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高重合度弧齿锥齿轮的设计理论及实验研究

邓效忠  
【摘要】: 弧齿锥齿轮在相交轴传动中,由于传动平稳、强度高而被广泛应用于交通运输、机床、直升飞机、矿山机械、工程机械等工业产品。随着机械制造业的发展和国际市场竞争的日益剧烈,对机械传动的重要基础件——弧齿锥齿轮的强度和噪声要求愈来高,弧齿锥齿轮的振动、噪声、动强度等,一直引起各国有关专家的广泛关注,成为齿轮生产中的关键技术和制高点。众所周知,齿轮的重合度与齿轮传动误差、接触印痕与载荷分配密切相关,进而影响到齿轮啮合的平稳性、噪声、动刚度与动强度等。本文从提高弧齿锥齿轮的重合度出发,以最新的啮合理论研究成果为基础,利用TCA、LTCA等计算机仿真方法和试验测试手段,对具有良好动态性能和强度性能的高重合度弧齿锥齿轮的设计与制造理论及方法进行了深入的研究。 论文的主要研究成果及创新点如下: 1) 齿面几何设计方面突破传统的齿面接触路径垂直于根锥的观念,利用齿面产成自由度,增大啮合迹线的倾斜角度,使用通用机床和刀具,成功地设计和加工了具有高重合度的弧齿锥齿轮。 2) 提出了基于传动误差的弧齿锥齿轮设计方法,深入分析了传动误差与齿轮啮合性能的内在关系及其反映的丰富的信息,并进一步研究了各类加工、安装误差和载荷变化对高重合度弧齿锥齿轮啮合性能的影响,提出了对于高重合度弧齿锥齿轮降低误差敏感性、保证实际重合度的设计途径和方法。 3) 提出了弧齿锥齿轮传动中边缘接触中的集合分析与力学分析方法。首先以一种简单实用的轮齿边缘切矢量的数学表示方法取代了经典的微分表达式,大大简化了几何边缘接触的求解,使复杂曲面的几何边缘接触分析得以实现;其次又采用数值搜索与数学规划法求解了边缘接触的主方向和承载接触问题,为高重合度弧齿锥齿轮承载啮合全过程的数值仿真提供了完整的方法。 4) 结合加工参数设计的局部综合法、几何接触分析(TCA)、承载接触分析(LTCA)及应力过程数值仿真,构成了具有反馈的闭环优化设计回路,并形成了相应的软件系统,为设计啮合性能良好、高强度、低噪声的弧齿锥齿轮传动提供了有效的工具。 摘 要 5)采用实验研究技术,结合实际产品,进行了高重合度弧齿锥齿轮的设计、切齿、重 合度测试、齿根应力测量、振动和噪声测量等大量对比实验。充分验证了高重合度弧 齿锥齿轮设计理论和方法,证明了此类传动在动态性能、强度性能方面所具有的优越 性。实验结果表明,高重合度弧齿锥齿轮的振动量大幅度下降,噪声明显降低。接触 迹线中度倾斜的高重合度弧齿锥齿轮平均降低噪声1~2分贝,接触迹线大倾斜的高重 合度弧齿锥齿轮平均降低噪声2~3分贝。 本文的研究得到了国家自然科学基金的资助(高重合度螺旋锥齿轮理论与实用技 术研究,编号:50 7509)


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