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对数螺旋锥齿轮CAE若干关键技术研究

发布时间:2018-02-13 06:54

  本文关键词: 对数螺旋锥齿轮 三维参数化建模 Boolean求差建模 均值-极差控制图 Lanczos数值计算法 罚函数法求解接触问题 铣削参数优化 出处:《华侨大学》2017年博士论文 论文类型:学位论文


【摘要】:常规螺旋锥齿轮齿向线上的螺旋角,随着齿向线位置的不同而变化,为了确保啮合点的螺旋角相等,在加工过程中需要调整机床若干参数,给制造带来了困难。对数螺旋锥齿轮是以圆锥对数螺旋曲线为齿向线,以渐开线为齿廓曲线的新型螺旋锥齿轮,圆锥对数螺旋曲线上任一一点沿着圆锥对数螺旋曲线的切线方向与圆锥母线的夹角为定值,即螺旋角为定值,具有更好的传动特性。本文拟以对数螺旋锥齿轮为研究对象,重点围绕三维参数化建模、啮合角速度及切向接触力仿真、自由模态分析、齿面接触数值分析及五轴联动数控加工实验等进行系统的研究,论文的主要研究内容概括如下:(1)基于Boolean求差运算的对数螺旋锥齿轮三维参数化建模的研究。提出基于Boolean求差运算的建模方法,并以主要参数:齿数为9:37,大端模数为5.4 mm,压力角为20°,螺旋角为35°的一对对数螺旋锥齿轮为例,对其进行精确建模。以UG/OPEN GRIP为二次开发工具,设计出参数化建模的界面,实现对数螺旋锥齿轮的三维参数化建模。(2)基于Hertz接触理论的对数螺旋锥齿轮的啮合角速度及切向接触力的仿真研究。构建适用于啮合角速度与切向接触力仿真的计算公式,模拟对数螺旋锥齿轮啮合和常规螺旋锥齿轮啮合的角速度和切向接触力的工作状态和性能,仿真结果表明对数螺旋锥齿轮传动的平稳性优越于常规螺旋锥齿轮。(3)基于Lanczos法的螺旋锥齿轮的自由模态分析与Poly Max法实验验证。基于Lanczos数值计算方法进行迭代计算求解,就对数螺旋锥齿轮的小齿轮、大齿轮、装配体和常规螺旋锥齿轮大齿轮做有限元自由模态分析。借助LMS模态分析模块,搭建螺旋锥齿轮自由模态分析的实验平台,采用最小二乘复频域Poly Max方法提取出模态参数,实验模态测试结果与有限元分析结果有较好的一致性。(4)基于罚函数法的对数螺旋锥齿轮齿面接触分析研究。根据罚函数法将附加约束条件引入泛函求极值,建立罚函数法求解接触问题的有限元求解方程。分别对常规螺旋锥齿轮和对数螺旋锥齿轮进行齿面接触应力和齿根弯曲应力的数值分析,并与ISO10300-2001解析计算进行对比。啮合接触印痕的数值分析结果与实验结果基本吻合。(5)对数螺旋锥齿轮实物的五轴联动数控加工工艺与铣削参数优化研究。在普通卧式车床C6140A1上加工出齿坯,根据球头铣刀与对数螺旋锥齿轮齿面的关系,生成刀具轨迹,确定走刀行距,编制出对数螺旋锥齿轮数控加工的刀具路径。在德玛吉DMU 40 mono BLOCK五轴联动立式加工中心上加工出收缩齿对数螺旋锥齿轮大、小齿轮实物。
[Abstract]:The spiral angle on the tooth line of the conventional spiral bevel gear varies with the position of the tooth direction. In order to ensure the equal helical angle of the meshing point, some parameters of the machine tool need to be adjusted in the process of machining. The logarithmic spiral bevel gear is a new type of spiral bevel gear which takes the cone logarithmic spiral curve as the tooth direction and the involute as the tooth profile curve. The angle between the tangent direction of the cone logarithmic spiral curve and the cone busbar is a definite value, that is, the spiral angle is a definite value, which has better transmission characteristics. In this paper, the logarithmic spiral bevel gear is taken as the research object. Focusing on 3D parametric modeling, meshing angular velocity and tangential contact force simulation, free mode analysis, tooth surface contact numerical analysis and five-axis linkage NC machining experiment, etc. The main research contents of this paper are summarized as follows: (1) 3D parametric modeling of logarithmic spiral bevel gears based on Boolean difference operation. Taking a pair of logarithmic spiral bevel gears with tooth number of 9: 37, large end modulus of 5.4 mm, pressure angle of 20 掳and spiral angle of 35 掳as an example, a pair of logarithmic spiral bevel gears with a tooth number of 9: 37, a pair of logarithmic spiral bevel gears with a helical angle of 35 掳are modeled accurately. The interface of parameterized modeling is designed with UG/OPEN GRIP as a secondary development tool. The 3D parametric modeling of logarithmic spiral bevel gear is realized. (2) based on Hertz contact theory, the simulation study of the meshing angular velocity and tangential contact force of logarithmic spiral bevel gear is carried out, and the calculation formula suitable for the simulation of meshing angular velocity and tangential contact force is constructed. Simulating the working state and performance of logarithmic spiral bevel gear meshing and conventional spiral bevel gear meshing angular velocity and tangential contact force, The simulation results show that the smoothness of logarithmic spiral bevel gear transmission is superior to that of conventional spiral bevel gear. The free mode analysis of spiral bevel gear based on Lanczos method is verified by Poly Max method, and the iterative calculation is carried out based on Lanczos numerical method. The finite element free modal analysis of small gear, big gear, assembly body and conventional spiral bevel gear of logarithmic spiral bevel gear is done. With the help of LMS modal analysis module, the experimental platform of free modal analysis of spiral bevel gear is built. The modal parameters are extracted by the least square complex frequency domain Poly Max method. The experimental modal test results are in good agreement with the results of finite element analysis. (4) the contact analysis of logarithmic spiral bevel gears based on penalty function method is studied. According to the penalty function method, the additional constraint conditions are introduced into the functional to find the extreme value. The finite element equation for solving contact problem with penalty function method is established. The contact stress on tooth surface and bending stress on tooth root of conventional spiral bevel gear and logarithmic spiral bevel gear are numerically analyzed respectively. The numerical analysis results of meshing contact marks are in good agreement with the experimental results. (5) the five-axis linkage NC machining technology and milling parameter optimization of logarithmic spiral bevel gears are studied in this paper. On the lathe C6140A1, the tooth billet is processed, According to the relationship between the ball end milling cutter and the tooth surface of logarithmic spiral bevel gear, the tool path is generated and the line distance of the cutter is determined. The tool path for NC machining of logarithmic spiral bevel gears is worked out. The logarithmic spiral bevel gears with large shrinkage teeth and small gears are manufactured on the vertical machining center of DMU 40 mono BLOCK.
【学位授予单位】:华侨大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TG61

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本文编号:1507576


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