非对称渐开线齿轮传动特性及应用基础研究

发布时间：2020-10-08 21:05

　　齿轮是动力机械装备的主要传动零件之一。非对称齿轮是一种为了提高轮齿的抗弯曲强度而提出的新型齿轮。该齿轮具有承载能力大、体积小、重量轻、使用寿命长等优点,开展非对称齿轮的研究,对航天、航空等场合下重载、高速齿轮的应用具有重要的理论指导和现实意义。本文采用理论分析、数值模拟和实验测试相结合的方法,以非对称渐开线齿轮为对象,研究齿面摩擦下单、双模数非对称齿轮的传动性能,探索提高非对称齿轮传动性能的新方法、新理论和新技术,主要研究工作如下： 1.阐述了非对称渐开线斜(圆锥)齿轮齿廓曲面的生成原理,推导出单、双模数非对称渐开线齿条刀具的参数方程根据非对称齿轮的结构特点,阐述了非对称渐开线斜(圆锥)齿轮齿廓曲面的生成原理,为进一步推广非对称齿轮奠定了理论基础；为了加快单、双模数非对称齿轮的研究和应用,结合单、双模数非对称齿轮的特点,推导出单、双模数非对称渐开线齿条刀具的参数方程。 2.建立齿面摩擦下非对称渐开线齿轮齿面接触应力和齿根弯曲应力的数学模型在考虑齿面摩擦影响的情况下,通过建立轮齿受力的数学模型,推导出单、双模数非对称渐开线齿轮齿面接触应力和齿根弯曲应力的数学模型,为提高齿面接触强度和齿根弯曲强度提供了理论依据。 3.建立齿面摩擦下非对称渐开线齿轮支座反力的数学模型通过对轮齿受力进行分析,在引入齿间载荷分配因数的情况下,建立齿面摩擦作用下单、双模数非对称渐开线齿轮支座反力的数学模型,给出了表征齿轮支座反力波动程度的评价指标,为提高齿轮传动平稳性提供了理论参考。 4.建立非对称渐开线齿轮齿廓滑动系数的数学模型利用啮合齿廓接触点的公法线矢量和接触点相对运动速度方向的法曲率,推导出空间啮合状态下,单、双模数非对称渐开线齿轮齿廓滑动系数的矢量计算公式；以及单、双模数非对称渐开线直齿圆柱齿轮齿廓滑动系数的简化计算公式；为揭示齿轮摩擦、磨损的机理提供了理论依据。 5.实现了非对称渐开线齿轮啮合效率的预测在引入轮齿啮合点齿廓曲率半径的条件下,通过对轮齿的单、双齿啮合情况进行受力分析,建立任意齿间载荷分配因系数下单、双模数非对称渐开线齿轮啮合效率的数学模型,并对各种条件下齿轮啮合效率进行了预测,为非对称渐开线齿轮传动效率的确定,提供了一种快速、便捷的方法。 6.非对称渐开线齿轮传动系统的测试及实验设计设计了非对称渐开线齿轮传动系统的测试平台,进行了齿轮传动装置噪声和振动加速度的测试,分析了对称齿轮和非对称齿轮在不同啮合状态下的动态性能。研究表明,在非对称渐开线齿轮齿面接触应力和齿根弯曲应力的计算中不可忽视齿面摩擦的影响；非对称渐开线齿轮在轮齿强度、齿廓滑动系数、啮合效率、振动、噪声等方面的性能指标均优于对称渐开线齿轮；相对于单模数对称渐开线齿轮,双模数非对称渐开线齿轮不仅可节省材料、减轻重量、提高齿面接触强度和齿根弯曲强度,而且由于齿廓滑动系数值较小,齿面磨损也较轻。与对称渐开线齿轮相比,非对称渐开线齿轮齿面接触应力可降低28.86%,齿根弯曲应力可降低6.37%。在考虑齿面摩擦的情况下,非对称渐开线齿轮齿面接触应力将增大7.51%,齿根弯曲应力将增大7.12%。与单模数对称渐开线齿轮相比,双模数非对称渐开线齿轮齿面接触应力可降低34.74%。对于单模数非对称齿轮,增大压力角,齿顶滑动系数可降低17.42%,齿根滑动系数可降低40.28%。对于双模数非对称齿轮,增大压力角,齿顶滑动系数可降低21.81%,齿根滑动系数可降低34.75%。对称渐开线齿轮的啮合效率为97.73%,而同等条件下非对称渐开线齿轮的啮合效率为98.24%。对称渐开线齿轮的噪声为83.685.0 dB,而非对称渐开线齿轮噪声72.6—73.7 dB。对称渐开线齿轮的振动加速度峰—峰值为4.49 G—-4.29 G,而非对称渐开线齿轮的振动加速度峰—峰值为1.02G—-1.08 G。研究表明,采用非对称齿轮能显著提高齿轮的传动性能,对于高速、重载、大功率齿轮传动场合具有非常重要的意义。本文的研究得到了国家自然科学基金资助(No.51075192)。
【学位单位】：江苏大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2012
【中图分类】：TH132.41
【部分图文】：

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2.1非对称渐开线齿廓生成原理非对称渐开线直齿轮齿廓曲线生成原理非对称渐开线是由两条发生线沿不同半径的基圆圆周做纯滚动时形成的。图2.1给出了非对称渐开线的形成过程。当发生线材材沿半径为气。的基圆圆周做无滑动的纯滚动时，其上一点K的轨迹即为非对称齿轮的工作侧齿廓，相应的基圆为工作侧基圆。当发生线刀N沿半径为凡。的基圆圆周做无滑动的纯滚动时，其上一点H的轨迹即为非对称齿轮的非工作侧齿廓，相应的基圆为非工作侧基圆。由图2.1可得非对称渐开线的方程式为饭一里鱼一COS仪Kd久d=tanoKd一“Kd (2.1)(2.2)牛一二竺一COS议He氏。=tanoH。一。He (2.3) (2.4)[式中，久d—工作侧齿廓曲线上K点的展角，。K。—工作侧齿廓曲线上K点的压力角

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Fig.2.2For而ngoftoothsurfaeesofasyr口n〕etrieinvoluteheliealgearwithdoublePressureangles2.1.3非对称渐开线圆锥齿轮齿廓曲面生成原理a)b)图2.3非对称渐开线圆锥齿轮齿廓曲面的生成Fig.2·3FOrmingoftoothsurfacesofasylnlnetricinvoluteconegearwithdoublePressureangles非对称渐开线圆锥齿轮齿廓曲面是由两个发生面分别绕不同底面半径的基圆锥面做无滑动的纯滚动时形成的。图2.3给出了非对称渐开线圆锥齿轮齿廓曲面的生成过程

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Fig.2· 3FOrmingoftoothsurfacesofasylnlnetricinvoluteconegearwithdoublePressureangles非对称渐开线圆锥齿轮齿廓曲面是由两个发生面分别绕不同底面半径的基圆锥面做无滑动的纯滚动时形成的。图2.3给出了非对称渐开线圆锥齿轮齿廓曲面的生成过程。具体为:1)以几。为底面半径做出非对称渐开线直齿圆锥齿轮工作侧基圆锥面，发生面1与工作侧基圆锥面相切，线段产刀为发生面1与工作侧基圆锥面的切线。当发生面1沿着工作侧基圆锥面做无滑动的纯滚动时，点A的轨迹弧月A’即为非对称渐开线直齿圆锥齿轮的工作侧齿廓曲面。2)以气。为底面半径做出非对称渐开线直齿圆锥齿轮非工作侧基圆锥面，发生面

【引证文献】