加工误差对圆柱斜齿轮承载能力的影响研究

摘要

斜齿轮传动因其具有良好的传动平稳性和高的承载能力在机械式变速器中得到了广泛的应用。在斜齿轮加工过程中会因加工原理和工艺系统等方面的原因产生加工误差，而加工误差的存在会加剧齿面局部点蚀和磨损，引起齿轮过早的失效，对齿轮使用寿命和承载能力带来明显的影响。因此，为了提高机械式变速器的服役性能和使用寿命，开展了加工误差对圆柱斜齿轮承载能力的影响研究，主要内容如下：
　　在齿轮测量仪上测量了某微型车机械式变速器斜齿轮齿面上的齿廓误差和齿向误差等，在对检测数据进行统计学分析的基础上，得到了斜齿轮齿面误差的分布规律，为推导含有误差的齿面方程提供依据。
　　从斜齿条刀具加工制造误差出发，根据齿轮啮合原理和刀具的几何结构特征，建立了含加工误差的斜齿条刀具与被切削齿轮齿面误差之间的映射关系，推导了含有齿廓误差、齿向误差等的斜齿轮齿面方程，为建立含误差的斜齿轮几何模型和有限元模型提供了理论依据。
　　基于含加工误差的斜齿轮齿面方程，在ANSYS_APDL语言环境下，通过对生成的齿面误差点进行曲面重构，建立了含加工误差的斜齿轮几何模型和有限元模型，该建模方法的优点是能够在ANSYS中直接引入齿轮加工误差以及实现模型的快速修改。由该建模方法获取的模型与在UG中建立的五齿模型和整齿模型计算结果进行比较，两种建模方法计算的相对误差在5％以内，验证了本文所提建模方法的可行性和准确性。
　　基于含齿廓误差、齿向误差和齿距误差的有限元模型，研究了单一加工误差对圆柱斜齿轮不同方面承载能力的影响规律，在不同精度等级下（如无误差、5级和7级等），对计算结果进行了比较。结果表明，齿廓误差、齿向误差和齿距误差降低了齿轮的接触和弯曲强度，改变了齿轮的载荷分布以及缩小了齿轮的接触面积。其中齿距误差的影响最大，齿廓形状误差和齿向形状误差次之，齿廓倾斜误差和齿向倾斜误差影响最小。同时，齿向形状误差对齿轮承载能力的影响取决于误差的形状、周期和幅值，并且齿向形状误差和齿廓形状误差主要影响轴向齿面载荷、接触和弯曲应力的分布，易导致局部接触应力的增加，7级精度下的接触应力增量约为5级精度下的两倍。齿向倾斜误差和齿廓倾斜误差将引起最大齿向载荷分布、接触和弯曲应力朝着靠近齿顶或齿根位置偏移，并且误差越大，这种最大偏载量变化的更加明显。
　　最后研究了多种加工误差组合分别对齿向接触应力的影响。研究表明，误差的组合对齿向接触应力的影响具有一定的“累加”性，并且都大于单个的齿廓倾斜误差和齿向倾斜误差组合下对接触应力的影响。说明多种误差组合在一定程度上缩短了齿轮的使用寿命。
　　含加工误差的斜齿轮齿面方程的建模方法为分析真实状况下斜齿轮承载能力提供了有效的途径，研究结果将为斜齿轮传动的可靠性分析提供理论方法支持，具有较强的科学和工程实际意义。

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第1章 绪论

1.1研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3课题来源、研究目的和意义

1.4 课题研究内容与研究方法

第2章 斜齿轮真实齿面误差测量和数据处理

2.1测量齿面误差实验

2.2处理和分析测量数据

2.3本章小结

第3章 含加工误差的斜齿轮齿面方程的构建方法

3.1 齿轮-齿条共轭齿面包络原理

3.2斜齿条刀具齿面基本方程

3.3相啮合的斜齿轮齿面方程的建立

3.4 本章小结

第4章 基于蒙皮法的斜齿轮建模及接触分析

4.1 三维几何模型的创建

4.2 三维有限元模型的创建

4.3 斜齿轮啮合传动接触有限元分析

4.4 本章小结

第5章 单一齿轮加工误差对斜齿轮承载能力的影响

5.1齿距误差（A）的分析结果

5.2齿廓形状误差（TFE）的分析结果

5.3齿廓倾斜误差（TSE）的分析结果

5.4齿向形状误差（HFE）的分析结果

5.5齿向倾斜误差(HSE)的分析结果

5.6 本章小结

第6章 加工误差组合对斜齿轮承载能力的影响

6.1 同类型不同组合形式的加工误差的影响

6.2 不同类型的加工误差组合的影响

6.3本章小结

第7章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间获得与学位论文相关的科研成果目录

附录A

附录B