渐开线直齿锥齿轮修形设计及齿形优化

发布时间：2017-05-24 04:14

  本文关键词：渐开线直齿锥齿轮修形设计及齿形优化，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：齿轮由于具有良好的传动性能，而且便于制造、安装、测量和互换使用，因此被广泛应用于工业领域。其中，渐开线直齿锥齿轮常用在汽车差速器等相交轴传动的零部件中，其传动质量会直接影响整个齿轮系统的工作性能。随着工业对齿轮传递运动的准确性、传动平稳性及承载均匀性要求的提高，有必要对齿轮传动的动态特性进行深入研究。 齿轮系统在工作中受制造安装误差、弹性变形及热变形等因素的影响，会导致齿轮在啮合时产生严重的啮入啮出冲击、载荷过渡不平稳和“端啮”应力集中现象。然而，通过齿轮的修形技术能有效的改善以上现象，同时扩宽渐开线齿轮的应用范围，提高齿轮的传动品质。针对于此，本文以精锻渐开线直齿锥齿轮为研究对象，以齿轮啮合原理、齿轮修形理论及有限元理论为基础，借助计算机三维实体建模技术、数值仿真技术，以提高齿轮啮合过程中的传动平稳性和均化轮齿载荷为目的，通过深入研究直齿锥齿轮在啮合过程中的弹性变形及应力分布，获得修形对锥齿轮动态特性的影响，以得到具有良好修形效果的轮齿齿形。针对具体的工况对锥齿轮进行目标变曲率曲面修形，以期获得理想的修形效果，完善渐开线直齿锥齿轮修形理论。 本文首先根据锥齿轮基本结构参数和空间球面渐开线方程，基于SolidWorks建立精确的锥齿轮三维实体模型，解决了用背锥渐开线代替空间球面渐开线精度不足的问题。基于赫兹理论及材料力学理论分析了齿轮的受载变形与应力情况，并介绍了有限元理论，而后基于ANSYS/LS-DYNA建立了锥齿轮副有限元模型，并对其进行动态接触有限元仿真，为修形锥齿轮的实体建模、有限元建模及仿真分析提供基础。 本课题组虽然在渐开线直齿锥齿轮等距修形设计及工艺方面做过较深入的研究，但是尚未总结出在特定工况下的最优修形参数，即合理确定等距修形位置、修形量及修形高度。因此，本文采用经验法选取合理范围内的参数，利用正交试验设计对锥齿轮的等距修形进行优化研究，得出了等距修形的各修形因素对锥齿轮动态特性的影响程度及最优等距修形参数，并与传统的中心对称鼓形修形对比综合修形效果，得出了所给工况下的最佳修形齿形，为完善渐开线直齿锥齿轮修形理论提供参考。 在工作中的锥齿轮副会受到各种安装、制造误差及复杂载荷的影响，导致轮齿载荷分布及变形十分复杂，沿齿宽方向上的轮齿误差也不完全按对称圆弧鼓形分布。因此，采用等距修形和传统等半径对称圆弧鼓形修形虽然都能在一定程度上改善冲击和载荷分布状态，但是不能达到具体工况下的理想修形效果。本文考虑轮轴弹性变形对齿轮修形的影响，结合具体工况对锥齿轮进行目标变曲率曲面修形以获得理想的修形效果。 考虑变曲率曲面修形的复杂性，利用常规空间球面渐开线拉伸扫掠标准齿轮模型齿面去除材料的方法已经不能满足精确变曲率鼓形修形锥齿轮建模的要求，同时这种方法不能实现变曲率鼓形修形锥齿轮的参数化建模。因此，本文推导出变曲率鼓形修形齿面方程，，综合利用ANSYS/LS-DYNA、Imageware、Matlab及SolidWorks等工具在造型方面不同的优势，基于三维实体建模技术、有限元技术、反求建模技术等，提出了针对具体工况考虑齿轮轴的弹性变形进行目标变曲率曲面修形锥齿轮精确三维实体造型的方法，保证了后续有限元仿真的精度，同时为实现变曲率鼓形修形锥齿轮模型的参数化建模提供理论基础。最后，通过对所研究锥齿轮副的动态接触有限元仿真，验证了变曲率曲面修形的必要性与优越性。
【关键词】：渐开线直齿锥齿轮 齿形修形 有限元仿真分析 正交优化设计 目标变曲率曲面修形
【学位授予单位】：济南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TH132.413
【目录】：

• 摘要8-10
• Abstract10-13
• 第一章 绪论13-27
• 1.1 引言13-14
• 1.2 论文研究的来源、目的及意义14-15
• 1.2.1 论文研究来源14
• 1.2.2 论文研究目的及意义14-15
• 1.3 齿轮修形理论15-19
• 1.3.1 齿轮噪声与齿廓修形15-17
• 1.3.2 齿轮承载能力与齿向修形17-18
• 1.3.3 齿轮的综合修形及其修形形式18-19
• 1.4 课题研究现状19-23
• 1.4.1 关于齿轮修形技术的研究现状19-21
• 1.4.2 齿轮接触有限元分析及齿形优化研究现状21-23
• 1.5 本文研究内容23-27
• 第二章 渐开线直齿锥齿轮修形设计的研究基础27-39
• 2.1 引言27
• 2.2 齿轮接触问题经典力学解法及数值解法27-33
• 2.2.1 齿轮接触问题的解析解法及修形量的确定方法27-32
• 2.2.2 有限元法基本原理32-33
• 2.3 ANSYS/LS-DYNA 简介33-37
• 2.3.1 LS-DYNA 接触分析类型34-35
• 2.3.2 LS-DYNA 接触算法35-37
• 2.4 对齿轮进行动态接触有限元分析的必要性37
• 2.5 本章小结37-39
• 第三章 渐开线直齿锥齿轮的数字化技术研究39-51
• 3.1 引言39
• 3.2 基于 SolidWorks 的渐开线直齿锥齿轮三维实体精确建模39-42
• 3.2.1 球面渐开线的形成及其数学方程39-40
• 3.2.2 渐开线直齿锥齿轮精确三维实体造型及装配40-42
• 3.3 基于 ANSYS/LS-DYNA 的渐开线直齿锥齿轮有限元分析流程42-43
• 3.4 基于 ANSYS/LS-DYNA 的渐开线直齿锥齿轮动态接触有限元仿真43-48
• 3.4.1 动态接触有限元仿真模型的建立43-47
• 3.4.2 动态仿真结果及后处理47-48
• 3.5 本章小结48-51
• 第四章 渐开线直齿锥齿轮齿形修形参数的优化设计研究51-63
• 4.1 直齿锥齿轮等距修形参数的正交试验设计51-53
• 4.1.1 直齿锥齿轮等距修形51-52
• 4.1.2 正交试验设计因素及水平的确定52-53
• 4.1.3 正交表的表头设计53
• 4.2 等距修形正交试验设计的有限元结果分析53-57
• 4.2.1 极差分析53-55
• 4.2.2 最优等距修形锥齿轮模型的动态响应分析55-56
• 4.2.3 最优等距修形锥齿轮模型的齿向应力分布结果分析56-57
• 4.3 中心对称等半径圆弧鼓形修形57-61
• 4.3.1 鼓形齿的设计及鼓形量的确定57-59
• 4.3.2 中心对称等半径圆弧鼓形修形锥齿轮模型的动态响应分析59-60
• 4.3.3 中心对称等半径圆弧鼓形修形锥齿轮模型的齿向应力结果分析60-61
• 4.4 综合性能最佳的修形参数的确定61-62
• 4.5 本章小结62-63
• 第五章 渐开线直齿锥齿轮变曲率曲面修形技术研究63-75
• 5.1 引言63
• 5.2 带长轴标准渐开线直齿锥齿轮三维实体建模及其动态接触有限元模型的建立63-64
• 5.3 渐开线直齿锥齿轮变曲率曲面修形64
• 5.4 便于实现参数化的变曲率曲面修形锥齿轮的精确建模64-70
• 5.4.1 轮齿齿向弹性变形量的有限元分析及变曲率曲线拟合65-66
• 5.4.2 变曲率曲面修形齿面方程的建立66-69
• 5.4.3 基于 Matlab 的变曲率曲面修形齿面的绘制及齿面数据提取69
• 5.4.4 基于 Imageware 和 SolidWorks 的变曲率曲面修形锥齿轮模型重构69-70
• 5.5 基于 ANSYS/LS-DYNA 的锥齿轮副动态接触有限元结果分析70-73
• 5.5.1 带长轴未修形锥齿轮模型的有限元结果分析70-71
• 5.5.2 不同修形形式的带长轴锥齿轮模型的有限元结果分析71-73
• 5.5.2.1 带长轴中心对称鼓形修形锥齿轮模型的有限元结果分析71
• 5.5.2.2 带长轴等距修形锥齿轮模型的有限元结果分析71-72
• 5.5.2.3 变曲率曲面修形锥齿轮模型的有限元结果分析72
• 5.5.2.4 几种修形效果的比较72-73
• 5.6 本章小结73-75
• 第六章 结论与展望75-77
• 6.1 结论75-76
• 6.2 展望76-77
• 参考文献77-81
• 致谢81-83
• 附录83

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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4 尚振国;刘辉;谢忠东;武力波;王迎春;;齿轮修形原理及应用[J];大连水产学院学报;2009年S1期

5 李英杰,支秋玲;采用设计齿形修形技术提高工程机械传动装置性能[J];工程机械;2005年03期

6 吴勇军;王建军;韩勤锴;李其汉;;基于接触有限元分析的斜齿轮齿廓修形与实验[J];航空动力学报;2011年02期

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1 尚振国;风力发电机增速器齿轮修形技术研究[D];大连理工大学;2010年

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本文编号：389809