高性能双压力角非对称齿轮传动啮合机理及承载能力研究

论文摘要

随着现代科技的发展,要求齿轮的传动性能不断提高,常用的标准渐开线齿轮越来越难以满足实际生产的要求。由于渐开线齿轮的承载能力与压力角有很大关系,为了提高齿轮传动系统的综合承载能力,降低噪音和振动,设计了一种新型不同压力角的非对称渐开线齿轮。本文对非对称渐开线齿轮的承载能力和啮合特性进行了深入系统的理论分析和试验研究,主要的研究内容如下:(1)设计了非对称齿条刀具,推导了非对称齿轮齿廓坐标方程和齿根过渡曲线方程以及各齿形参数的几何尺寸计算公式,探讨了齿顶变尖情况,对比了对称齿轮与非对称齿轮的4种齿根过渡曲线,同时建立了非对称齿轮共轭齿形的坐标变换矩阵,研制开发了齿轮自动生成程序,并对轮齿模型进行了仿真分析,为后面的研究奠定了理论基础。(2)通过迭代计算和优化策略提出非对称齿轮齿根弯曲应力解析法,并推导出非对称齿轮在单、双齿啮合区上、下界点和啮合节点的综合曲率半径和齿面接触应力的解析法计算公式。建立了非对称齿轮齿根弯曲应力有限元分析模型,根据有限元非线性理论建立了非对称齿轮接触应力分析模型,通过两种方法对不同压力角组合的非对称齿轮齿根弯曲应力和齿面接触应力进行了计算与对比,分析了齿根弯曲应力和齿面接触应力在一个啮合周期中的变化规律和相关影响因素,同时给出非对称齿轮传动系统设计方法。(3)基于非对称齿轮啮合机理和系统时变啮合刚度以及综合传递误差的影响,建立了非对称齿轮非线性动力学模型,利用数值仿真方法对其进行了动力学研究,比较了其各种振动特性,分析了齿轮系统各参数对系统动态特性影响。(4)基于齿轮啮合原理、轮齿接触分析、摩擦学和传热学,以有限元分析方法和理论分析计算相结合为手段,建立了具有较高计算精度的非对称渐开线齿轮传动温度分析的稳态模型和瞬态模型,系统地分析了非对称齿轮本体温度的分布并对非对称齿轮达到热平衡前温度场变化历程进行了探讨。(5)对经过修形的双鼓形双压力角非对称齿轮在有误差条件下的轮齿表面与啮合过程作了全面推导,编制了轮齿接触分析(TCA)的计算机数值仿真程序,对双鼓形非对称齿轮与对称齿轮在有安装误差情况下的接触迹和传动误差进行仿真计算和对比。(6)提出了一套通过线切割加工非对称齿轮的自动加工方案,并用相同毛坯材料加工制造了相同参数的非对称与对称齿轮,在高频疲劳试验机上采用双齿脉动加载方法对其进行疲劳强度对比试验,试验结果验证了理论分析的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要符号及其意义
• 1 课题综述
• 1.1 课题的来源及意义
• 1.2 双压力角非对称齿轮传动国内外研究概况
• 1.3 齿轮传动承载能力及TCA国内外研究概况
• 1.3.1 齿轮传动齿根弯曲应力的研究
• 1.3.2 齿轮传动齿面接触应力的研究
• 1.3.3 齿轮传动系统动力学的研究
• 1.3.4 齿轮传动抗胶合承载能力的研究
• 1.3.5 齿轮传动轮齿接触分析（TCA）的研究
• 1.4 本文的主要内容
• 2 双压力角非对称齿轮传动的啮合机理分析
• 2.1 引言
• 2.2 非对称齿廓刀具齿形方程的确定
• 2.3 非对称齿轮齿廓方程的建立
• 2.4 非对称齿轮副啮合传动的特点
• 2.4.1 非对称渐开线齿轮齿形参数
• 2.4.2 非对称渐开线齿轮副正确啮合条件
• 2.4.3 非对称齿廓渐开线齿轮无侧隙啮合条件
• 2.4.4 非对称渐开线齿轮传动的连续性条件
• 2.4.5 非对称渐开线齿轮的干涉现象
• 2.4.6 非对称渐开线齿轮齿顶变尖的分析研究
• 2.5 双压力角非对称齿轮齿根过渡曲线方程的建立
• 2.6 通过坐标变换求非对称齿廓共轭齿形
• 2.7 非对称渐开线齿轮仿真
• 2.8 本章小结
• 3 双压力角非对称齿轮传动齿根弯曲应力分析
• 3.1 引言
• 3.2 非对称渐开线齿轮弯曲疲劳应力的解析计算方法
• 3.3 解析法计算实例及结果分析
• 3.4 非对称齿轮强度有限元法
• 3.4.1 有限元模型的建立
• 3.4.2 有限元计算齿根应力基本原理
• 3.5 解析法计算实例及结果分析
• 3.5.1 不同压力角有限元实例计算及分析
• 3.5.2 不同啮合位置有限元实例计算及分析
• 3.6 本章小结
• 4 双压力角非对称齿轮传动接触应力分析
• 4.1 引言
• 4.2 非对称渐开线齿轮接触强度的解析计算方法
• 4.2.1 非对称渐开线齿轮齿面接触应力的计算公式
• 4.2.2 非对称齿轮工作齿侧在不同啮合点处的综合曲率半径和接触应力
• 4.2.3 解析法计算实例及结果分析
• 4.3 双压力角非对称渐开线齿轮齿面接触应力的有限元分析
• 4.3.1 非对称渐开线齿轮接触模型的建立
• 4.3.2 非对称渐开线轮齿的约束条件和载荷
• 4.3.3 有限元计算齿面接触应力基本原理
• 4.3.4 实例计算及分析
• 4.4 非对称齿轮传动的设计步骤
• 4.5 本章小结
• 5 双压力角非对称齿轮传动系统动力学分析
• 5.1 引言
• 5.2 双压力角非对称齿轮非线性动力学模型
• 5.2.1 非对称齿轮动力学模型
• 5.2.2 非对称齿轮非线性动力学方程
• 5.2.3 非对称齿轮无量纲分析模型
• 5.3 非对称齿轮与对称齿轮动态响应的数值仿真及对比
• 5.4 非对称齿轮与对称齿轮动态特性的比较
• 5.5 参数对非对称齿轮系统动态响应的影响
• 5.5.1 阻尼比的影响
• 5.5.2 啮合刚度的影响
• 5.5.3 静载荷的影响
• 5.6 本章小结
• 6 双压力角非对称齿轮传动热分析
• 6.1 引言
• 6.2 双压力角非对称渐开线齿轮齿面摩擦热流量计算
• 6.2.1 非对称渐开线齿轮相对滑动速度的变化与分布
• 6.2.2 非对称渐开线齿轮摩擦热流量的确定
• 6.2.3 非对称渐开线齿轮摩擦热流量实例计算和分析
• 6.3 非对称渐开线齿轮本体温度有限元分析
• 6.3.1 非对称渐开线轮齿稳态本体温度热平衡方程与边界条件
• 6.3.2 非对称渐开线轮齿瞬态温度热平衡方程与边界条件
• 6.3.3 对流换热系数的确定
• 6.3.4 非对称渐开线齿轮的有限元建模及载荷处理
• 6.3.5 非对称齿轮稳态本体温度场分析
• 6.3.6 非对称齿轮瞬态本体温度场分析
• 6.4 本章小结
• 7 双压力角非对称齿轮传动轮齿接触分析（TCA）
• 7.1 引言
• 7.2 传动误差的定义
• 7.3 非对称主动轮齿表面齿廓修形啮合理论
• 7.3.1 加工非对称主动轮的抛物线齿条表面方程
• 7.3.2 齿廓鼓形修形的非对称主动轮轮齿表面方程
• 7.4 非对称主动轮轮齿表面双鼓形修形啮合理论
• 7.4.1 磨削砂盘表面方程
• 7.4.2 双鼓形修形非对称主动轮轮齿表面方程
• 7.5 非对称从动轮轮齿表面方程
• 7.6 非对称渐开线齿轮轮齿接触区的啮合仿真
• 7.6.1 非对称齿轮副啮合仿真坐标系
• 7.6.2 非对称齿轮副啮合仿真的条件
• 7.6.3 非对称齿轮轮齿瞬时接触椭圆的确定
• z 与a 的关系'>7.6.4 抛物线系数a_z 与a 的关系
• 7.7 非对称齿轮轮齿接触分析仿真结果
• 7.8 本章小结
• 8 双压力角非对称齿轮传动疲劳强度试验研究
• 8.1 引言
• 8.2 非对称齿轮的数字化制造技术
• 8.2.1 线切割加工非对称齿轮具体实施方案
• 8.2.2 非对称齿轮加工参数
• 8.3 非对称齿轮齿根疲劳强度试验
• 8.3.1 试验机及试验卡具
• 8.3.2 试验方法和失效判据
• 8.3.3 试验数据统计处理
• 8.3.4 非对称齿轮与对称齿轮试验结果分析
• 8.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢