基于时变啮合力的非圆齿轮传动动态磨损研究

由非圆齿轮变速比传动特性引起的时变啮合力对轮齿传动磨损具有重要影响,以精梳机中关键核心部件的椭圆齿轮副为研究对象,应用Hertz基础理论和Archard磨损公式,建立了基于时变啮合力的齿轮磨损计算模型,采用当量齿数法对非圆齿轮的啮合刚度进行求解,分析了单个齿廓的时变啮合力和磨损量的变化规律;在此基础上,研究了阶数和偏心率对椭圆齿轮时变啮合力及磨损量的影响。结果表明,齿轮时变啮合力和齿面磨损量随着偏心率和椭圆齿轮阶数的增加呈现不同程度的增加;时变啮合力在单双齿啮合区交界处发生突变;齿廓磨损量在节圆附近接近零,在齿根和齿顶处的磨损量较大。在对非圆齿轮不同节曲线向径处的磨损量进行研究时发现,在最小节曲线向径处的齿根磨损量显著大于最大节曲线向径处。该研究结果为使用修形方法降低时变啮合力与磨损量,从而延长齿轮寿命提供了一定的理论依据。     

精确载荷分布下斜齿轮三维建模及弯曲应力分析

从范成法加工齿轮的原理出发,利用三维建模软件建立了渐开线斜齿圆柱齿轮的精确模型。根据齿轮啮合变形协调方程,利用线性规划法求解了齿轮副在各啮合节点的载荷分布情况,并计算了轮齿间的载荷分配率。利用有限元软件ANSYS计算了完整齿轮模型在啮合过程中的最大齿根弯曲应力,为齿轮弯曲强度校核提供了依据。研究结果发现,斜齿轮的最大弯曲应力有可能出现在多齿啮合的区域,这种现象与直齿轮有所不同。     

基于非圆节曲线的轮齿程序设计

根据非圆齿轮节曲线方程,推导非圆齿轮轮齿的齿顶、齿根及齿廓的曲线方程,编程实现了非圆齿轮齿形的计算机辅助设计,减轻了人工设计的工作量,增强了非圆齿轮齿形设计的直观性,并为非圆齿轮传动的计算机辅助设计打下了基础。     

啮合过程中人字齿行星传动齿轮齿根弯曲应力计算方法

利用线性规划法计算了人字齿轮在不同啮合位置下的载荷分配,得到了行星传动各齿轮的齿根弯曲应力随啮合位置改变的变化历程。整个计算过程实现了载荷和约束的自动施加,找到了齿根的最大应力及其位置。分析结果表明,齿根应力最大值一般出现在轮齿承受最大载荷的时刻附近。     

直齿面齿轮加载啮合有限元仿真分析

研究正交面齿轮在加载条件下面齿轮啮合的传动性能参数、齿面接触应力和轮齿弯曲应力变化规律的有限元分析计算关键技术,以赫兹接触应力解析公式计算结果为对比,提出接触应力和弯曲应力计算的有限元网格密度确定方法。根据面齿轮重合度,分析面齿轮加载啮合仿真的五齿模型和七齿模型适用场合,给出面齿轮在啮合过程中的齿面接触应力和齿根弯曲应力最大值位置,计算面齿轮多齿模型接触应力及弯曲应力极值,准确得到面齿轮传动的重合度、传动误差、载荷分布系数等传动性能参数,以及载荷对这些传动性能参数的影响规律。研究结果表明,赫兹接触应力解析公式计算的结果合理地确定了有限元模型的网格密度,有限元仿真得到的应力值可靠,传动性能参数的分析结论正确。     

非圆齿轮齿根过渡曲线分析

齿根过渡曲线的曲率半径大小,直接影响渐开线起始圆直径和齿根强度。从理论上分析了非圆齿轮过渡曲线及根切界限。渐开线直齿圆柱齿轮的齿根过渡曲线有多种形式,过渡曲线对于轮齿弯曲强度有重要意义。为了提高非圆齿轮仿真结果的准确程度,构建了非圆齿轮齿根过渡曲线方程,分析了齿根过渡曲线上的弯曲应力,并与不同齿根过渡曲线的弯曲应力进行对比,也为后续的仿真、有限元分析提供了一定的依据。为保证正常啮合,合理设计齿根圆角大小,合理选用刀具,探讨了刀具齿顶圆角与轮齿齿根圆角之间的对应关系,有其重要的现实价值。     

基于改进势能法的直齿轮时变啮合刚度计算方法研究

以势能法为基础，将轮齿全齿廓分为渐开线部分和过渡曲线部分，提出一种改进的直齿轮时变啮合刚度计算方法。该方法考虑了齿根过渡曲线的参数方程，基于渐开线起始点半径、基圆半径和齿根圆半径的相对大小关系，建立了不同齿数情况下的轮齿模型，对渐开线齿廓部分的积分上限进行了修正，使得轮齿模型更为精确。对不同齿数情况下的轮齿时变啮合刚度进行计算，将改进前后方法的计算结果进行对比。结果表明，由于渐开线齿廓起始点半径和基圆半径不重合导致的计算误差会随着齿数的增加而增大；对于齿数相差较大的轮齿进行时变啮合刚度计算时，应根据齿数大小分情况进行啮合刚度计算；若用统一的轮齿模型进行计算，可能会带来较大的计算误差。参考有限元法计算结果，分析了误差产生的原因，验证了本文中所提方法的有效性。     

关于面齿轮接触和弯曲应力有限元计算方法的研究

根据面齿轮加工基本坐标系和齿轮啮合原理,由刀具齿面方程和坐标转换矩阵建立了面齿轮齿面方程,通过编程计算出面齿轮齿面点,实现了面齿轮三维可视化建模。采用三维有限元分析方法,研究了5种不同载荷条件下面齿轮传动的接触应力、弯曲应力和重合度的变化规律。计算结果表明,随着载荷的增大,面齿轮齿面接触区和重合度增大;在单齿啮合时,面齿轮接触和弯曲应力最大,弯曲应力最大值出现在沿齿高方向靠近中间的位置。本文对面齿轮传动的强度设计具有一定的指导意义。     

准双曲面齿轮数字化建模与时变啮合特性分析

针对采用刀倾半展成法(HFT)加工的准双曲面齿轮副,根据机床各部件间运动学关系,采用齐次坐标变换的方法仿真刀具运动轨迹.基于曲面成形理论及共轭啮合原理,推导大小轮齿面及齿根过渡曲面方程,建立准双曲面齿轮副啮合数学模型.采用数值算法求解齿面啮合方程并进行轮齿接触分析(TCA),获得静态传动误差及啮合印痕.采集大小轮齿面离散点云坐标并进行三维建模,基于有限元软件ABAQUS分析准双曲面齿轮副不同工况下时变啮合特性.结果 表明,载荷变化对动态啮合力、传动误差、啮合刚度等参数的影响显著.随载荷增大,传动误差及啮合刚度曲线呈明显非对称特征,相关结果为准双曲面齿轮传动特性及动力学行为分析提供了依据.     

斜齿轮时变啮合刚度改进算法及影响因素分析

在势能法基础上,基于切片积分原理,考虑齿根过渡曲线方程,提出一种改进的斜齿时变啮合刚度计算方法。该方法考虑了真实齿根过渡曲线参数方程,修正了渐开线齿廓的积分区间,与有限元方法的对比结果验证了算法的有效性,减小了时变啮合刚度的计算误差。在此方法基础上,分析了齿宽、螺旋角、齿数和模数对时变啮合刚度的影响。结果表明,时变啮合刚度均值受齿宽影响较大,近似成线性关系;受螺旋角、齿数影响较小;螺旋角增大,均值以较小幅度波动性变化;中心距一定时,齿数增大,时变啮合刚度缓慢增大;齿轮参数改变会影响重合度;轴向重合度为整数时,时变啮合刚度波动值较小。     

内啮合斜齿轮高精度三维有限元自动建模方法

为提高内啮合斜齿轮有限元接触分析的建模速度和模型精度,提出了一种齿轮高精度三维有限元模型的自动建模方法。基于齿轮插刀齿廓方程,利用齿廓法线法,得到包括齿根过渡曲线的内、外斜齿轮端面齿廓,建立了内、外齿轮参数化粗网格有限元模型。开发了表层六面体网格剖分方法,自动识别齿面接触带单元,进行分级剖分细化,保证了有限元模型的建模精度和网格密度。进行了齿面接触分析,得到了内啮合斜齿轮的弯曲应力、接触应力、接触印痕、传动误差、时变啮合刚度和载荷分配率。粗细网格有限元模型计算结果对比分析表明,该方法提高了内啮合斜齿轮有限元建模效率和计算精度,缩短了计算时间,为快速准确的齿轮接触分析奠定了基础。     

时变位姿下行星齿轮传动系统动应力计算模型及其参数影响研究

考虑行星轮系内部非惯性和机体时变位姿外部非惯性的综合影响,推导了任意时变位姿下带有机匣的行星轮系构件运动方程,计入时变啮合刚度、啮合误差、侧隙和啮入冲击,建立了时变位姿下行星齿轮传动系统级动力学模型,并采用精细积分时程法（Precision integration method,PIM）求解得到了动态啮合力序列。根据齿间载荷分配关系进一步得到单齿啮合力序列。最后结合修正Heywood公式与Hertz公式构建了时变位姿下行星齿轮传动系统齿根弯曲动应力和接触动应力计算模型,并研究了机体平飞、滚转和筋斗位姿参数对接触动应力、弯曲动应力的影响规律。结果表明：不同时变位姿参数对弯曲、接触动应力影响显著,且对不同齿轮副影响不同,即加剧了齿轮副间承载不均;筋斗运动角速度对动应力影响比平飞加速度、滚转角速度以及筋斗回转半径对其影响复杂;机匣对动应力影响随加速度增大而增加。研究成果为时变位姿下行星齿轮传动动应力计算与高可靠性设计提供了理论依据。     

含侧隙齿轮副的动载荷分析

以振动理论为基础，提出一种考虑齿轮拍击振动的齿轮动载荷的数值计算方法。建立计算动载荷的齿轮冲击模型，在模型中考虑了齿轮正、反冲击时实际的啮合刚度，并给出啮合柔度的计算方法。分析在考虑静态传递误差、啮合刚度、侧隙、摩擦力及外部扭矩变化等多种激励时，作用在轮齿上的动态载荷以及整个齿轮上的综合动态载荷的计算公式。最后通过实例分析作用在轮齿上的动态载荷、综合动态载荷变化规律以及相关激励参数对动态载荷的影响。     

高重合度摆线内齿轮副齿面接触强度研究

合理的齿轮强度计算是实现齿轮结构设计及优化、保证留有适当裕量的基础。高重合度摆线内齿轮副同时参与啮合的轮齿对数较多,齿根弯曲应力很小,所以只需考虑齿面接触强度问题。基于改进能量法和赫兹弹性理论,推导了理想条件下该齿轮副的时变啮合刚度、齿间载荷分配和齿面接触强度计算模型。鉴于共轭齿廓节点处曲率半径为零,研究了节点附近不参与啮合的齿廓修形区域优化问题,在此基础上,通过将齿轮加工中产生的各种误差及侧隙转化为理论齿廓公法线上的偏移量,分析了不同加工误差对承载特性的影响程度,并在ABAQUS中进行了加载接触有限元分析验证。结果表明,该齿轮副对加工误差（侧隙）非常敏感,即对精度要求很高,为齿面接触强度计算和误差控制提供了技术支持。     

Localised tooth contact analysis of single envelope worm gears with assembly errors

This paper presents the basis of loaded tooth contact analysis and predicts the influence of assembly errors on localised contact stress distribution in single enveloping (cylindrical) worm gearing during a meshing cycle. A method for loaded tooth contact analysis, geometry and kinematics of such gear pairs is developed. The method accounts for the effects of tooth composite deflection caused by bending, shearing, foundation, tooth contact deformation and initial profile separation due to assembly errors. The method includes the determination of contact lines, load and stress distribution due to assembly errors. Because of the complex geometry of worm gear teeth, the tooth bending stiffness is calculated using the slicing technique developed earlier by the authors. Classical Hertz theory is used for calculating contact stress and deformation. A computer program based on the presented method has been developed and used to study the influence of errors on mating teeth contact. It is shown that the governing factors in loaded gears with assembly error are the mesh stiffness and the amount of error which is linked to load sharing between adjacent tooth pairs. A numerical example is presented to further clarify the outlined method.     

基于MATLAB的高阶椭圆齿轮副节曲线的设计

为了使非圆齿轮节曲线的设计及计算更加精确快速,以高阶椭圆非圆齿轮为研究对象,根据非圆齿轮的啮合原理,建立起非圆齿轮节曲线的数学模型。采用MATLAB仿真计算软件,根据数值计算方法,对椭圆齿轮节曲线的凹凸性进行判断并对其弧长进行精确计算。运用三次样条插值法进行拟合,绘制出齿轮副的节曲线图形。最后,以椭圆齿轮副的传动比曲线为研究对象,重点讨论了传动比与齿轮副阶数及偏心率的变化关系。     

基于啮合特性直齿锥齿轮分支传动静力学均载分析

为了改善直齿锥齿轮分支传动系统性能,提出基于啮合特性的静态均载分析方法。通过建立考虑中心轮安装误差的单级分支系统多体齿轮齿面接触分析(MTCA)方法,获得各齿轮副初始接触间隙;计及该间隙引起的啮合偏差,采用集中参数法主要考虑中心轮的浮动特性,建立考虑其支撑变形、各齿轮扭转变形相互耦合的静力学平衡方程,获得各分支均载系数,分析了载荷、安装误差、支撑刚度等对系统均载系数的影响。结果表明,随支撑刚度、安装误差的增大,均载系数逐渐增大,轴向对正误差和偏置对正误差对均载系数的影响是等效的;随转矩的增加,均载系数逐渐减小;各分支齿轮副的几何传动误差大小反映了均载系数变化规律,即齿面初始间隙越大,承担的载荷越小。研究结果为高精度直齿锥齿轮分支系统的均载分析提供了理论参考。     

高阶变性偏心共轭非圆齿轮的凹凸性及根切判别

为满足一个运动周期内传动比有多个非对称变化的要求,提出了一种新型非圆齿轮形式--高阶变性偏心共轭非圆齿轮,建立了高阶变性偏心共轭非圆齿轮节曲线方程。依据微分几何原理,推导建立了主从动轮节曲线的凹凸性判别条件和加工过程中不发生根切时齿轮模数与节曲线最小曲率半径之间的关系。运用VB语言编写了高阶变性偏心共轭非圆齿轮的设计与仿真程序,并通过算例予以验证。     

Dynamic interaction between contact loads and tooth wear of engaged plastic gear pairs

This study investigates the interaction between the dynamic contact load and the tooth profile wear of POM and Nylon 66 plastic gear pairs. A dynamic model of a plastic gear pair is presented. This model incorporates the effects of position-varying tooth mesh stiffness, damping ratio, load sharing, tooth profile wear and temperature on the dynamic contact load. The tooth wear equation developed by Flodin and Andersson [Simulation of mild wear in spur gears. Wear 1997;207:16–23] is utilized to simulate tooth wear and tooth profile variation. The variation of the contact load generated by the cumulative tooth profile wear is simulated and examined. A computational algorithm is developed to simulate the interaction between a dynamic contact load and tooth profile wear. Numerical results demonstrate that the dynamic load histogram of an engaged plastic gear pair can change markedly due to tooth wear.