（机械设计及理论专业论文）弧齿圆柱齿轮副啮合机理及其传动强度分析.pdf

王召垒：弧齿圆柱齿轮副啮合机理及其传动强度分析 i 摘要 齿轮传动广泛应用于各种机械设备中，比如车辆、机械工具、减速器和其他传动系统 的齿轮箱中。一般地，齿轮主要用于传递一定转速比，增大或减小扭矩。尽管在最近几十 年来齿轮的设计制造技术已经大大提高，但是齿轮轴向力的存在以及承载能力的不足制约 着齿轮传动技术的发展。因此，研究性能更优越的齿轮十分必要。 本文提出的渐开线弧齿圆柱齿轮是一种新型齿轮传动形式，具有啮合性能好、重叠系 数大、轴向力可以相互抵消、传动效率高、抗弯强度大、齿面接触强度好等优点。其优越 的传动特性，在大多数应用环境下可以代替直齿、斜齿及人字齿圆柱齿轮的应用，同时具 有传动平稳、传动噪声低、效率高、使用寿命长、使用与安装要求低等特征，可以应用到 弧齿齿轮泵、弧齿减速器等很多方面，具有广阔的应用前景。 由于该齿轮研究历史不长，目前尚有许多理论和实际应用问题需要解决，例如：受加 工技术的限制，齿形参数未有定论，承载能力研究不够深入，加工方法还不理想等等，所 以有必要对其进一步研究。 本文介绍了齿轮的发展历史以及研究现状，对齿轮啮合机理做了论述，确定了其几何 参数。基于齿轮啮合机理，推导出渐开线弧齿圆柱齿轮副啮合特征，包括齿面方程、共轭 齿面方程、啮合线方程以及接触线方程。 本文研究了渐开线弧齿圆柱齿轮的齿面接触应力和齿根弯曲应力的计算方法。建立了 弧齿圆柱齿轮的模型，运用有限元分析的方法对其齿轮副齿面接触疲劳强度以及齿根弯曲 疲劳强度进行了分析，并与其它圆柱齿轮进行比较，显示了其优越的传动特性。本文还对 现有弧齿圆柱齿轮j n - r _ 方法的不足点进行了分析，提出了可靠有效的加工方法。最后对论 文做了总结和下一步论文工作的展望。相信随着研究工作的不断深入，弧齿圆柱齿轮将不 断完善，在齿轮传动中具有明显的优势，其应用前景十分广阔。 关键词：弧齿圆柱齿轮；几何参数；啮合特性；强度分析 i i 扬州大学硕士学位论文 a b s t r a c t g e a rm e c h a n i s m sh a v eb e e nu s e de x t e n s i v e l yi nv a r i o u si n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s ，s u c ha sg e a r b o x e so nv e h i c l e s ，m a c h i n et o o l s ，s p e e d - r e d u c e r sa n dv a r i o u st r a n s m i s s i o ns y s t e m s b a s i c a l l y , g e a r sa r eu s e dt ot r a n s m i tac o n s t a n ts p e e dr a t i ob e t w e e nt h ei n p u ta n do u t p u ts h a f t s ，a n dt o m a 鲥f yo rr e d u c et h et o r q u e 、柝n lt h ei n v e r s eo ft h er a t i o a l t h o u g ht h et e c h n o l o g i e sf o rt h e d e s i g na n dm a n u f a c t u r i n go fg e a r sh a v eb e e ni m p r o v e dq u i t eal o ti nt h e s ef e wd e c a d e s ，h o w e v e r f o rs o m ea p p l i c a t i o n s ，t h ee x i s t e n c eo fa x i a lf o r c ea n dt h ed e f i c i e n c yo fc a r r y i n gc a p a c i t yr e s t r i c t t h ed e v e l o p m e n to fg e a r t h u s ，r e s e a r c h e so n d e v e l o p i n g i n n o v a t i v e g e a r s 埘t l lb e t t e r c h a r a c t e r i s t i c sa 陀n e c e s s a r y g e a rm a n u f a c t u r e r sa n dd e s i g n e r sc o n t i n u o u s l ya t t e m p tt od e v e l o p m o r ec o m p a c ta n dh i g h e rc a p a c i t yg e a rp a i r s t h ei n v o l u t ea r cc y l i n d r i c a lg e a rw h i c ht h i sp a p e rp u t sf o r w a r di so n en e wt y p eo fg e a r t r a n s m i s s i o nf o r m a r cc y l i n d r i c a lg e a rh a ss o m ee x c e l l e n c ef o re x a m p l e ：i th a sg o o dm e s h c a p a b i l i t y ，t h ea x i a lf o r c ec o u l db ec a n c e l l e do n ea n o t h e r ，t h et r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c yi sh i g h ， t h ea n t i c u r v e di n t e n s i t yi sb i g 、t h et o o t hf a c ec o n t a c ti n t e n s i t yi sg o o da n ds oo n t h ea r c c y l i n d r i c a lg e a rh a st h es u p e r i o rt r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c ，s oi tc o u l dr e p l a c et h eu s i n go fs p u r c y l i n d r i c a lg e a r 、h e l i c a lc y l i n d r i c a lg e a ra n dh e r r i n g b o n ec y l i n d r i c a lg e a ri nt h em a j o r i t y a p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n t a n di ta l s oh a so t h e rc h a r a c t e r i s t i c s ，f o ri n s t a n c es t e a d yt r a n s m i s s i o n 、 l o wt r a n s m i s s i o nn o i s e 、h i 【g he f f i c i e n c y 、l o n gs e r v i c el i f e ，e t c i tc a nb eu s e di nt h ea r c c y l i n d r i c a lg e a rp u m p 、a r cc y l i n d r i c a lg e a rr e t a r d e ra n ds o m eo t h e rf i e l d s i th a st h eb r o a d a p p l i c a t i o np r o s p e c t b e c a u s et h er e s e a r c h h i s t o r yo f t h i st y p eo f g e a ri sn o tl o n g ，a n di th a st o om u c hp r o b l e mo f t h e o r ya n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o nw h i c ht ob er e s o l v e d f o re x a m p l e ：d u et ot h er e s t r i c t i o n so f m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g i e s ，i t sg e o m e t r yp a r a m e t e rw a su n c l e a r , t h er e s e a r c ho fb e a r i n gc a p a c i t y w a s n td e e pe n o u g h , a n dm a n u f a c t u r i n gm e t h o dw a s n ti d e a le n o u g he r e i t sn e c e s s a r yt h a t w e 、撕u ( 1 0t h ef u r t h e rr e s e a r c ht oi t t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h eh i s t o r yo fg e a r sd e v e l o p m e n ta n dt h ec u r r e n ts i t u a t i o no fr e s e a r c h i td i s c o u r s e st h em e s hm e c h a n i s mo f g e a ra n dd e t e r m i n e st h eg e o m e t r yp a r a m e t e ro fi n v o l u t ea r c c y l i n d r i c a lg e a r b a s e do nt h em e s hm e c h a n i s mo fg e a r , t h eg e a rp a i rm e s hc h a r a c t e r i s t i cw e r e d e r i v e d , i n c l u d i n gt h ef l a n ke x p r e s s i o na n dt h ec o n j u g a t ef l a n ke x p r e s s i o n 、t h el i n eo fm e s h a n dt h e1 m eo f c o n t a c te x p r e s s i o n t h i sp a p e rr e s e a r c h e dd e s i g np r o c e d u r eo fi n v o l u t ea r cc y l i n d e rg e a r st o o t hf l a n kc o n t a c t 王召垒：弧齿圆柱齿轮副啮合机理及其传动强度分析 s t r e s sa n dr o o to ft o o t hb e n d i n gs t r e s s i te s t a b l i s h e dm o d e lo fa r cc y l i n d e rg e a r , a n du s e dt h ef e m e t h o dt oa n a l y z ei t sg e a rp a i rt o o t hf l a n kc o n t a c tf a t i g u es t r e n g t h e na n dr o o to ft o o t hb e n d i n g f a t i g u es t r e n g t h e n c o m p a r e d 、析mo t h e rc y l i n d e rg e a r , i th a dp r e d o m i n a n tt r a n s m i s s i o n c h a r a c t e r i s t i c i ta n a l y z e dt h es h o r t c o m i n g so fa r cc y l i n d e rg e a r sm a n u f a c t u r i n gm e t h o da t p r e s e n ta n dp u tf o r w a r dar e l i a b l em a n u f a c t u r i n gm e t h o d a tt h ee n do ft h ep a p e r , i tg a v eas u m m a r ya n do u t l o o ko ft h ef o l l o w i n gw o r k i ti sf i r m l y b e l i e v e dt h a tt h ea l ec y l i n d e rg e a rw i l lb ei m p r o v e dc o n t i n u a l l y i th a so b v i o u sa d v a n t a g e si ng e a r t r a n s m i s s i o n i tc a l lb ew i d e l yu s e d k e y w o r d s ：a r ec y l i l l d e rg e a r ；g e o m e t r yp a r a m e t e r ；m e s hc h a r a c t e r i s t i c ；s t r e n g t ha n a l y s i s 王召垒：弧齿圆柱齿轮副啮合机理及其传动强度分析 6 5 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下独立进行研究工作所取得的研究成 果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成 果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名：王磋 签字日期：w 。缉易月了日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有 关部门或机构送交学位论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。本人授权扬 州大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位 论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 学位论文作者签名：盏移爹 导师签名： 猁 签字日期：尹年f 月方日签字日期：山夕年乡月9 日 ( 本页为学位论文末页。如论文为密件可不授权，但论文原创必须声明。) 王召垒：弧齿圆柱齿轮副啮合机理及其传动强度分析 l 1 1 课题背景 第一章绪论 齿轮传动是现代机械中应用最广的一种传动形式，它是靠主动轮的轮齿依次推动从动 轮的轮齿来传递运动和动力的，可以传递任意配备的平行轴、相交轴及交错轴之间的回转 运动，因此齿轮传动技术已成为机械工程技术的重要组成部分，在一定程度上标志着机械 工程技术的水平。由于齿轮传动在机械行业乃至整个国民经济中的地位和作用，齿轮传动 被公认为工业和工业化的象征，并出现在中国庄严的国徽上。在工业生产中，看来似乎很 简单的齿轮传动装置却是工业体系中很关键的基础零部件，齿轮传动技术是工程界、科技 界公认的工业基础技术之一。 圆柱齿轮传动是齿轮机构中应用最广的一种。对于圆柱齿轮，齿线发展先后经历了直 齿线、斜齿线( 渐开螺旋线) 、人字形齿线等几种齿线形式，图1 1 ( a ) 卜 叫 ( 2 2 8 ) 仍7 = p 一万 仍”= 一( 秒+ 万)仍2 一【6 ，+ d ) 这表明1 上满足式的的点，在1 转过一周时有两个位置参加接触。称这种现象为 二次接触。 王召垒：弧齿圆柱齿轮副啮合机理及其传动强度分析 型 当扛耳可= 坞 ( 2 2 9 ) 时，仍只有一个解，即仍= 一万。这表明1 上满足式的点，在1 转过一周时，只在一 个位置参加接触。 当肛砑 l k 。2 l ，不会产生 曲率干涉；反之，吒啪为正，即i k m i 2 b 时最大齿根应力增大到一定值范围内微小变化，轮齿趋近为直齿。当两齿 宽和周向模数一定时，调节弧齿线半径，适当增大纵向重合度，使传动平稳，对抗弯强度有 利。从这方面考虑，选用弧齿圆柱齿轮时要根据应力变化趋势选择适当的弧齿线半径，使 其有较大的抗弯强度。 5 4 本章小结 本章以路易斯( l e w i s ) 方法为基础阐述了弧齿圆柱齿轮的齿根应力计算方法，并通过 三维造型及其在不同周向模数、不同弧齿线半径下的最大齿根应力做了对比，得出以下结 论： ( 1 ) 弧齿圆柱齿轮与直齿轮相比啮合性能好、重叠系数大，齿根最大应力减少明显。 可以承载更大的转矩，传递更大的功率，具有较大的优越性。 ( 2 ) 对于弧齿圆柱齿轮，可近似推断，在0 8 b 皿1 2 b 范围内，弧齿圆柱齿轮具 有最小的齿根应力值。尼2 b 时最大齿根应力增大到一定值范围内微小变化，齿轮趋近 直齿轮。 ( 3 )