航空弧齿锥齿轮的啮合特性分析及齿面设计研究

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1、学校代码１０６９９分类号ＴＨ１３２密级学号２０１０１朋３８９乐如Ｊｉ斗參Ｖ／戀ｉｌｉＮＯＲＴＨＷＥＳＴＥＲＮＰＯＬＹＴＥＣＨＮＩＣＡＬＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ博±学位论文题目航空弧齿锥齿轮的哦合特性分析及巧面设计研究作者蔡香伟＼学料、专业机械设计及理论指导教师方宗德申请学位日期２０１５年６月ｍ＾＾—西北工业大学博士学位论文(学位研究生)题目：航空弧齿锥齿轮的啮合特性分析及齿面设计研究作者：蔡香伟学科专业：机械设计及理论指导教师：方宗德2015年6月Title:ResearchonMeshingCh

2、aracteristicsandToothSurfaceDesignofAeroSpiralBevelGearsByCaiXiang-weiUndertheSupervisionofProfessorFangZong-deADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofEngineering(MachineDesignandTheory)Xi’anP.R.ChinaJun2015摘要摘要弧齿锥齿轮因具有传动平

3、稳、承载能力强、结构紧凑等优点，被广泛应用于航空领域的传动中，作为航空发动机附件传动装置的关键部件，其啮合质量对系统的影响至关重要。齿面印痕和传动误差是评价啮合质量的关键指标，本文针对航空用弧齿锥齿轮，借助于轮齿几何接触分析（ToothContactAnalysis，TCA）、承载接触分析（LoadedTCA，LTCA）等计算机仿真方法和试验测试手段，开展了高阶传动误差曲线的加工参数设计、啮合性能分析以及考虑齿面印痕偏移的小轮齿面再设计等一系列研究工作，形成软件系统并将其应用于航空产品的开发与试制。论文主要成果如下：（1）研究了弧齿锥齿轮小轮加工参数的逆向求解问题。已知小轮数值齿面，建立最小

4、二乘法优化模型，采用基于置信域策略的L-M（Levenberg-Marquardt）迭代算法反求相应的小轮加工参数。该算法为高阶传动误差设计的小轮齿面主动修形技术提供了应用基础。（2）研究了弧齿锥齿轮传动误差的设计方法。一、在局部综合法的基础上，进行了二阶抛物线传动误差的优化设计；二、基于假想大轮加工小轮的概念，提出了小轮齿面的主动修形设计，预置高阶传动误差（四阶抛物线、七阶中凹型曲线）的设计参数，在与大轮完全共轭的小轮基准齿面上构建小轮修形齿面，采用上文所述的逆向求解算法反求小轮加工参数；三、在二阶抛物线传动误差的基础上，提出了高阶传动误差（七阶中凹型曲线）设计的变性系数修正法，直接控制高

5、阶传动误差曲线上的设计啮合点，建立约束方程组，通过求解非线性方程组获得各阶变性系数，而其余加工参数仍与二阶抛物线传动误差设计相同。（3）研究了弧齿锥齿轮不同类型传动误差齿面的啮合性能。在设计重合度、传动误差曲线下端幅值大体相同的前提下，定量比较了二阶、四阶及七阶设计的齿轮副动态性能和强度性能。计算结果表明，轻载条件下四阶设计的振动较小，而工作载荷下七阶设计有更好的动态性能。相对于二阶设计，工作载荷下四阶、七阶设计均可以降低最大齿面接触应力和最大齿根弯曲应力的数值。（4）研究了基于齿面印痕偏移的弧齿锥齿轮当量安装错位反求和小轮齿面再设计。首先分析了可导致相同齿面印痕的不同安装错位组合之间的关系

6、；然后提取齿面印痕的数字化特征，以逼近齿面接触迹线为目标，通过优化方法高精度地反求与齿面印痕匹配的当量安装错位；最后采用二阶抛物线传动误差的优化设计方法，在此错位下重新计算小轮加工参数。I西北工业大学博士学位论文（5）对弧齿锥齿轮的啮合性能进行了试验验证。完成了二阶、四阶及七阶设计的齿轮副切齿、滚检、印痕发展及箱体振动加速度测试等试验内容。试验结果与理论分析基本一致，验证了齿面设计、切齿参数计算和啮合性能分析的正确性。关键词：弧齿锥齿轮，传动误差，齿面印痕，齿面设计方法，试验测试IIAbstractAbstractSpiralbevelgearsarewidelyusedinaeronaut

7、icaltransmissionsystem,whichcanoffermanyadvantagesintermsofsmoothtransmission,highloadingcapacityandcompactstructure.Asthekeypartofaero-engineaccessorydrive,themeshingperformancesofspiralbevelgearshavegreat