螺旋锥齿轮设计的新方法

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1
2
*
x
* , x ]T [ x , x , ha 1 2 t1
• 约束条件
以满足不根切、齿顶不变尖、不干 涉、刀具规格不超出标准系列等为 约束条件。(除非特别声明外,式 中各量均为齿宽中点上当量齿数的 参数,下标0、1和2代表刀具参数、 小轮参数和大轮参数。)
• 单位模数齿顶厚
g1 ( x ) ra v 1 S v 1 [ 2 ( in v a 1 in v )] 0 .4 0 m m rv 1
轮坯安装角 48.65 偏心角 摇台角 水平轮位 修正量 垂直轮位 修正量 滚 比 81.59
66.387 209.889 0 0 2.20 -0.60
1.2668 1.635755 1.651467 1.588337 29
(1)接触迹线正常倾斜的设计
(a) 齿面的接触迹线
(b) 齿面载荷分布
小轮转角 f1 /10 o
(3)
• 根切限制
g 3 ( x ) x1 x m in 1 0
(4)
g 4 ( x ) x 2 x m in 2 0
x m in h a * 0 .5 Z v s in 2
(5)
• 近似计算时,可取不根切最小变位系数为
(6)
(7)
• 准确计算时,
x m in ha C
• 非零变位
• 新型非零变位设计与传统零变位设计不同点:保 持节锥角不变而使分锥变位,变位后分锥与节锥 分离,分锥角不等于节锥角, 但节锥角保持不变, 从而使轴交角保持不变。在非零变位设计中以端 面的当量齿轮副作为分析基准。节圆和分圆分离, 达到变位的目的。
ka co s rv ' rv co s
0.959 0.806 0.793 1.203 1.108 0. 605
0.715 0.550 0.390 1.270 0.907 0.654
4.高齿准双曲面齿轮的设计及 性能试验
• 设计变量和目标函数的选取 设计变量为齿Biblioteka Baidu系数和齿顶高系数。目 标函数为重合度最大和齿根弯曲强度最 高.
• 齿顶厚的限制 工作齿高增加后, 需要验算小轮齿顶的厚度, 以 避免齿顶变尖,边界条件为 (1) r s
二.新齿制(非零变位+高齿)弧齿 锥齿轮的优化设计方法
• 目标函数 • 可以是弯曲强度最高, 接触强度最高, 重 合度最大, 体积最小。例如,目标函数为 重合度最大,即:
• 设计变量的选取
• 设计变量为小轮的径向变位系数 x , 大轮的径向变位系数 x ,齿顶高系 数 h a ,大轮的切向变位系数xt2=xt1 ( xt1不作为设计变量),即:
• Δr式:改变分度圆式
• 采用在节锥距不变条件下,增大(负变位)或缩 小(正变位)分锥角,也即增大或缩小分圆半径, 以保持变位时节圆大于分圆(正变位)或节圆小 于分圆(负变位)的特性,这种变位形式变位后, 节圆模数m′不变,而分圆模数m改变。
• 非零变位的优点 • 这种新型的非零变位齿轮具有优 良的传动啮合性能,高的承载能 力和更广泛的工作适应性。可获 得如弯曲强度高、耐磨损、接触 强度比传统齿轮齿形好的综合强 度。又可以实现少齿数和的小型 传动;低噪声的柔性传动等。
No Yes 最 大重 合度 达 到 3.0 Yes
Yes
L T CA
No
No
承 载传 动误 差 幅 值是 否最 小
Yes 输 出切 齿 参 数
图 6
迭 代 设 计 流 程 图
设计实例
表1 轮坯参数 模数 5.5 大轮齿数 小轮齿数 压力角(度) 中点螺旋角 大轮旋向 顶隙系数 齿顶高系数 大轮径向变位 小轮径向变位 大轮切向变位 小轮切向变位 大轮安装距 小轮安装距 保证侧隙 32 25 20 35 右 0.188 0.85 -0.15 0.15 -0.02 0.02 100 102.5 0.17 表2 接触迹线不同倾斜度的切齿调整参数 正 常 倾 斜中倾斜50˚ 大倾斜80˚ 切齿调整参 大轮 20˚ ( 小 轮(小轮凹 (小轮凹 数 凹面) 面) 面) 刀盘刀号 刀盘半径 12 114.3 12 116.54 35.50 82.52 12 115.62 35.50 84.48 209.075 1.42 -0.83 12 112.80 35.50 78.10 215.755 -0.734 -2.66
t ' t

R ' R0
对于正变位Ka>1;负变位Ka<1;零变位Ka=1。
in v t
'
2 x ta n t x t z v1 z v 2
in v t
x h ta n t z vm
in v
• ΔR 式 : 改 变 锥距式
• 在节锥角不变 的条件下,将 节锥距外延或 内缩一小量 Δ R,从而使 节圆半径增大 或减小,相应 地分圆半径也 按比例增大或 减小,使节锥 和分锥分离。
• 实现高重合度的设计方法
• 高重合度设计是利用弧齿锥齿轮齿 面几何结构的可控性,通过改变齿 面接触路径方向,增加几何传动误 差曲线的横向宽度获得的。可获得 对安装误差敏感性低的弧齿锥齿轮, 对于避免齿顶接触, 降低噪声和异 响非常有利。
小轮转角 f1 /10 o
小轮转角 f1 /10 o
小轮转角 f1 /10 o
(8)
g 6 ( x ) (1
1 u
2
) tg
tg a 1 u
2
tg
4 ( h a * x1 ) Z v 1 s in 2
0
(9)
式中,u为齿数比。
刀具条件限制
弧齿锥齿轮用铣刀盘精切小轮时,为了防 止非切削刃碰伤已加工好的齿面,需验算齿宽 中点的精切加工余量是否满足要求:
g1 ( X ) s
* am

a1
mm
n1 ( in v a 1 1 in v r1
f1
) ( in v a 1 2 in v
f 2
) 0
r 式中: 为齿顶圆半径(下标1代表小轮, 下标2 代表大轮,除特别声明外,为齿宽中点参数,下 s 同), 为小轮分度圆法面弧齿厚,m 为模数, 为小轮凹面的齿顶压力角, 为小轮凸面的齿顶 压力角, 为工艺节锥压力角。r 为小轮分度圆 半径,s 为允许的端面齿顶厚系数,为一给定 的数,一般为0.6。
转速n1 /rpm
小轮转矩为150Nm的噪声对比
振动实验
表3 接触迹线倾斜度不同的振动量对比
小轮转速(rpm) 小轮转距(Nm)
接触迹线类型 正常倾斜
30
100
150
振动量(电荷放大器输出电压(v))
1000
中倾斜
大倾斜
正常倾斜
1500
中倾斜 大倾斜
1.094 0.967 0.852 1.153 0.756 0.495
传 动 误 差
传 动 误 差
传 动 误 差
(a)
(b)
(c)
航空弧齿锥齿轮的改进设计
• 高重合度螺旋锥齿轮的设计对传动误差曲线有 以下要求: (1)单齿传动误差曲线两端下垂量接近相等(对 称),以尽可能避免边缘接触。此条件可通过调 整参考点位置实现。 (2)无载传动误差曲线必须是上凸的,否则将产 生桥式接触或边缘接触;承载传动误差波动幅值 在额定的载荷下具有最小值。此条件可通过选择 传动比一阶导数的符号和值的大小来满足。 (3)由于接触迹线倾斜,在齿面进入啮合和退出 啮合时,易发生齿顶或齿根的边缘接触,这需要 在切齿加工调整参数设计中,根据LTCA的分析, 合理地调整传动比的一阶导数值,增大传动误差, 使齿顶和齿根的一部分在中轻载下不参与啮合。
噪声实验 89
88 87 86
噪 声 Lpn/ dB
正常倾斜
89
噪 88 声 Lpn/ 8 7 dB 86
正常倾斜
85 84 83 82 81 80 800
中倾斜
85 84 83 82 81 80
大倾斜
1000 1200 1400 1600
转速n1 /rpm
800
1000
1200
1400 1600
螺旋锥齿轮设计的新方法
一. 弧齿锥齿轮的非零变位原理
• 零传动 • 在弧齿锥齿轮的设计中,传统方法是采 用高切综合变位的零传动,即当u=1时, 无变位;当u>1时,采用高度变位(X1+ X2=0;Xt1+Xt2=0)。若采用非零变(X1 +X2≠0;Xt1+Xt2≠0)设计,则锥齿轮 当量中心距就要发生改变,以致使锥齿 轮的轴交角也发生改变。
(1) (2)
r S g 2 ( x ) a v 2 [ v 2 2 ( in v a 2 in v )] 0 .4 0 m m rv 2
av
v
r S • 式中, 为顶圆半径; 为分圆齿厚; 为 m 齿顶压力角; m 为中点模数; 为压力角
a
a rctg ( tg 0 / co s )
传 动 误 差
(c) 承载传动误差曲线
• 接触迹线与齿根垂线的 倾斜角是20˚。该对齿 轮的最小工作负荷(大 轮转矩)为180Nm,最 大工作负荷为500Nm, 由传动误差曲线可以看 出该对齿轮的设计重合 度只有1.45,承载传动 误差波动较大,动态性 能很差,在最大工作负 荷下已经出现了明显的 边缘接触。,齿面没有 得到充分的利用,这是 传统的设计方法。
g 8 ( x ) ( m m S v 2 ) cos 2 h f 2 tg 0 W 02 0
三.高重合度弧齿锥齿轮的加工参 数设计及性能分析
• 局部综合法概述
高重合度弧齿锥齿轮的加工参数设计是利用局部综 合法、啮合仿真(TCA)和承载啮合仿真(LTCA)技 术,通过计算机辅助设计实现的。 (1)预先设置齿面参考点位置(一阶参数)、在参考点 处接触路径方向、接触椭圆尺寸和传动比的一阶导数 (二阶参数)。 (2)按参考点的位置要求和选定的大轮刀具计算大轮切 齿参数。 (3)按大轮和小轮在参考点上点接触且满足(1)中的要 求,计算小轮齿面在参考点处的几何参数。 (4)按小轮和产形轮线接触条件且满足(3)中的小轮齿 面几何要求,计算小轮切齿参数。
输 入设 计 参 数
设计过程流程图
切 齿参 数设 计
TCA 调 整接 触 路径 方 向 传 动误 差曲 线 是 否 中凸 No 选 择传 动 比一 阶 导数 符 号
调 整参 考 点位 置
调 整传 动 比一 阶 导数 No 值
Yes
最 大重 合度 达 到 2.0 Yes 传 动误 差曲 线 是 否对 称
(a) 齿面的接触迹线
小轮转角 f1 /10 o
(b) 齿面载荷分布
传 动 误 差
(c) 承载传动误差曲线
(d) 齿面接触印痕
(2)接触迹线中倾斜的设计
• 接触迹线与齿根垂线的倾斜角是50˚, 由传动误差曲线可以看出该对齿轮 的重合度是1.72,承载传动误差波 动减小,动态性能得到改善,在最 大工作负荷下有轻微的边缘接触。 这是齿面接触区有少量内对角的设 计,重合度有所增大。
*
f m ax
*

Z tg
f m ax
2 s in
式中, 为最大无根切分锥齿根角,可 参考有关文献。
• 齿根过渡曲线干涉限制
g 5 ( x ) (1 u 2 ) tg u 2 tg a 2 tg 4 ( ha * x 2 ) Z v 2 s in 2 0
g 7 ( x ) ( m m S v1 ) cos 2 h f 1tg 0 W 01 W 0
W • 式中,W 为小轮精切刀盘的错刀距。 应是标准 系列值。 W 为小轮齿宽中点精切加工余量。大 轮可双面精切,错刀距 W 应大于标准系列的最 小值:
01
01
02
(a) 齿面的接触迹线
小轮转角 f1 /10 o
(b) 齿面载荷分布
传 动 误 差-
(c) 承载传动误差曲线
(d) 齿面接触印痕
(3)接触迹线大倾斜设计 • 接触迹线与齿根垂线的倾斜角是80˚,由 传动误差曲线可以看出该对齿轮的重合 度已经达到2.80, 承载传动误差波动很小, 动态性能优良,在最大工作负荷下没有 边缘接触。这种设计齿面接触路径已贯 穿于整个齿面,为了避免由于加工误差 引起的齿面接触区沿齿长方向的变动, 加工设计时可以修改小轮切齿刀盘的半 径,减小齿面接触区的长度。
a1
n1
m
a11
a12
f
1
*
am
• 刀具条件的限制 工作齿高增加后为了使准双曲面齿轮能用标准 系列刀具加工,必须考虑刀具条件的限制。在 准双曲面齿轮的加工中,大轮用双面法加工, 小轮用单面法加工,需控制大轮和小轮的粗切 刀顶距不要过小,否则刀顶强度弱,易于磨损。 大轮刀顶距的理论值为:
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