渐开线齿轮的振动加速度峰—峰值为4.49 G—-4.29 G,而非对称渐开线齿轮的振动加速度峰—峰值为1.02G—-1.08 G。研究表明,采用非对称齿轮能显著提高齿轮的传动性能,对于高速、重载、大功率齿轮传动场合具有非常重要的意义。 本文的研究得到了国家自然科学基金资助(No.51075192)。


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