曲线齿端面齿轮的理论分析与加工仿真分析

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1、第一章绪论线器以及机车化油器等低速、低动力机械系统均采用了端面齿轮传动(如图1．1所示)。随着时代的发展，数控技术的不断发展，专家学者们开始更加深入地研究端面齿轮。尤其是高精密端面齿轮磨齿机的出现，端面齿轮越来越多地开始应用于高速、高动力的航空器，航海的高精密仪器，微型机器人等装置上。同时由于端面齿轮在直升飞机，船舶的精密传动等国防工业的广泛使用，专家们开始越来越重视对端面齿轮的研发，不断拓展和发现端面齿轮传动的优势，逐渐地应用到各个机械行业的传动装置中。端面齿轮传动相对于其它锥齿轮传动【7】具有占用的空

2、间小，动力分流的效果佳，重合度高，噪声小，平稳性高等优点，蕴含着巨大的潜在的应用价值。图1—1端面齿轮应用齿轮轮齿由于不可避免的制造和安装误差、轮齿的弹性变形、扭转变形、热变形等因素，使齿轮在啮合过程中，会产生冲击、振动和噪声，随着现代机械工业对产品的要求，大量的齿轮正向着高效率、高载荷、高利用率、低噪音的方向发展。提高齿轮传动质量的关键因素就是不断地提高齿轮的承载能力，延长齿轮使用寿命和降低啮合噪音。大量的理论分析和实践表明，如果采用正确合理的齿面修形，使接触区在可控的范围之内，这样就能够减少在啮入时两

3、个齿轮的齿面冲击，改变齿轮传动中的载荷分布，从而减少齿轮传动的振动和噪音。曲线齿端面齿轮传动属于点接触传动【41]，为了保证端面齿轮有良好地平稳地传递动力，必须对其齿面进行修形。如果仅通过啮合原理计算的复杂的齿面往往不满足要求，必须对齿面进行修正。齿轮齿面修形是人为地有意识地微量修整齿轮的齿面形状、曲率等，使其不同于理论齿面的工艺方法。按修形部位的不同，轮齿修形方法可分为齿廓修形和齿向修形。对于在传动中没有参与接触的曲面，可以改变其曲率和挠度，使其不参与接触，这需要一定的曲面理论推导。通过计算出的接触迹线

4、，计算出接触椭圆，保证实际齿轮啮合中的接触区域就为计算的接触椭圆，从而保证接触区域可控性。我国在低速轻载的环境中已广泛采用曲线齿端面齿轮来传递运动、变换运动邕第一章绪论方向、传递力矩以及调整机构的位置等。但是由于其加工方法受限，国内没有其理论依据的支撑，造成了曲线齿端面齿轮加工的空白，影响了其广泛的应用。这将对我国制造业的发展产生不利的影响，阻碍其前进的步伐。在国内的锥齿轮加工中，包括格林森制和奥利康制的螺旋锥齿轮多数采用圆形的铣刀盘加工。而大模数的直齿面齿轮和斜齿面齿轮多采用插齿刀进行插齿加工【1。71

5、，大模数弧齿面齿轮也可采用盘形铣刀加工。国内的面齿轮加工方法也有很多。比如，插齿DH；：r，滚齿加工及锻造端面齿轮的近似方法。对于这些加工方法，尝试过应用于曲线齿面齿轮加工，得到的结果都不是很理想。现在国内小模数曲线齿端面齿轮的加工多采用直接从国外(日本，美国等)进口加工好的模具，在国内直接进行压铸制造。不仅耗费大量的资金，而且不能掌握核心技术，不能够改变小模数曲线齿端面齿轮的某些几何参数。目前最主要的进展是美国Boeing公司和加拿大NorthStar公司协作研发的端面齿轮5轴磨床[31】。由于国际上端

6、面齿轮传动技术主要应用于军方背景，技术封锁比较严密。同时由于面齿轮加工的复杂性，急待填补国内没有高效率、高精度的加工曲线齿端面齿轮制造方法。综上所述，实现的曲线齿端面齿轮齿面的主动设计，高效的加工方法对精密机械传动起着举足轻重的作用。加工方法的理论依据是必不可少的。因此本论文针对曲线齿端面齿轮齿面生成原理、齿轮啮合原理、齿轮几何参数设计、齿轮接触特性；齿面接触的有限元分析，加工方法等国内的“瓶颈”问题做相关的研究，提出高效高精度的7)NY_方法这些为以后的面齿轮测量，LTCA验证都提供强有力的基础。上述理

7、论方法及相关技术的突破和创新，对于提高我国数字化制造业水平，推动中国成为制造技术先进国家具有重要意义。1．2国内外端面齿轮成形理论及加工技术的现状及存在问题1．2．1国外研究现状面齿轮传动的研究于上世纪40年代在国外就有相关文献。其中最早的，应该是Buckingham在其1949年的著作((AnalyticalMechanicsofGears))中，详细阐述了面齿轮传动及其相关原理。作者采用投影几何的数学方法，近似地研究了面齿轮的变化特点【4⋯。在Buckingham的理论里，可以将面齿轮的轮齿看作是变压

8、力角和变齿距的齿条：并将其啮合看作是在圆柱齿轮的不同轴截面上齿轮与齿条的啮合，基于此并根据理论计算，便可以画出不同位置处端面齿轮的近似齿形。之后，上世纪50年代，Emilio&Domig，sarri．0．E掣32J分别对正交轴线的面第一章绪论齿轮根切和面齿轮与螺纹状圆柱蜗杆的传动等方面展开了研究。另一位齿轮领域权威Litvin对面齿轮展开了更深层次的研究：他系统研究了面齿轮的啮合原理、端面齿轮传动的瞬轴面，节面和节点、接触痕迹