双渐开线齿轮接触强度分析及试验研究

论文摘要

双渐开线齿轮是一种综合传统单渐开线齿轮和双圆弧齿轮各自优点的新型齿轮,除具有与单渐开线齿轮和双圆弧齿轮传动的共同的性能外,其啮合特性、齿廓参数还具有自身的特点,这些特点与齿轮的传动性能和承载能力密切相关,研究其啮合特性、齿廓参数、齿面接触强度、齿根弯曲强度是该齿轮的推广和应用是必不可少的环节。论文利用齿轮啮合原理和有限元法,对双渐开线齿轮的齿廓成形原理、啮合特性以及接触应力,齿根弯曲应力进行详细的研究。①建立双渐开线齿轮的基准齿条齿形和齿面数学模型,结合计算机仿真技术,在MATLAB中进行双渐开线齿轮啮合过程的计算机模拟,计算每一个瞬时,双渐开线齿轮单齿啮合时的端面啮合状况和齿面接触状况以及接触线长度。②理论推导双渐开线齿轮齿面的基本量,平均曲率,高斯曲率,第一主方向,第二主方向,法曲率及短程挠率,两共轭齿面间的诱导主曲率和诱导主方向,沿相对速度方向的诱导法曲率,润滑角,并计算其数值。③利用ANSYS中APDL参数化建模语言,编程自动建立任意角度单齿啮合接触有限元模型以及双齿啮合接触有限元模型,调用ANSYS的求解器,计算双渐开线齿轮在各个瞬时下的应力分布,并与同参数下的传统单渐开线齿轮进行对比分析,结果表明双渐开线齿轮的齿面接触应力在材料的许用范围,该齿轮是符合安全要求的。④基于ANSYS/LS-DYNA显式动力程序,建立双渐开线齿轮动态接触有限元模型,得到轮齿瞬时接触等效应力分布图及总接触力和单齿接触力变化图,并与同参数的传统单渐开线齿轮进行比较。结果表明,两种齿轮的瞬时接触力的大小趋势基本一致。⑤从双渐开线齿轮的端面齿廓出发,结合齿轮啮合原理,推导其滚刀的齿面数学模型,精确计算滚刀轴向截形。根据齿轮刀具设计标准,设计零度前角和正前角双渐开线齿轮滚刀。⑥在电封闭试验台上进行双渐开线齿轮性能试验,结果表明,双渐开线齿轮达到了与传统单渐开线齿轮同样的设计承载能力,其效率、温升等性能指标同传统单渐开线齿轮基本相同。因此可以把双渐开线齿廓应用于硬齿面渐开线齿轮中,以使其有更高的接触强度和弯曲强度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 新型齿形齿轮的发展与研究现状
• 1.3 双渐开线齿轮的研究现状
• 1.4 齿轮承载能力分析的研究现状
• 1.5 本文研究内容和方法
• 2 双渐开线齿轮齿面数学模型
• 2.1 引言
• 2.2 双渐开线齿轮齿廓理论
• 2.2.1 齿面形成原理
• 2.2.2 啮合方程
• 2.2.3 齿轮的数学模型
• 2.3 坐标系
• 2.3.1 标架建立
• 2.3.2 底矢变换
• 2.3.3 坐标变换
• 2.4 齿轮1 齿面数学模型
• 2.4.1 齿条刀具齿面方程
• 2.4.2 啮合方程
• 2.4.3 齿轮1 齿面数学模型
• 2.5 齿轮2 齿面数学模型
• 2.5.1 齿条刀具齿面方程
• 2.5.2 啮合方程
• 2.5.3 齿轮2 齿面数学模型
• 2.6 本章小结
• 3 双渐开线齿轮啮合特性分析
• 3.1 引言
• 3.2 啮合模拟分析
• 3.2.1 端面齿廓方程
• 3.2.2 瞬时接触线
• 3.2.3 啮合模拟
• 3.3 齿面几何特性的计算
• 3.3.1 齿面基本形式
• 3.3.2 平均曲率和高斯曲率
• 3.3.3 主方向及主曲率
• 3.4 一界函数
• 3.5 二界函数
• 3.6 诱导法曲率及诱导短程挠率
• 3.7 诱导主方向和诱导主曲率
• 3.8 润滑角
• 3.9 本章小结
• 4 双渐开线齿轮有限元静力分析
• 4.1 引言
• 4.2 有限元计算理论
• 4.2.1 ANSYS 软件简介
• 4.2.2 ANSYS 接触算法
• 4.3 齿轮网格模型设计
• 4.4 单齿啮合有限元模型
• 4.4.1 边界条件
• 4.4.2 载荷条件
• 4.4.3 单齿有限元接触对
• 4.5 有限元分析结果
• 4.5.1 齿根路径
• 1=-3° 时应力分布'>4.5.2 Φ₁=-3° 时应力分布
• 1=-5° 时应力分布'>4.5.3 Φ₁=-5° 时应力分布
• 1=-7° 时应力分布'>4.5.4 Φ₁=-7° 时应力分布
• 1=-9° 时应力分布'>4.5.5 Φ₁=-9° 时应力分布
• 1=-11° 时应力分布'>4.5.6 Φ₁=-11° 时应力分布
• 1=-13° 时应力分布'>4.5.7 Φ₁=-13° 时应力分布
• 1=-15° 时应力分布'>4.5.8 Φ₁=-15° 时应力分布
• 1=-17° 时应力分布'>4.5.9 Φ₁=-17° 时应力分布
• 1=-19° 时应力分布'>4.5.10 Φ₁=-19° 时应力分布
• 1=-21° 时应力分布'>4.5.11 Φ₁=-21° 时应力分布
• 4.5.12 最大接触应力
• 4.5.13 齿根弯曲应力
• 4.6 双齿啮合有限元分析
• 4.6.1 双齿啮合有限元模型
• 4.6.2 接触对
• 4.6.3 齿根路径
• 4.6.4 双齿有限元分析结果
• 4.7 本章小结
• 5 双渐开线齿轮动力学接触分析
• 5.1 引言
• 5.2 ANSYS/LS-DYNA 概况
• 5.3 接触碰撞算法概述
• 5.4 接触碰撞的数值计算方法
• 5.4.1 接触界面与非嵌入条件
• 5.4.2 接触面力条件
• 5.4.3 对称罚函数法的有限元实现
• 5.5 动力学接触分析有限元模型
• 5.5.1 单元选择
• 5.5.2 实常数设置
• 5.5.3 网格划分
• 5.5.4 定义PART
• 5.5.5 定义接触
• 5.5.6 施加负载
• 5.6 分析求解
• 5.6.1 控制参数的设置
• 5.6.2 分析求解
• 5.7 动力接触仿真结果
• 5.8 本章小结
• 6 双渐开线齿轮滚刀精确设计
• 6.1 引言
• 6.2 滚刀刃形的精确计算
• 6.2.1 基本原理
• 6.2.2 齿形法线定理
• 6.2.3 滚刀刃形
• 6.3 滚刀设计
• 6.3.1 被加工齿轮基本参数
• 6.3.2 齿轮滚刀
• 6.4 本章小结
• 7 双渐开线齿轮性能试验
• 7.1 引言
• 7.2 试验设备
• 7.2.1 试验设备
• 7.2.2 试验原理
• 7.3 齿轮试件的准备、试验方案及步骤
• 7.3.1 齿轮试件的准备及其跑合
• 7.3.2 试验方案、步骤及方法
• 7.4 试验结果
• 7.5 本章小结
• 8 结论与展望
• 8.1 本文主要成果及结论
• 8.2 本课题工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录