基于解析法和有限元法融合的准双曲面齿轮接触分析研究

以汽车驱动桥准双曲面齿轮为研究对象,研究解析法与有限元法融合的齿面接触分析方法。基于HFT法建立准双曲面齿轮加工数学模型,推导出齿面方程。通过构建齿面啮合数学模型,采用解析法计算出传动误差。通过数值算法求解出数值齿面,并构建出齿轮三维模型。将齿轮模型导入ABAQUS软件,通过提取每一帧的齿面瞬时接触椭圆,将其全部显现在最后一帧,从而获得齿面三维接触区。对一对准双曲面齿轮进行齿面接触有限元仿真,并进行磨齿加工实验。结果表明：有限元齿面接触区仿真结果与MASTA软件结果一致,与实际滚检接触区吻合,验证了所提出的齿面接触分析方法的正确性。     

格里森制摆线齿锥齿轮齿面失配分析与轮齿接触仿真

为了能够对格里森制摆线齿锥齿轮啮合性能进行综合评判,提出集齿面失配分析、齿面接触仿真和齿面加载接触仿真于一体的系统性评价方法。构建刀盘数学模型和刀倾法切齿加工数学模型,获得理论齿面。研究与大轮齿面完全共轭的小轮基准齿面及齿面Ease off拓扑计算方法。在此基础上,基于齿轮啮合数学模型,研究齿面接触分析解析计算方法,构建齿面加载接触分析有限元仿真流程。最后以一对格里森制摆线齿锥齿轮为例进行了齿面失配分析和轮齿接触仿真,算例仿真结果与格里森软件一致,验证了齿面接触仿真算法的正确性,同时也表明采用有限元方法进行齿面加载接触分析在啮合性能评价方面具有较大的直观性。     

基于啮合错位的驱动桥准双曲面齿轮加载性能分析

为了掌握汽车驱动桥准双曲面齿轮在实际工况下的齿面啮合性能,基于Masta软件对驱动桥准双曲面齿轮进行了加载啮合性能分析。通过建立驱动桥有限元模型,利用Masta软件的系统变形分析功能计算出实际工况下齿轮啮合错位量。通过对啮合错位下准双曲面齿轮进行加载接触分析,获得齿面加载接触区、加载传动误差及齿面接触应力随载荷的变化趋势。最后在传动试验台上进行了驱动桥台架加载试验,实际加载接触区与软件仿真接触区一致,验证了仿真结果的正确性。这为准双曲面齿轮的齿面设计及优化提供了参考。     

准双曲面齿轮副节锥参数新算法

提出了新的确定准双曲面齿轮各节锥参数之间几何关系的计算公式,并基于此计算原理,提出新的准双曲面齿轮节锥设计、大轮齿面成形和小轮齿面成形的计算方法。应用该新算法可简便地求出齿轮的加工参数和进行齿面优化设计。     

成形法大轮准双曲面齿轮传动点啮合齿面主动设计与理论检验

建立了准双曲面齿轮传动成形法大轮齿面的数学模型,该数学模型不包含机床调整参数,仅与齿轮和加工刀盘的几何结构参数有关.在大轮轴截面内描述空间齿面啮合的接触点迹线,根据点啮合齿面主动设计原理和方法,得到了成形法大轮准双曲面齿轮传动点啮合齿面主动设计的计算公式.提出了一种检验点啮合齿面主动设计过程和结果正确性的理论方法,并提供了用于检验的计算公式.最后,给出了一个成形法大轮准双曲面齿轮传动点啮合齿面主动设计与理论检验的算例.     

大速比准双曲面齿轮的设计与分析

利用准双曲面齿轮虚节锥设计方法,设计出两种可采用HFT切齿法加工的大速比准双曲面齿轮副(齿数比分别为3/37和4/37);并借助于局部综合法,研究了以上两种大速比准双曲面齿轮副的齿面接触印痕、传动误差等啮合性态.     

面齿轮车齿加工研究与试验验证

为了实现面齿轮的高精度、高效率加工,研究面齿轮的车齿加工技术。分析面齿轮车齿加工原理,建立刀具数学模型,根据车齿展成原理推导面齿轮的齿面及齿根过渡曲面方程。以配对渐开线圆柱齿轮共轭的面齿轮齿面作为基准齿面,构建车齿齿面的偏差齿面,分析不同刀具螺旋角、齿数和前角对车齿齿面的影响规律。使用YK2260MC数控车齿机床进行车齿加工,使用格里森650GMS齿轮检测中心,进行齿面误差检测。结果表明：左侧齿面和右侧齿面的误差最大分别为14.7、14.1 μm,验证了所提车齿加工数学模型的正确性,为提高面齿轮的加工精度和效率,进一步改进面齿轮车齿工艺提供了参考。     

基于齿面拓扑修形的驱动桥主减齿轮啸叫分析与优化

针对某轻型客车在减速滑行阶段出现的驱动桥齿轮啸叫问题,提出一种齿面拓扑修形方法来优化驱动桥齿轮啸叫噪声。利用LMS Test.Lab设备进行路试测试,识别出噪声源来自驱动后桥主减齿轮的啮合振动。对主减齿轮当前齿面接触性能进行分析,在此基础上,提出采用齿面拓扑修形方法对当前齿面接触区和传动误差进行修正。对修形前后的齿面加载啮合性能和NVH仿真曲线进行对比分析,仿真结果表明:修形后齿轮啮合性能和NVH性能都得到了提升。对修形前后的主减齿轮进行了路试测试实验,实验结果表明:齿面修形后齿轮啸叫问题得到了明显改善。     

螺旋运动系数对弧齿锥齿轮齿形的影响规律

为探究螺旋运动系数对弧齿锥齿轮齿形的影响规律，充分发挥数控机床的万能运动特性，使齿轮设计人员及机床调整人员更好地运用高阶运动实现齿面的修形以及齿面接触区的调整，基于弧齿锥齿轮加工原理，通过引入一至六阶螺旋运动系数，建立了齿面数学模型。基于齿面数学模型，采用矢量运算与二元迭代的方法，计算了实际齿面相对于理论齿面在其各离散点法线方向上的齿面误差。分析了各阶螺旋运动系数的改变对弧齿锥齿轮齿面形状的影响规律，以图像的方式表示了实际齿面相对于理论齿面的偏离方向以及误差值的大小。采用最小二乘法，计算了弧齿锥齿轮轮齿齿面在各阶螺旋运动系数改变下的敏感系数，分析了各阶螺旋运动系数对齿面形状的影响类型和程度。通过实际的磨齿加工和测量验证，结果表明各阶螺旋运动系数对齿面形状的实际影响与理论分析结果一致。     

弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮模型设计的方法及展望

Accurate modeling of spiral bevel and hypoid gear is the foundation of the tooth contact analysis(TCA) technology and error correction technology of the tooth surface,which is the key technology in digitized manufacturing. This paper summarized the related achievements and divided the methods of modeling spiral bevel and hypoid gear into three categories,including modeling by discrete points on the tooth surface,curve fitting,and simulation machining,and generalized the main steps and the key ideas of each method. At the same time,this paper analyzed the problems and inadequacies existing in the process of model design. Three directions were proposed for modeling of spiral bevel and hypoid gear in the future,that are more accuracy,more efficiency and more flexibility. The paper provides some methods that make the design and machining of spiral bevel and hypoid gear faster and more accurately.在弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮的数字化制造中,精确模型是其关键技术—齿面接触分析技术(TCA)和齿面误差修正技术的基础。总结和归纳了近些年来国内外相关研究成果,将弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮的模型设计方法分成离散点、曲线拟合、仿真加工模型设计3种类型,并概括了其关键思想与步骤。同时,分析了模型设计过程中存在的一些问题与不足,整合先进方法和思想,对未来弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮模型设计研究提出了高精度、高效率、高柔性3个发展方向,为弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮更加快捷精确地设计和加工提供了参考。     

Tooth profile design for the manufacture of helical gear sets with small numbers of teeth

Based on gear theory and generating mechanism, this investigation presents a complete mathematical model of a helical gear set with small number of teeth. The unavoidable tooth-profile undercutting of the gears with small number of teeth is examined by using the developed mathematical model and the conventional method of tooth-profile shifting. Furthermore, an alternative method for lessening the tooth-profile undercutting is also presented by considering a modification of the basic fillet geometry using a modified rack cutter. A third method, combining the aforementioned two methods for the design of helical gears with small number of teeth is also proposed to yield a gear set without tooth undercutting. The mating gear with profile shifting is generated using the pinion as a shaper. The tip fillet and root fillet are modified and a clearance between the pinion and the mating gear is also included in the design. Analysis results indicate that the change of distance between the centers of gear set depends only on gear shifting. Moreover, computer graphs are demonstrated the profile-shifted and the proposed modified gear tooth profiles.     

齿轮齿面喷丸强化研究现状与展望

疲劳与磨损是齿轮啮合过程中齿面的主要失效形式,严重影响齿轮的综合使用性能。喷丸强化工艺能够有效提高齿面抗疲劳和耐磨损性能,是一种重要的齿轮齿面强化方法。通过国内外文献分析可知:喷丸强化主要存在应力强化和组织强化两种强化机制。喷丸工艺参数对齿轮表面完整性影响的主要规律包括:残余压应力大小与工件硬度、强度成正比,而工件材料硬度越高,冷作硬化效果越弱;齿面粗糙度随覆盖率适当地增加而减小,随喷丸强度的提高而增大;喷丸强度、覆盖率、弹丸直径等喷丸工艺参数决定了残余奥氏体的转化量等。同时,国内外在喷丸强化工艺对齿轮接触疲劳性能、传动性能、磨削烧伤作用机理方面开展了大量研究,主要结论如下:残余压应力、硬度、晶粒细化程度的增加是齿轮接触疲劳性能提升和磨削烧伤修复的主要原因,喷丸引起的齿面粗糙度升高制约了齿轮使用性能的提升,可通过齿面抛光等精加工工艺来改善。此外,介绍了微粒喷丸、二次喷丸、振动喷丸等新型喷丸强化方法,从表面性能、环保、工程应用、疲劳性能等方面,客观评价了新型喷丸强化方法的优点与不足。最后,对齿轮齿面喷丸强化工艺进行总结,并对其发展趋势进行了展望。     

准双曲面齿轮数控加工仿真系统设计

根据准双曲面齿轮数控加工原理,提出了CNC铣齿机、齿轮毛坯和盘铣刀实体模型的具体构建方法;利用简化的齿轮毛坯实体模型和盘铣刀实体模型做布尔减运算,在计算机上实现了模拟工件材料的去除过程;通过加工仿真结果和实际加工结果对比,验证了加工仿真方法的正确性.所获得的仿真结果可为齿面接触分析和有限元应力分析提供精确的实体模型.     

基于自助法的弧齿锥齿轮齿面修正

为了降低弧齿锥齿轮在批量加工制造中存在的齿面偏差,提出一种基于自助法的弧齿锥齿轮齿面修正方法。以同一批次小样本弧齿锥齿轮作为研究对象,在自助法统计齿面偏差检测数据的基础上,得到大量的齿面偏差数据;利用NURBS曲面拟合方法构建齿面的均值差曲面,将它作为实际加工齿面,建立齿面偏差的数字化预控补偿模型,对它进行优化求解,得到批量齿面数控加工的机床修正参数,然后不断调整机床加工参数,实现齿面的预控修正补偿;最后对修正前、后齿面偏差作对比分析。结果表明：小轮齿面偏差比修正前降低了76.66%,验证了自助法齿面修正理论的有效性,对指导弧齿锥齿轮批量齿面修正提供了理论依据。     

齿面单坑缺陷下齿轮磨损演变与映射机制研究

齿面凹坑是常见的齿轮缺陷之一,在轮船、矿业机械、风电齿轮等大型重载齿轮传动机构中,齿轮更换拆卸极为不便,为避免齿轮发生严重失效造成的重大损失,需要准确判断齿轮的磨损特征和预测故障出现的时间和位置,探究齿面坑状缺陷对齿轮磨损进程的影响尤为必要。以齿面单坑缺陷齿轮的啮合历程为研究对象,采用控制变量的方法进行齿轮磨损特征对比。通过搭建的力系闭式齿轮试验台进行重载试验,利用铁谱分析技术和油样分析技术对磨损粒子作定量、定性分析,结合有限元分析和和齿面磨痕扫描电镜图片探究单坑缺陷下斜齿轮磨损演变与齿轮啮合状态的映射机制。研究结果表明：凹坑打在承载区,斜齿轮沿接触线方向的应力分布不均匀,凹坑周边区域存在应力集中现象;坑状缺陷改变了齿轮的啮合状态,缺陷轮齿齿根应力值明显大于正常轮齿,使得坑状缺陷的轮齿齿面抗磨损能力提高,但轮齿刚度降低,尤其进入剧烈磨损的后期,磨粒数量快速上升,并伴随齿面严重的剥落和塑性变形,加速轮齿疲劳断裂。