對數(shù)螺旋線齒錐齒輪嚙合原理分析

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1、內(nèi)蒙古科技大學(xué)碩士學(xué)位論文引言根據(jù)齒輪節(jié)曲線的不同，傳統(tǒng)螺旋錐齒輪一般分為圓弧齒錐齒輪、準漸開線齒錐齒輪及延伸外擺線錐齒輪，它們以其具有重疊系數(shù)大、噪音小，承載能力高的優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用到各種高速重載的相交軸傳動中，如汽車、拖拉機、航空、航海和各種精密機床等行業(yè)。由于螺旋錐齒輪其嚙合理論在所有齒輪中難度最大，其設(shè)備在各種金屬切削機床中結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜，目前國外也只有美國的格林森(GLEASON)，瑞士的奧利康(OERLIKON)和德國的克林貝格(KLINGELNBERG)三家擁有該方面技術(shù)，并形成準雙曲面和延伸外擺線兩種齒制，也就是平時所說的格里森齒輪、奧

2、利康齒輪和克林貝格齒輪。因此其核心技術(shù)目前仍然對我國是封閉的，在其嚙合理論及設(shè)計加工方法靠我國自行研究。隨著計算機和微電子技術(shù)全面滲入齒輪理論推導(dǎo)、設(shè)計、試驗、制造和檢測等各個領(lǐng)域，微型計算機和成套的運算軟件的使用與開發(fā)使計算復(fù)雜的嚙合理論符號與數(shù)值運算成為可能，使齒輪的設(shè)計與仿真完好的結(jié)合起來，開創(chuàng)了虛擬現(xiàn)實評價的平臺。同時數(shù)字控制技術(shù)的飛速發(fā)展與高精度電子傳動的實現(xiàn)，又為高精、高效和柔性化的齒輪加工開辟了嶄新途徑。目前，國外齒輪在嚙合理論核心方面仍然處于壟斷地位，在加工機床上迅速走向NC化，齒輪機床數(shù)控化后，可省掉大部分的傳動機構(gòu)，簡化其結(jié)構(gòu)，并

3、極大地提高了機床的柔性，擴大了機床的加工和適用范圍，還相應(yīng)提高了齒輪的加工精度。同時簡化了機床的操作，使一向被許多人認為主體是機械加工的齒輪技術(shù)實現(xiàn)所謂的軟化。實現(xiàn)齒輪的高精高效和柔性自動化加工，是齒輪制造技術(shù)的主要發(fā)展方向。國內(nèi)在螺旋錐齒輪嚙合理論分析研究上自二十世紀七十年代以來，國內(nèi)大批學(xué)者、專家、及科研院所投入研究，目前雖取得了顯著的成績，但在一些關(guān)鍵技術(shù)上仍就不能做出很好的解釋，受制于國外。在加工上主要采用機械式，并存在著一些問題。首先，由于螺旋錐齒輪齒面形狀與加工原理比較復(fù)雜，使得相應(yīng)的機床結(jié)構(gòu)也非常復(fù)雜，除了含傳動鏈，展成鏈，分齒機構(gòu)之外

4、，還有變性機構(gòu)或刀傾機構(gòu)等。復(fù)雜的機床結(jié)構(gòu)給加工帶來了一定的誤差。另外，由于螺旋錐齒輪副的齒面是局部共軛的，它是用節(jié)面上一點的二階密切拋物面來逼近整個齒面，只控制計算點上的法矢和曲率，所以這種齒輪副若要達到嚙合要求，必須反復(fù)地調(diào)整、修正。整個過程非常繁雜，一次1計算涉及500多項參數(shù)，并需要十多次反復(fù)調(diào)整計算和試切，操作人員的勞動強度大，而且對操作人員本身的要求也非常高，這就使得加工一對齒輪的周期長，成本高。而螺旋錐齒輪的數(shù)控加工機床主要依賴進口，對于螺旋錐齒輪-1-內(nèi)蒙古科技大學(xué)碩士學(xué)位論文[6-7]數(shù)控銑床每臺價格為80到120萬美元，而磨床則高

5、達200萬美元，并且在引進后往往還需廠家?guī)е慵ザㄘ浐臀芯幊蹋庸ぜ夹g(shù)受制于人。由于技術(shù)權(quán)益的原因，其原理和控制方法均未公開。在國內(nèi)，全數(shù)控系統(tǒng)的技術(shù)研究剛剛起步，當要求齒輪副在高速重載且低噪的情況下運行，若考慮力變形與熱變形的影響，齒面形狀將是一種非標準齒形，常規(guī)機械式加工方式難以勝任，一般需要使用特殊刀具來加工。由于數(shù)控加工對機床運動的任意可控性，則能實現(xiàn)使用一般刀具對任意齒面形狀的加工。因此，為進一步改變理論不夠完善的現(xiàn)狀，提高齒輪加工的柔性、效率、精度，降低加工成本，改善齒輪副的嚙合狀況，有必要繼續(xù)深入地研究嚙合理論及設(shè)計方法，并采用先進

6、的CNC技術(shù)來簡化齒輪加工機床的傳動結(jié)構(gòu)，同時從齒形空間曲面嚙合直接出發(fā)，利用數(shù)控機床加工復(fù)雜曲面的能力在齒輪加工原理上予以突破，不失時機地創(chuàng)新。目前關(guān)于螺旋錐齒輪，國內(nèi)外尚有許多待研究并需要解決之處，它們的主要問題是：1)關(guān)于螺旋錐齒輪振動和噪聲問題的研究剛剛起步，缺乏統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型和公式。譬如，建立包括間隙、傳動誤差和時變嚙合剛度的多自由度微分方程；建立一個幾何、力學(xué)和動力學(xué)的統(tǒng)一方程，架起力學(xué)和幾何研究的橋梁。2)目前在螺旋錐齒輪嚙合理論的研究上，仍保持過去的不完全理論，即沒有從根本上解決在齒長方向上螺旋角不等帶來的諸如振動、噪聲、穩(wěn)定性等方面

7、問題，僅局限于參數(shù)上的修改。3)在螺旋錐齒輪設(shè)計和制造中，偏重于對齒面印痕的控制(而且也達不到預(yù)期的齒面印痕)，缺乏對傳動誤差的控制，更缺乏可用于生產(chǎn)實際的檢測手段，對動態(tài)特性改進無從著手。譬如加工機床傳動鏈誤差、機床受力變形都未在切齒調(diào)整中考慮。4)對于國內(nèi)的大多數(shù)企業(yè)來說，國外的CNC機床過于昂貴，國內(nèi)的CNC機床目前還不成熟，尚無法普及使用，所以急需簡便、實用基于現(xiàn)有機床和加工方法，可用于螺旋錐齒輪動態(tài)特性控制的設(shè)計、制造和檢測手段。近年來，螺旋錐齒輪在振動、噪聲、強度等方面的研究得到各國有關(guān)專家的廣泛研究和關(guān)注，成為齒輪生產(chǎn)中的關(guān)鍵技術(shù)和制高

8、點。本文鑒于此，將對數(shù)螺旋線應(yīng)用于螺旋錐齒輪節(jié)曲線，稱為對數(shù)螺旋錐齒輪，主要分析研究其基本嚙合理論，為進一步