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HGT准双曲面齿轮的齿面设计及啮合特性分析

王星  
【摘要】:准双曲面齿轮具有体积小和减速比大等优点,被广泛用作汽车主减速器齿轮,成为汽车驱动桥中的关键零部件。由于汽车工业对驱动桥减速机传动精度、承载能力以及发动机变速器噪声的要求越来越严格,推动了准双曲面齿轮向高精度、低噪音方向发展。因此,为了满足工程上日益提高的要求,有必要挖掘目前常见的加工方法,或探索新的加工方法,来获得高精度准双曲面齿轮,以提高齿轮的啮合性能。目前国内绝大多数厂家采用的是格里森齿制,其常用的切齿方法有四种,分别为刀倾半展成(HFT,Hypoid Formate Tilt)、变性半展成(HFM,Hypoid Formate Modified)、刀倾全展成(HGT,Hypoid Generated Tilt)和变性全展成(HGM,Hypoid Generated Modified)。HFT加工方法,小轮采用单面刀盘刀倾法加工,这样可简化刀具规格,使操作调整相对简单,而变性法则不具备这一优点;大轮采用成形法加工,这样加工简单,成本低,因此在汽车工业中得到了广泛使用,但是该方法很难控制接触迹线为直线,不能很好地改善齿面润滑特性,导致齿轮副啮合平稳性较差。HGT加工方法,小轮同样采用单面刀盘刀倾法加工;大轮采用双面刀盘展成加工,这样齿面曲率特性好,能更好地控制齿轮的啮合性能。HFT和HGT准双曲面齿轮副中,小轮加工方法相同;而大轮加工方法不同,齿面几何结构也不同。由于准双曲面齿轮齿面几何结构非常复杂,小轮齿面需要根据大轮齿面进行配对设计。因此,本文系统地研究了HGT准双曲面齿轮的齿面设计和加工技术,并与HFT准双曲面齿轮的啮合性能进行了全面的比较。如果啮合性能更好的HGT准双曲面齿轮能够代替HFT准双曲面齿轮在汽车传动中应用,对汽车工业发展将具有重要的意义。本文结合展成法和刀倾法的优点,利用齿轮啮合理论、轮齿接触分析(TCA)和轮齿承载接触分析(LTCA)等研究提高齿轮啮合精度和强度的方法,对HGT准双曲面齿轮(HGT法加工的准双曲面齿轮)进行系统的理论和试验研究。主要研究成果和创新点如下:1)针对准双曲面齿轮的啮合性能受到加工参数的直接影响,以及传统设计方法及制造手段的落后对齿轮啮合质量的控制非常困难,提出对HGT准双曲面齿轮进行加工参数设计研究。本文根据格里森准双曲面齿轮的加工原理,结合局部综合法(Local Synthesis)、TCA和LTCA,并结合轮齿弯曲应力和接触应力等精确的强度计算方法,建立一套完整的关于HGT准双曲面齿轮研究的设计分析系统。该系统可在设计阶段通过预控齿轮的一阶和二阶接触参数,保证HGT准双曲面齿轮副的啮合质量,实现齿面的主动设计。2)通过调整参考点的位置和传动比函数的一阶导数,可有效避免齿轮副的边缘接触。在轮坯参数和局部控制参数相同的情况下,比较HGT和HFT准双曲面齿轮(HFT法加工的准双曲面齿轮)的啮合性能,实现了HGT准双曲面齿轮接触迹线为直线且接触椭圆长轴大小相近的优良齿面啮合特性,可有效改善齿面的润滑特性,提高啮合平稳性,而HFT准双曲面齿轮则很难达到这一特性,证明展成法比成形法能更好地控制齿轮副的啮合性能。3)针对机械传动在高速和高可靠性方面日益提高的要求,对HGT准双曲面齿轮进行高重合度设计。该方法可在轮坯参数不变的情况下,只需通过调整接触迹线与齿根的夹角,就可以方便快捷地得到满足一定要求的刀盘和机床的加工参数,以充分利用齿轮的齿向重合度,并对齿轮副进行轮齿接触分析和强度计算。4)齿面印痕对安装错位的敏感性已成为准双曲面齿轮齿面设计的关键。本文首先建立齿面印痕对错位量的敏感性数学模型,并计算敏感性系数,然后通过定量施加扰动的方法,对HGT准双曲面齿轮进行齿面印痕的敏感性优化设计与分析,结果发现齿面印痕对轴夹角错位量的敏感性最大,因此在齿轮副的设计和安装中应首先保证其安装精度。另外通过跟HFT准双曲面齿轮相比,发现由于接触迹线为直线,齿轮副对安装错位的敏感性有效降低了。5)针对目前对传动误差曲线从设计、加工和检验等方面都缺乏有效的控制这一局限性,以及汽车工况多变的特点,对HGT准双曲面齿轮承载传动误差进行了优化设计。本文对承载传动误差曲线幅值进行优化,研究表明优化后承载传动误差幅值降低了,达到了减振降噪的目的;并且通过分析发现齿轮副的设计重合度、几何接触传动误差曲线转换点的幅值和承载传动误差曲线幅值之间有着重要的关系和规律,该发现对齿轮副啮合特性的研究具有重要的意义。并在轮坯参数和局部控制参数相同的情况下,比较优化后HGT和HFT准双曲面齿轮的动态特性,发现同等条件下HGT准双曲面齿轮的振动特性好于HFT准双曲面齿轮。6)在上述理论研究的基础上,以某微型车驱动桥的一对主减速器准双曲面齿轮副为对象进行试验验证。对齿轮副分别采用HGT和HFT方法进行加工并进行滚检试验,考虑到实际加工过程中可能存在的误差和变形因素,试验结果与理论仿真分析结果基本一致,验证了加工参数设计的合理性和啮合性能分析的正确性;同时,对齿轮副进行振动测试,通过比较发现HGT准双曲面齿轮的振动特性好于HFT准双曲面齿轮。本文的研究设计方法和结论适用于所有HGT准双曲面齿轮,对于提高准双曲面齿轮的设计和制造水平,以及推动HGT准双曲面齿轮在工业中的应用具有积极的意义;对促进国家汽车工业发展,提高自主品牌汽车竞争力具有重要的理论和现实意义。


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