端曲面齿轮时变啮合传动设计及特性研究

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1、端曲面齿轮时变啮合传动设计及特性研究重庆大学博士学位论文学生姓名：蔡志钦指导教师：林超教授专业：机械工程学科门类：工学重庆大学机械工程学院二O一七年十月StudyontheTime-VaryingMeshingDesignandCharacteristicsAnalysisofCurve-faceGearDriveAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheDoctor’sDegreeofEngineeringByZhiqinCai

2、SupervisedbyProf.ChaoLinSpecialty:MechanicalEnginerringMechanicalEngineeringCollegeofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaOctober,2017中文摘要摘要齿轮传动作为制造装备业和国防工业中极其重要的关键基础件，其依靠轮齿齿面的啮合接触来传递空间任意两轴间的运动和动力，具有传递功率范围大、传动效率高、传动比稳定、工作可靠、寿命长等优点。根据在啮合过程中其瞬时传动比是否恒定，齿轮机构可分为定传动比齿轮机构和变传动比非圆齿轮机构，

3、其中，非圆齿轮机构主要应用于一些特殊场合。端曲面齿轮传动是一种能够实现相交轴间变速比传动的新型非圆齿轮机构，其运动特性与一般齿轮传动有着本质的区别，该齿轮传动机构兼有非圆齿轮、面齿轮和空间端面凸轮传动的三重特性，既能实现空间端面凸轮的变速传动，又可实现面齿轮的高效精确传动。在航空航天、工程机械、纺织机械、农业机械等领域具有潜在应用价值。因此，针对端曲面齿轮传动的设计与时变啮合特性研究具有重要的理论意义和潜在的工程应用前景。本文依托国家自然科学基金项目“变传动比面齿轮啮合传动的设计理论与制造技术研究”（项目编号：51275537）资助项目，以端曲

4、面齿轮传动为研究对象，开展了端曲面齿轮传动的时变啮合基本理论、参数化设计方法及时变啮合特性、加工制造工艺、测量及实验验证与评价等相关研究。论文的主要研究内容概括如下：（1）研究了端曲面齿轮传动时变啮合基本理论及特性分析：采用空间啮合原理、齿轮啮合理论，探讨了端曲面齿轮的传动原理，分析了端曲面齿轮传动的基本运动特征；建立了端曲面齿轮传动的运动学、几何学和力学等时变啮合特性的数值分析模型，探索了端曲面齿轮副的基本参数对时变啮合传动特性的影响，获得了端曲面齿轮传动的传动比、角位移、角速度及角加速度等时变啮合运动特性；齿面精确离散化、齿廓曲率、齿面及齿

5、宽参数等时变几何特性；轮齿变形等时变啮合力学特性的变化规律，揭示了端曲面齿轮传动的时变啮合特性机理。（2）研究了端曲面齿轮传动时变啮合参数化设计方法：采用齿轮空间啮合原理、现代设计及虚拟仿真设计技术的相关理论及方法，确定了端曲面齿轮传动的基本参数，建立了端曲面齿轮传动模式的设计准则，获得了端曲面齿轮传动的传动比、节曲线、齿顶和齿根曲线、齿面方程及齿面啮合方程等参数化方程；规划了端曲面齿轮副加工过程中的产形轮空间走刀轨迹，探讨了端曲面齿轮的齿面范成求解方法，分析了端曲面齿轮四种传动模式的匹配设计原理；结合端曲面齿轮内外齿廓、齿顶曲线、过渡曲线及接

6、触线等齿面特征参数的精确离散化技术，解决了端曲面齿轮离散化齿面精确数值模型、时变啮合特性分析、轮齿制造及测量I重庆大学博士学位论文评价等模型与技术的统一的难点问题，以及了端曲面齿轮传动的参数化匹配与设计的关键问题，为端曲面齿轮的设计与制造、精度检测与评价提供了理论依据。（3）研究了端曲面齿轮传动时变啮合动态模型设计及特性分析：采用齿轮动力学、拉格朗日键合图理论及弹流润滑理论，分析了端曲面齿轮传动系统的在动态啮合状态下的边界条件及振动激励源，探讨了端曲面齿轮动态特性下的动力学建模方法；考虑了动态啮合力、摩擦因子、油膜厚度、空间相对速度和动态载荷分

7、配等关键因子影响，建立了端曲面齿轮传动在弹流润滑状态下的机械动态效率数值分析模型，探索了端曲面齿轮副的基本参数对时变啮合振响应及动态啮合效率等动态变化规律，获取了端曲面齿轮传动时变啮合动态特性。（4）研究了端曲面齿轮传动的时变啮合理论验证与实验：结合齿轮现代制造与齿轮传动试验技术，探讨了五轴数控加工方法加工端曲面齿轮制造工艺的可行性，建立了端曲面齿轮齿面精度的计算及评价方法；提出了端曲面齿轮传动的运动特性、对滚接触检测、动静态弯曲应力测试及动态特性检测的综合实验测试方法，搭建了适合一系列参数变化的端曲面齿轮传动综合实验测试平台，验证了端曲面齿轮

8、传动的传动原理、设计与制造方法、精度检测及评价方法、时变啮合传动特性分析等理论和设计方法的正确性与可行性。关键词：端曲面齿轮；时变特性；参数化设计；误