直齿面齿轮啮合性能预控及碟形砂轮磨齿关键技术研究

摘要

面齿轮传动作为一种新型的机械传动形式，具有结构紧凑、安装方便、单级传动比高、重合度大等优点，特别是在分流一汇流传动中表现出来的优势，使其近年来逐渐成为欧美各国相关研究机构关注的热点，其中的典型代表是美国DARPA在TRP计划中成功设计了先进的面齿轮分流装置，该设计与弧齿锥齿轮传动机构相比，重量减轻约50％，动力传输密度提高35％。
　　 在齿轮传动中，齿面接触性能是衡量传动质量的主要指标，在不考虑安装误差的情况下，齿面的三维拓扑形状是影响齿面接触性能的关键因素，通过对齿轮的齿面拓扑修形以避免边缘接触，改善接齿面接触性能一直是国内外相关学者追踪的目标，面齿轮也同样存在相似问题。
　　 目前，面齿轮传动在螺旋翼飞行器的主传动系统中已得到应用，并表现出了优异特性;但由于国外相关的技术封锁和保密，我国的面齿轮加工研究一直处于初级阶段，特别是面齿轮的硬齿面精加工，还处于理论分析及试验阶段。
　　 根据上述情况，本文在面齿轮齿坯设计，齿面修形及啮合性能预控，面齿轮的碟形砂轮磨齿技术等方面做了系统研究，解决了面齿轮的蝶形砂轮磨齿的相关理论问题及机床加工方案。主要成果包括:
　　 (1)研究了偏置面齿轮齿面结构及特性。根据齿轮啮合理论及面齿轮插齿加工原理，建立了面齿轮的切削模型，推导了面齿轮齿面方程，根据面齿轮齿根发生根切及齿顶变尖的条件，获得了面齿轮的最小内半径，最大外半径和齿宽系数的计算公式，讨论了设计参数对三种系数的影响规律;并在上述推导基础上编制了偏置面齿轮齿坯的参数化设计软件，避免了重复编程，使设计过程灵活高效。
　　 (2)提出了面齿轮副三维拓扑修形原理及啮合性能的预控方法。基于TCA原理，研究了基于小轮齿面三维拓扑修形理论，根据齿轮啮合及磨削修形原理，推导了二阶和高阶抛物线修形的小轮齿面方程，通过控制齿廓和齿向两个方向的5个修形因数，实现了对面齿轮啮合性能的预控，改善了齿面接触印痕的方向和位置，得到了抛物线形状的传动误差曲线，减小了传动误差幅值，同时降低面齿轮副对安装误差的敏感性，使啮合印痕和传动误差得到较好的控制。
　　 (3)根据蝶形砂轮产成磨削面齿轮的原理，提出了三种面齿轮磨削方案及产形机床的运动关系模型，推导了五轴联动加工中心磨削面齿轮的插补运动公式，并对加工过程做了数控仿真。推导了蝶形砂轮的产成齿面方程，通过推导砂轮轴截面廓形的等距曲线，计算了金刚轮修整砂轮的运动轨迹，编制了蝶形砂轮磨齿加工及砂轮修整程序，并提出了多片砂轮廓形的展成修整法。研究了小轮的成形磨齿修形的方法，以及成形磨齿修形运动规律，研究了小轮修形量的求解及其变化规律，编制相关磨齿加工程序及砂轮修整程序。
　　 (4)研究了面齿轮的磨削加工齿面误差及补偿方法。首先分析了面齿轮的蝶形砂轮磨削误差产生机理，确定了砂轮安装误差种类;建立了蝶形砂轮磨削加工面齿轮的数学模型，推导了包含蝶形砂轮安装误差的面齿轮误差曲面方程，通过规划齿面网格点，计算了网格点法向误差，分析了砂轮安装误差对齿面啮合区平均法向误差值的影响，提出了砂轮安装误差对面齿轮齿面误差影响的敏感方向，确定了两类误差敏感方向的计算方法，在此基础上分析了砂轮安装误差对面齿轮齿形误差的影响规律，利用分析结果对砂轮安装参数进行调整，实现了对面齿轮齿面误差的补偿。
　　 (5)完成了面齿轮蝶形砂轮磨削加工及齿轮副滚检试验。利用砂轮修整程序和面齿轮磨削加工程序，在五轴联动磨齿机上完成了面齿轮磨削试验，对齿面进行了测量及修正;进行了小轮双向修形磨齿试验及检测，完成了齿轮滚检及噪声对比试验，试验及检测结果显示，通过调整小轮的修形因数，可以实现对面齿轮副啮合性能的预控。试验结果验证了基于TCA分析的面齿轮副性能预控理论和蝶形砂轮磨削理论的正确性及工程可行性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 面齿轮传动的概念及特点

1．2 面齿轮传动技术的研究背景

1．3 面齿轮传动技术的研究现状

1．3．1 面齿轮的几何设计理论研究

1．3．2 面齿轮的加工技术研究

1．3．3 面齿轮副的修形技术研究

1．3．4 面齿轮齿面精度检测及修正技术

1．4 研究趋势

1．5 本文研究的内容及创新

第二章 面齿轮传动啮合分析理论基础及齿坯参数化设计

2．1 面齿轮啮合性能分析的理论基础

2．1．1 面齿轮传动的基本概念

2．1．2 面齿轮副连续接触的条件

2．1．3 齿轮的啮合分析公式

2．1．4 瞬时接触椭圆求解

2．1．5 传动误差的分析及预先设定

2．2 面齿轮的参数化设计

2．2．1 面齿轮展成坐标系

2．2．2 面齿轮的齿面方程

2．2．3 避免根切的条件

2．2．4 最小内半径及最小内半径系数

2．2．5 齿顶变尖的极限条件及最大外半径系数

2．2．6 面齿轮齿面特性分析

2．2．7 面齿轮齿坯的参数化设计

2．3 小结

第三章 面齿轮副的三维拓扑修形与啮合性能预控

3．1 三维拓扑修形小轮的数学模型

3．1．1 小轮(插刀)的加工齿条坐标系

3．1．2 小轮(插刀)的加工齿条齿面方程

3．1．3 小轮(插刀)的齿面方程

3．1．4 小轮的齿向修形及修形齿面方程

3．2 面齿轮的齿面方程求解

3．2．1 面齿轮磨齿加工原理

3．2．2 面齿轮加工坐标系的建立

3．3 修形面齿轮副啮合性能分析及预控

3．3．1 齿面啮合分析坐标系

3．3．2 面齿轮副两啮合齿面的接触方程

3．3．3 传动误差方程

3．3．4 齿面啮合性能分析程序的编制

3．3．5 修形齿面啮合性能分析及预控

3．4 面齿轮副高阶修形及啮合分析

3．5 存在安装误差的面齿轮啮合性能分析

3．6 本章小结

第四章 面齿轮碟形砂轮磨削加工方法

4．1 蝶形砂轮产成磨削面齿轮的方法

4．1．1 蝶形砂轮产成磨削面齿轮的原理

4．1．2 面齿轮磨削方案及产形机床的运动模型

4．1．3 面齿轮磨削加工运动分析及仿真

4．2 磨齿碟形砂轮的齿面方程

4．2．1 插刀齿面方程

4．2．2 蝶形砂轮齿面方程

4．2．3 蝶形砂轮的修整轨迹求解

4．3 小轮的磨削修形方案

4．3．1 小轮磨齿砂轮截面廓形

4．3．2 小轮的齿向修形磨齿运动

4．3．3 小轮的磨齿砂轮修整运动轨迹求解

4．3．4 小轮的磨削修形量的求解

4．4 本章小结

第五章 面齿轮磨削齿面误差分析及补偿

5．1 面齿轮加工误差产生机理

5．2 面齿轮齿面方程的推导

5．2．1 面齿轮加工坐标系

5．2．2 无砂轮安装误差的面齿轮齿面方程

5．2．3 考虑砂轮安装误差的面齿轮齿面方程

5．3 面齿轮齿面网格点的计算模型

5．3．1 面齿轮齿面网格点的规划

5．3．2 齿面网格节点三维坐标的求解

5．4 面齿轮齿面误差分析

5．4．1 面齿轮齿面法向误差的求解

5．4．2 砂轮安装误差对齿面误差值的影响规律

5．4．3 蝶形砂轮安装误差对齿面拓扑形状精度的影响

5．4．4 齿面误差的补偿

5．5 本章小结

第六章 面齿轮磨齿加工与啮合试验

6．1．面齿轮的加工及测量设备

6．1．1 面齿轮磨齿加工设备

6．1．2 齿轮副的测量设备

6．2 面齿轮的磨削试验与齿面检测

6．2．1 面齿轮的蝶形砂轮磨削加工

6．2．2 面齿轮的齿距检测

6．2．3 齿面误差的检测与补偿

6．3 小轮的磨齿修形试验及检测

6．3．1 面齿轮副啮合性能的预控设计

6．3．2 小轮的磨削修形试验

6．3．3 双向修形小轮的检测

6．4 面齿轮副的滚检试验及噪声检测

6．4．1 面齿轮副滚检试验

6．4．2 面齿轮副噪音检测

6．5 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 论文主要研究成果及结论

7．2 进一步研究工作的展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间参加的科研项目和发表的论文