（机械制造及其自动化专业论文）渐开线弧齿圆柱齿轮加工方法及其加工装置的研究.pdf

吴伟伟：渐开线弧齿i 玩1 i i ! 齿轮加l ：方法及其向玎i ：装置的研究 摘要 齿轮在机械传动及整个机械领域中的应用极其广泛。齿轮传动是靠主动轮的轮齿依次 推动从动轮的轮齿来传递动力的，其可以传递平行轴、相交轴以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 程技术发展的水平。尽管在最近几十年束齿轮的设计制造技术已经大大提高，但是齿轮传 动的平稳性、齿轮的承载能力和使用寿命等都制约着齿轮传动技术的发展。因此，研究性 能更加优越的齿轮十分有必要。 本文提出的渐开线弧齿圆柱齿轮是一种新型传动齿轮，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，具有广阔的应 用自 景。 但是由于对渐开线弧齿圆柱齿轮的结构参数一直未有定论，这势必阻碍对该齿轮加工 技术的研究与应用。论文在分析现有文献中提及的多种类似弧齿圆柱齿轮的几何形状参数 与加工方法之后，以齿轮的啮合特征为出发点，提出理想的弧齿圆柱齿轮的几何形状参 数，在此基础上分析了弧齿圆柱齿轮副齿面的啮合特征，并通过对齿面方程和啮合线方程 的图形化直观地了解两齿面的啮合状念，以此验证该齿轮几何形状参数的正确性；还提出 了渐刀：线弧齿圆柱齿轮的力n - r _ 方法，并研制了其加工装置，对其加工方法进行分析研究， 使其可以加工出理想的渐丌线弧齿圆柱齿轮。 本文介绍了齿轮及其加工技术的发展历史和研究现状，通过对弧齿圆柱齿轮的啮合机 理的分析，明确了其几何参数。首次明确提出了周向模数的概念，同时对其传动强度进行 了分析，研究结果表明：在主参数相近的情况下，弧齿圆柱齿轮比直齿、斜齿圆柱齿轮具 有更好的传动强度。在此基础上提出了理想的弧齿圆柱齿轮的加工方法：“平行连杆式 加工和“双向齿面包络式”加工。论文主要分析研究双向齿面包络式弧齿圆柱齿轮的加工 方法及原理。最后介绍了对其加工装置的研究。相信随着研究工作的不断深入，弧齿圆柱 齿轮将不断完善，其在齿轮传动中具有明显的优势，应用自订景十分广阔。 关键词：弧齿圆柱齿轮；啮合机理；强度分析；加工方法；包络加工 吴伟伟：渐开线弧齿圆枉齿轮加i ：方法z 乏其加i ：装苴的研究 a bs t r a c t g e a rh a sb e e nu s e de x t e n s i v e l yi nt h em e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o na n dt h ew h o l em e c h a n i c a l f i e l d g e a rm e c h a n i s m st r a n s m i tm o t i v ep o w e rb yt h et e e t ho ft h ed r i v i n gw h e e ld r i v i n gt h e d r i v e ng e a r si n t u r n i tc a np a s st h er o t a r ym o v e m e n to ft h ep a r a l l e la x i s ，i n t e r s e c t i n g a x i sa n d c r o s sa x i s t h e r e f o r e ，g e a rt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yh a sb e c o m ea ni m p o r t a n tp a r to fe n g i n e e r i n g t e c h n o l o g y , a n dm a r k st h el e v e lo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n gt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n ti nac e r t a i n e x t e n t a l t h o u g ht h et e c h n o l o g i e sf o rt h ed 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 d q u i t eal o ti nt h e s ef e wd e c a d e s ，t h es t a b i l i t y 、t h ec a r r y i n gc a p a c i t ya n dt h es e r v i c el i f eo fg e a r s a r ea l lf a c t o r sr e s t r i c t i n gt h ed e v e l o p m e n to fg e a rt e c h n o l o g y t h u s ，r e s e a r c h e so nd e v e l o p i n g i n n o v a t i v eg e a r sw i t hb e t t e rc h a r a c t e r i s t i c sa r en e c e s s a r y 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 e a 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 e s 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 l lb e u 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 h o w e v e r , d u et ot h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r so ft h ei n v o l u t ea r cc y l i n d r i c a lg e a rh a v en o tb e e n c o n c l u s i v e ，t h a tw o u l di n e v i t a b l yh i n d e rt h eg e a rp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yr e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o n a f t e ra n a l y z i n gt h eg e o m e t r yp a r a m e t e r sa n dp r o c e s sm e t h o d so fs i m i l a ra r c h c y l i n d r i c a lg e a r sw h i c hb em e n t i o n e di nd o c u m e n t s t h i sp a p e rp u t sf o r w a r di d e a lg e o m e t r y p a r a m e t e r so fa r c hc y l i n d r i c a lg e a r b a s e do nt h i s ，i ta n a l y z e st h em e s hc h a r a c t e r i s t i c so ft w o t o o t hs u r f a c e so fg e a rp a i r b yg r a p h i c a lr e p r e s e n t a t i o no ft h et o o t h - s u r f a c ee q u a t i o na n dt h e m e s hl i n ee x p r e s s i o n ，i tc o u l db ed e m o n s t r a t e dt h em e s hs t a t eo ft w ot e e t hs u r f a c e sw i t hg r a p h ， w h i c ht ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h eg e a r sg e o m e t r yp a r a m e t e r s a n dp u tf o r w a r da b o u tt h e i v 扬州人学硕十学位论文 p r o c e s s i n gm e t h o d 。a n dt h ep r o c e s s i n gd e v i c eo f t h ei n v o l u t ea r cg e a ri sd e v e l o p e d a n a l y z i n gt h e p r o c e s s i n gm e t h o d s ，t h ei d e a li n v o l u t ea r cg e a rc o u l db ep r o c e s s e do u 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 ra n di t sp r o c e s s i n gm e t h o d sd e v e l o p m e n ta n dt h e c u r r e n ts i t u a t i o no fr e s e a r c h t h r o u g ha n a l y z i n gt h ea r cc y l i n d r i c a lg e a rm e s h i n gm e c h a n i s m ，i t s g e o m e t r i cp a r a m e t e r sh a v e b e e nc l a r if i e d i ti sf o r t h ef i r s tt i m et oc l e a r l yp u tf o r w a r dt h ec o n c e p t o ft h ec i r c u m f e r e n t i a lm o d u l u s ，a tt h es a m et i m et oa n a l y z ei t st r a n s m i s s i o ni n t e n s i t y t h er e s u l t s s h o wt h a ti nt h ec a s eo ft h es i m i l a rm a i np a r a m e t e r s ，t h es t r e n g t ho ft h ei n v o l u t ea r cc y l i n d r i c a l g e a ri sb e t t e rt h a nt h es p u rg e a ra n dt h eh e l i c a lg e a r t h ep a p e rp u t sf o r w a r dn e wp r o c e s s i n g m e t h o d s ：“p a r a l l e l c o n n e c t e db a r a n d “b i d i r e c t i o n a le n v e l o p e - s t y l e ”p r o c e s s i n gm e t h o d s t h e p a p e rm a i n l ya n a l y z e st h em e t h o da n dp r i n c i p l eo ft h eb i d i r e c t i o n a le n v e l o p e - s t y l ep r o c e s s i n g m e t h o d a tl a s t ，t h ep r o c e s s i n gd e v i c ei si n t r o d u c e d i ti sf i r m l yb e l i e v e dt h a tt h ea r cc y l i n d e r g e a rw i l lb ei m p r o v e dc o n t i n u a l l yi t h a so b v i o u sa d v a n t a g e si ng e a rt r a n s m i s s i o n i tc a nb e w i d e l yu s e d k e y w o r d s ：a r cc y l i n d e rg e a r ；m e s h i n gm e c h a n i s m ；s t r e n g t ha n a l y s i s ；p r o c e s s i n gm e t h o d ； e n v e l o p em a c h i n i n g 吴伟伟：渐歼线弧齿圆 曲轮加i ：方法及其加i ：装置的研究 7 7 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 结果申本人承担。 i 学位论文作者签名：黼 签字日期：砷年歹月摊日 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：关弗伟 签字日期： 乃年j 月坪日 名：吉主幸 签字日期：工f 。年乡月岬日 ( 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。) 吴伟伟：渐开线弧齿圆柱齿轮加l ：方法及其加i ：装置的研究 1 1 1 课题背景 第一章绪论 在现代化工业发展过程中，齿轮传动是传递机器动力和运动的一种主要形式。可以传 递平行轴、相交轴及交错轴之问的回转运动。同皮带、摩擦、液压等机械传动的其他传动 形式相比较，齿轮传动具有传动效率高、传递功率大、传动比稳定、结构紧凑、工作可 靠、寿命长等优点。因此，在仪器仪表、机床、汽车、拖拉机、建筑机械、轻工机械、冶 金及矿山机械等国民经济的各个领域中具有不可替代的作用。正因为如此，齿轮的设计与 制造水平将直接影响到机械产品的性能和质量。由于其在工业发展中有突出地位，致使齿 轮被公认为工业化的一种象征。 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( 螺旋线) 、人字形齿线等几种齿线形式，但这几种齿线形式的传动都不足 之处。 直齿圆柱齿轮副啮合传动时，两轮齿廓曲面的瞬时接触线是与轴平行的直线，所以在 啮合传动的过程中，一对轮齿是沿着整个齿宽同时进入啮合和退出啮合的，因而轮齿上所 受的载荷是突然地加上和卸掉的，这就使得直齿圆柱齿轮的传动平稳性较差，容易产生冲 击、振动和噪音，并对制造误差敏感性较大，此外，由于直齿圆柱齿轮传动的重合度较 小，所能传递的载荷不够大。 斜齿轮与几何参数相近的直齿轮相比，齿面接触线更长，因此运转较平稳，振动和噪 音减小，承载能力较高、可用于高速传动的场合。但是由于斜齿轮接触线是倾斜的，与轴 线不平行，因而传动时会产生轴向推力附加在轴承和机体上，就导致轴系结构复杂，摩擦 损失增大，传动效率降低，使斜齿轮在许多情况下的应用存在着一定的困难。 人字齿轮能保留斜齿轮的优点，并可以在一定程度上抵消轴向力，但人字齿的制造工 艺复杂，测量检验困难，且由于中截面退刀槽的存在，不仅增加了整个传动装置的总体尺 寸和盒属消耗量，而且使轴系跨度增加，刚度下降。另外左右轮齿的对称度很难保证，使 得左右受力不均衡，这样一方面引起偏载使浮动的齿轮产生连续的轴向窜动，另一方面使 得齿轮啮合振动增加，从而加速了齿轮传动的失效1 2 】。因此其通常很少使用。 在机械传动装置中，齿轮的质量、性能和寿命直接影响着机电产品的性能和可靠性， 2 扬州1 人, “t r 硕十学位论文 由于齿轮传动的损坏而引起设备的故障、差错，会造成巨大的损失。近4 0 年来，齿轮技 术的各个方面都有了很大进展，但是现代工业对齿轮传动提出了越来越高的要求，这些要 求主要是承载能力高、传动效率高、使用寿命 长、运转平稳、噪声低、几何尺寸小、综合成 本低等【3 1 。 为克服上述几种齿线形式的齿轮传动的 一些问题，本课题提出了一种新型的齿轮 渐丌线弧齿圆柱齿轮，其主要特征是：轮齿的 齿线是圆弧的一部分，齿廓为渐开线，轮齿的 周向齿厚相等，其外形如图1 1 所示。 1 2 齿轮传动技术的发展历史及现状 l 轴孔，2 弧齿端面3 轮齿齿线4 齿槽 图卜1 渐开线弧齿圆柱齿轮 现代工业生产系统绝大多数都含有齿轮传动装置，因此，齿轮常被视为工业的象征， 并出现在我国庄严的国徽上。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。 1 2 1 齿轮传动技术的发展过程 自1 7 6 5 年欧拉( l e u l e r ) 创立渐开线圆柱齿轮以来，迄今已有二百余年的历史。 近代齿轮的发展大体可分为四个阶段。 1 8 9 0 1 9 3 0 年，h e r t z 公式( 1 8 9 1 ) 和l e w i s 公式( 1 8 9 2 ) 的提出奠定了现代齿轮技术强度 计算的基础，进入2 0 世纪以后，出现了滚齿机、插齿机以及磨齿机等加工机床。第一次 世界大战后发展起来的航空工业，使磨齿机发展成为有效的精加工机床。在此期i 白j 出现了 渐歹1 ：线直齿轮、斜齿轮、锥齿轮、准双曲面齿轮和蜗杆等传动形式。工业通用齿轮仍用铸 造生产，随着汽车工业的兴起，批量生产的精密齿轮用滚齿或插齿加工。此时齿轮传动的 动载荷特性已引起重视并开始进行研究。 1 9 3 0 1 9 6 0 年，四、五十年代基本完成了各种类型啮合几何学和切齿刀具设计的研 究，2 0 0 齿形角得到更多的应用，6 0 年代多头滚刀的应用显著地提高了切齿效率。由于燃 气轮机的发展需要高性能的齿轮，在此期间研制出不少大尺寸的高速重载齿轮试验台，并 进行了比较系统的基础试验。应用剃齿工艺制造出了高精度齿轮，台式齿轮精密检查仪也 应运而生。极压添加剂的出现和变位齿轮的广泛应用大大提高了齿轮承载能力，并相继出 炙伟伟：渐开线弧齿嘲f 齿轮加l ：方法及其加i ：装越的研究 3 现了各种较为综合的齿轮强度计算方法。 1 9 6 0 1 9 8 0 年，齿轮技术在这一时期有了快速发展。航天事业的发展要求运载工具 和航空齿轮以很小的体积传递大功率，并要求9 9 9 以上的可靠度。因此，材料及热处 理质量控制得到高度重视和发展，中硬齿面和硬齿面重载齿轮广泛应用，珩齿技术使齿面 的质量空自玎提高，同时也促进了各种润滑技术的发展和应用，在此期间，刀具齿形角更多 的采用2 0 0 至2 5 0 ，并对材料疲劳特性和齿轮疲劳寿命进行了广泛的研究，美国 ( a g m a ) 、德国( d n i ) 以及国际标准化组坌q ( i s o ) 先后制订较为配套的齿轮标准f 4 删。 8 0 年代以来，随着科学技术的发展，齿轮技术也相应的飞速发展，创造出了许多新 成果，齿轮传动技术发展到了一个新的时期。 1 2 - 2 国内外齿轮研究的现状及发展趋势 当今随着社会的发展，齿轮技术也有了飞速的发展。国外己可生产功率5 0 0 0 0 k w 以 上，圆周速度2 0 0 m s 以上的齿轮。汽车等运输工具的齿轮寿命已接近与超过整机寿命的 水平，许多高可靠性的齿轮，可使用几十年而无明显的损伤。对行星齿轮传动的研究开发 已有很高的水平，摆线针轮、渐开线少齿差及谐波传动等行星传动已经普遍地取代了中小 功率的圆柱齿轮减速器，普通的圆柱蜗杆传动也发展为点接触蜗杆传动和环面蜗杆传动， 并已广泛应用【7 1 。 国外对齿轮啮合理论的研究已有很高的水平，并用于开发曲面齿轮、环面蜗杆传动、 点接触蜗杆传动以及圆弧齿轮等新型齿轮传动，且已取得了创造性的成果。近年来，还进 行了弹性啮合理论的研究。 以大量试验为基础、应用经典力学进行的渐了f 线齿轮强度计算，已经比较完善，其代 表是i s o 的渐丌线齿轮强度标准。当前的发展趋势是用现代计算力学的方法进行承载能 力计算，并引入可靠性设计，动念设计等内容，以提高计算的科学性和可信度，改善目前 承载能力设计中半经验的状态。 齿轮动力学是当前国际上的热门课题。国内外对直齿轮动力学已有全面而深入的研 究，斜齿轮传动的动力学也有较大的发展。目日i ，国际上除继续对齿轮动力学的机理进行 研究外，还特别注意齿轮传动装置的故障诊断、失效预报、主噪声源确定及降噪措施的研 究。国外对齿轮的润滑机理与润滑剂的研究也十分重视。 齿轮装置的c a d c a m 技术国外发展较快，一些有名的厂家已经开发了自己的c a d 系统，用于产品设计。数控滚齿机和准双曲面齿轮磨齿机已经丌发出来并投入使用。 4 扬州人学颐卜学位论文 综观学科的现状，其发展主要趋势如下： 1 追求承载能力大、振动噪声小、节能高效、体积小、重量轻、以及能在高速和重 载的条件下工作的传动； 2 改变传统的设计方法，广泛采用动态设计、可靠性设计、多目标优化设计、摩擦 学设计等新方法和c a d c a p p c a m 等最新技术。 3 将齿轮等机械传动与流体传动、电传动结合起来，组成新的复合传动。例如，将 非圆行星齿轮与液压传动结合起来组成高性能的低速液压马达；将电传动、流体传动与双 自度差动传动结合起来，既有较高的效率，又实现无级调速的双向传动，以电磁波发生器 代替机械波发生器等。 中国已经能生产功率达3 6 0 0 0 k w ，以及线速度达1 5 0 m s ，精度达3 - - 4 级的高速齿 轮装置；功率为1 2 0 0 0 k w 的行星增速箱和输出扭矩达1 0 0 0 k n m 左右的行星减速器； 各种少齿差、蜗杆减速器已组织专业化生产并达到年生产总数十万台的水平。在学术研究 方面，中国也取得了一些有国际先进水平的成就。例如，关于齿轮啮合原理的研究、圆弧 齿轮的强度计算及这种齿轮的工业应用研究、平面二次包络环面蜗杆传动的研究、齿轮整 体误差测量技术的研究等。特别是在弧齿锥齿轮研究方面，对美国格罩森公司的计算公式 进行了推导和改进，在理论研究上有新发展，并使该齿轮国产化。研究人员先后对圆弧齿 轮、行星摆线齿轮、谐波齿轮和弧齿线圆柱齿轮等新型齿轮进行了研究，并取得很大进展 【8 ，9 1 。但是，我国齿轮传动产品与国外先进水平相比尚有差距。 由于齿轮传动在工业生产中应用的重要性与普遍性，齿轮传动研究是当前机械传动研 究中的重点，其主要研究方向如下： ( 1 ) 齿轮啮合原理 考虑弹性、误差的齿轮啮合原理的研究；高性能新齿形、新传动的研究，即：既有高 的承载能力与传动效率，又便于精确加工的新型齿轮研究。由于机械向高速、重载、低噪 声、高效率的方向发展，这些方面的研究具有很大的理论意义与应用价值。 ( 2 ) 承载能力设计与计算 先进的齿轮设计方法研究，其中包括以成本为目标的优化设计、寿命可靠性设计等； 齿轮的误差、变形对强度影响的研究：精确确定齿轮传动载荷系数的方法研究；齿轮、蜗 杆传动胶合破坏机理及抗胶合承载能力计算方法的研究。 ( 3 ) 齿轮动力学 齿轮装置的动力学仿真与动力学综合的研究，使所研究的齿轮系统有最佳的动态性 炅伟伟：渐歼线弧芮吲棒齿轮加l ：方法及其加i ：装置的研究 5 能；齿轮装置的噪声机理及降噪措施的研究；齿轮修形技术，包括考虑齿轮装置热、弹性 变形的三维修形技术研究；齿轮系统状念监控、故障诊断与失效预报的研究。 ( 4 ) 齿轮的润滑 结合我国资源的齿轮润滑油及其添加剂的研究，包括气流特性及对齿轮胶合、抗点蚀 和抗磨损能力的研究；齿轮与蜗杆传动润滑机理的研究，特别足非稳态热弹性流体润滑的 研究；齿轮与蜗杆传动摩擦学的研究。 ( 5 ) 行星齿轮传动与新型蜗杆传动 高速重载行星齿轮传动的研究，包括均载机构、结构强度与动力学的研究；新型少齿 差传动的研究，目的是提高承载能力，降低消耗，简化结构，降低成本；新型蜗杆传动的 研究，包括各种二次包络蜗杆传动，点接触蜗杆传动等；新型伺服传动的研究，主要是研 究刚性大、惯性小、无( 小) i 日j 隙、大速比的传动，其中包括端面谐波传动、滚珠蜗杆传 动等。 ( 6 ) 齿轮c a d c a m 技术 啮合原理分析系统的研究。结合加工方法，建立一套能给出新齿形啮合原理的数学模 型，并分析啮合特性及质量指标的软件系统，为创造新型齿轮和蜗杆传动提供手段。齿轮 装置c a d 系统与专家系统的丌发，逐步建立包括承载能力设计、动力学设计、摩擦学设 计、可靠性设计、寿命预测以及计算机仿真在内的软件系统和相应的数据库。新的齿轮加 工原理、方法及其软件的研究，如用简单形状的刀具数控加工复杂齿面的齿轮的方法。 ( 7 ) 齿轮装置试验技术 接触区温度场、压力场和润滑状态的测试技术；齿轮动态变形和动应力的测试技术； 齿轮装置的损伤与润滑状况的在线检测与监控技术。 ( 8 ) 塑料、复合材料齿轮 国外对塑料、复合材料齿轮的承载能力，摩擦学性能等进行了大量的研究，我图丌展 这方面的研究还很少。 1 3 齿轮加工技术的发展 齿轮加工的种类很多，加工方法也各异。但就齿形形成的原理来 兑，齿轮方法可以分 为成形法和范成法i 0 1 。 ( 1 ) 成形法。成形法是用与被加工齿轮齿槽形状相同的成形刀具切削齿坯加工轮齿 的方法。为了铣出定长度的齿槽，需要两个运动：盘形齿轮铣刀的旋转；铣刀沿齿轮坯 6 扬州人学硕十学位论文 的轴向移动。这两个都是简单的运动。铣完一个齿槽后，铣刀退叫到原位，齿轮坯作分度 运动转过3 6 0 。z ( z 是被加工齿轮的齿数) ，然后在铣下一个齿槽，直到全部齿槽 铣削完毕。 ( 2 ) 范成法。范成法也称为包络法或展成法，是目前齿轮加工中最常用的一种方 法。范成法加工齿轮是利用齿轮的啮合原理进行的，即把齿轮的啮合副中的一个转化为刀 具，另一个转化为工件，并强制刀具与工件严格按照运动关系啮合( 作范成运动) ，则刀 具切削刃在各个瞬时位置的包络线就形成了工件的齿廓线。范成法加工齿轮，其刀具的切 削刃相当于齿条或齿轮的轮廓，与被加工的齿数无关，只需要一把刀具就能加工出模数相 同而齿数不同的齿轮，其加工精度和生产效率都要比成形法高，因而其应用也最广泛。采 用范成原理加工齿轮的机床有滚齿机、插齿机、磨齿机、剃齿机和珩齿机等。 圆柱齿轮加工的工艺过程，因齿轮的结构形状、要求的精度等级、生产批量以及生产 条件的不同而采用不同的方案，但概括起来可以分为以下几个阶段：齿坯加工、齿形加 工、热处理和热后精加工。在齿形加工阶段，可以采用滚齿、插齿、剃齿、挤齿、珩齿、 研齿、精磨齿等基本所有的齿形加工方法。既适合大批量生产，也适合单件生产，齿轮生 产的灵活性很好，而且可以极大降低加工的成本。所加工出来的齿轮，特别是经过精磨齿 后其精度可以提高很多，大大加强了齿面的硬度。直齿与斜齿圆柱齿轮加工的工艺经过长 年的研究和发展，现在已经非常成熟，其生产的效率也是很高的j 。 1 4 类似弧齿圆柱齿轮的特点及研究现状 弧齿线圆柱齿轮是一种新型的齿轮，其既具有普通直齿圆柱齿轮的传动准确、传动过 程不产生轴向力等传动特点，又具有斜齿圆柱齿轮的传动平稳的优点，还可以克服人字齿 轮加工难的缺点。弧齿线圆柱齿轮接触线较长、齿线关于中截面对称，因而具有传动平 稳，承载能力高，润滑性能好，无轴向分力等一系列优点【l2 1 。 弧齿线圆柱齿轮的发展是从曲线齿锥齿轮衍生而来的。2 0 世纪初，为解决普通渐丌 线齿轮承载能力不足的问题，曲线锥齿轮丌始逐渐得到重视。美国格罩森公司( g l e a s o n w o 呔s ) 最早研制了圆弧形齿线格罩森制锥齿轮。 从1 9 6 0 年丌始，格罩森公司的螺旋锥齿轮生产技术逐渐发展成熟，形成了一整套传 统的设计与加工技术，同时奠定了其在国际上锥齿轮制造业的霸主地位。中国在2 0 世纪 7 0 年代彳掌握了格罩森制螺旋锥齿轮的技术，建成了螺旋锥齿轮的工业和技术体系。 吴伟伟：渐开线弧撕圆柱齿轮加f ：方法及奠加i ：装置的研究 7 2 0 世纪4 0 年代初，同本的长谷川吉三郎将圆弧齿线移植到圆柱齿轮上，第一次提出 了弧齿线圆柱齿轮的概念，并设计 出该齿轮的切齿机床。2 0 世纪6 0 t 0 1 、 、l ， 年代以来，r 本山形大学的井上和 一 夫、植松整三，同本九州大学的石 桥彰等先后提出了磨齿、挤齿等精 加工弧齿线圆柱齿轮的方法。1 9 7 5 年美国专利3 9 1 5 0 6 0 ( m e t h o df o r c u t t i n gp a i r e dg e a r sh a v i n ga r c u a t e 0 岔2 ( a ) ( b ) 图1 - 2 在布卢塞尔展出的圆弧齿线圆柱齿轮 t o o t ht r a c e ) 中介绍了配对弧齿线圆柱齿轮副加工方法。不过这几种方法都是采用单齿分 度加工的方法，加工效率不高【1 3 6 1 。1 9 8 6 年在布卢塞尔举行的第3 5 届国际新技术贸易 展览会上展出过一种圆弧齿线圆柱齿轮，如图1 2 所示。由于这些圆弧齿轮在齿形结构上 存在一些缺点，未能得到广泛应用。 在国内，2 0 世纪7 0 年代术以来，国内一些单位先后对弧齿线圆往齿轮齿轮进行了 一定研究。吉林工业大学的彭福华提出了圆拉法，提高了弧齿线圆柱齿轮的加工效率，但 是拉齿加工成本较高很难推广应用。天津工业大学的林子光将弧齿线圆柱齿轮用于齿轮油 泵，解决了直齿轮油泵的困油问题，这是弧齿线圆柱齿轮应用的一个范例。上海冶金机械 总厂在拖拉机上进行了该齿轮的试验应用。9 0 年代中期以来，郑江等对弧齿线圆柱齿轮 的根切和加工方法作了近一步研究。西安交通大学马振群老师研究过对称弧形齿线圆柱齿 轮，另外国内对拱弧齿圆柱齿轮也有所研究。以上研究的弧齿线圆柱齿轮在某些方面具有 一定的优点，在某些方面有些应用，但不是理想的弧齿圆柱齿轮，其传动特性没有本质的 提升。进入2 l 世纪，哈尔滨工业大学陈明教授对弧齿线圆柱齿轮进行了啮合性能、承载 能力分析以及加工方法的研究，取得了一定的突破【1 7 2 引。 弧齿圆柱齿轮传动理论上具有啮合平稳、噪音小、承载力强等特点，早已受到关注， 目6 订有多种文献提及的弧齿圆柱齿轮及其加工方法，但现有技术并不能加工出周向齿厚相 等的弧齿圆柱齿轮。如图l - 3 ( a ) 所示，专利文献z l 9 0 1 0 5 6 5 5 3 所公丌的弧齿圆柱齿轮及 其加工方法，其齿线是圆弧的一部分，齿廓为渐丌线或圆弧，其在加工时是由固定在旋转 盘上的刀片对圆柱齿轮进行切削，刀片绕旋转圆盘轴心转动，通过刀片回转中心与圆柱齿 轮中间截面之间的距离可以加工出币圆弧齿轮或斜圆弧齿轮；加工时，刀片的工作基面法 向随旋转圆盘转动而不断变换【2 6 1 。以该方法加工出来的弧齿圆柱齿轮，其在齿线圆弧的 8 扬州1 人学硕十学何论文 法向方向上齿槽宽度是相等的，即齿轮的 法向槽宽相等，而齿轮的周向槽宽不等， 这样在齿轮的周向方向上的齿厚就不相 等。对于证弧齿圆柱齿轮，齿轮边缘的周 向齿厚小于齿轮中部的周向齿厚，齿线圆 弧包含的圆周角越大，这种不相等现象越 明显，在进行展成法加工时，甚至会导致 弧齿的两边缺失，影响齿轮强度；同时， 这种不相等会导致齿轮在传动时易断齿， 齿轮副的啮合不平稳，承载能力差；目 前，尚无周向等齿厚的弧齿圆柱齿轮及其 加工方法的记载；现有的加工方法并不能 加工出周向齿厚相等的弧齿圆柱齿轮( 如 图1 - 3 ( b ) 所示) ，所以目前真j 下应用的弧 齿圆柱齿轮未有所闻。 弧齿圆柱齿轮发展到今天仍有许多问 题，比如理想的几何参数没有明确表达， ( a ) 专利z l 9 0 1 0 5 6 5 5 3 加l ：齿形 ( b ) 周向齿厚相等的弧齿圆柱齿轮加，l ：齿形 图卜3 专利z l 9 0 1 0 5 6 5 5 3 的齿形与周向齿厚相等的弧 齿圆柱齿轮加j i ：齿形比较 线接触弧齿圆柱齿轮丧失了“中心距可分性的特点，这给应用带来了很多问题；对于弧 齿线圆柱齿轮的变位的研究，当日订的研究仍不充分：目前的弧齿圆柱齿轮的加工方式效率 较低而成本高，有待研究出一种高效、经济的加工方法等。由于其加工方法的复杂性和齿 轮参数确定的繁杂性，到目前为止，具有“齿面线接触”与“中心距可分性”的弧齿圆柱 齿轮尚未应用于实践。 1 5 本课题研究意义 弧齿圆柱齿轮作为种新型的圆柱齿轮。其主要特征是：在圆柱体上的轮齿呈弧形， 如图1 1 所示，弧齿圆柱齿轮的齿廓与普通圆柱齿轮一样是渐丌线，。弧齿圆柱齿轮副传 动具有啮合性能好、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。还具有优越的传动特性，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 吴伟伟：渐7 f = 线弧齿恻挂齿轮加i ：方法及其加i ：装置的研究 景【2 7 】。其作为机械工程领域中的种基础件，应用前景非常广阔。弧齿圆柱齿轮的研制 成功将会推动众多机械装置传动性能的提升，其意义重大。 人们很早就想到研究传动性能优越的弧齿圆柱齿轮，但由于对其结构参数及其传动特 性未能确定，特别是该齿轮的加工方法直未能很好解决，从而制约了弧齿圆柱齿轮的应 用。本论文主要足对渐丌线弧齿圆柱齿轮的啮合特性以及加工方法的研究，从而为弧齿圆 柱齿轮的丌发与应用奠定基础。 1 6 本课题主要研究内容 很早就有学者对弧形齿轮进行了研究，但由于对其具体的几何参数及其传动特性未能 具体确定，特别是该齿轮的加工方法和加工装置一直未能很好的解决，从而制约了弧齿圆 柱齿轮的应用。目前对渐丌线弧齿圆柱齿轮研究主要存在以下几个方面的问题和不足： l 、弧齿圆柱齿轮的齿形参数尚未定论； 2 、在弧齿圆柱齿轮承载能力的研究方面还不够深入； 3 、弧齿圆柱齿轮还未有理想的加工方法。 因此，课题的主要研究内容就是确定弧齿圆柱齿轮理想的几何参数，分析其齿轮副啮 合特性和传动强度，以及提出一种理想的加工方法。 本文的研究内容具体如下： l 、渐开线弧齿圆柱齿轮的几何参数的确定 目前渐丌线弧齿圆柱齿轮的几何参数一直未定论，通过对齿轮副啮合特征的分析，确 定理想的齿轮的几何参数。 2 、渐丌线弧齿网柱齿轮副啮合机理的分析 运用微分几何学知识，推导出弧齿圆柱齿轮的齿面方程，共轭齿面方程和啮合线方程 等。 3 、齿轮承载能力分析 对渐丌线弧齿圆柱齿轮的齿根弯曲强度和齿面接触强度进行分析研究，并用软件 s o l i d w o r k s 对其进行三维造型建模，用c o s m o s w 6 r l ( s 对其进行强度分析。 4 、弧齿圆柱齿轮加工方法 对现有类似弧齿圆柱齿轮的加工方法进行分析，就它们的不足之处提出分析，提出一 种新型的弧齿圆柱衡轮的加工方法双向齿面包络加工方法。分析弧齿圆柱齿轮的双向 包络式加：1 = 的刀具轨迹，保证齿轮齿面的圆弧齿线与压力角，得到圆弧齿线半径与刀盘半 l o 扬州人学硕 ：学位论文 径等之间的关系，并对其加工装置进行研究。 5 、对弧齿圆柱齿轮的应用提出展望。 1 7 本章小结 本章介绍了课题的研究背景以及课题研究的意义，还对齿轮及其加工技术的发展历 史、国内外齿轮传动技术的研究现状以及弧齿圆柱齿轮的发展现状方面做了介绍。并介绍 了本论文的研究内容。 炅伟伟：渐开线弧齿l f ， l 挂齿轮加l ：方法及其加l ：装苜的研究 第二章渐开线弧齿圆柱齿轮的啮合机理 在齿轮的啮合机理方面，众多学者对其进行了广泛的研究，提出了一整套的齿轮啮合 理论f 2 8 2 9 3 0 ，3 1 1 。本章在提出了理想的弧齿圆柱齿轮的齿形参数后，通过微分几何学理论对 弧齿圆柱齿轮的啮合机理进行了深入的分析和研究，揭示了弧齿圆柱齿轮的啮合特征，其 特征包括齿面方程、共轭齿面、齿面啮合线、齿轮副传动齿面接触线等。 2 1 渐开线弧齿圆柱齿轮的理想几何参数 目6 订理想的渐开线弧齿圆柱齿轮的几何 参数一直未有定论。本文提出的理想弧齿圆柱 齿轮的主要特征是：齿线是圆弧的一部分，齿 廓为渐开线，轮齿的周向齿厚相等，其外形如 图2 1 所示。 在图2 - 2 中，弧齿圆柱齿轮与直齿圆柱 齿轮几何参数最主要的区别是多了齿轮的齿线 圆弧半径值r t ，r t 值一般是齿轮厚度的 0 6 4 倍之间，或者可以认为直齿圆柱齿轮的 齿线圆弧半径值r ，= c o 3 羽。在弧齿圆柱齿轮 轮齿的分度圆截面处各点的周向齿厚相等，即 s = 墨，周向槽宽相等，即p = 只。这里引入 周向模数m 的概念，即弧齿圆柱齿轮的周向 齿厚柏等与周向槽宽相等，同时一对模数相等 的弧齿圆柱齿轮的轮齿能啮合顺畅，齿面接触 为线接触。 由于弧齿圆柱齿轮是弧形齿线，其几何 形状参数与直齿或斜齿圆柱齿轮有一些区别， 图2 - 1 渐开线弧齿圆桴齿轮 上 图2 - 2 弧齿圆柱齿轮主要儿何参数 为了对其结构参数进行论证与确认，现分析该齿轮的齿面方程、共轭齿面方程与啮合线方 程以及动态齿面方程和动态啮合线方程等。 1 2 扬州人学硕 j 学位论文 2 2 渐开线圆柱齿轮副的齿面啮合 图2 3 表示一对标准的渐丌线圆柱齿轮副啮合关系，坐标系x l o l y l 和坐标系x 2 0 2 y 2 的坐标原点分别与齿轮l 、2 的圆心重合。g l 、g z 为一对相互啮合的渐丌线，k 为啮合 点，r b i 为齿轮1 的基圆半径，r b 2 为齿轮2 的基圆半径，m l q 为啮合线3 3 1 。 设图示状态下啮合点k 在齿轮1 与齿轮2 的分度圆上，对于渐丌线g i 和g 2 在k 点 处的压力角都为2 0 0 ，即t 2 k = 2 0 0 。 ”、 、 t 1 ：lx | x2 l 一， 图2 - ：3 齿轮副齿面啮合 鼠为渐开线g ，在k 点的展开角： 鼠= t a n a t 一0 0 1 4 9 ( 弧度) ； 只为渐丌线g 2 在k 点的展开角： 包= t a n a k - 6 t k 0 0 1 4 9 ( 弧度) 。 2 3 渐开线方程 在坐标系x l o l y l 中，曲线g l 的方程为： i = r h lc o s ( o r i 只) + 口l r h ls i n ( a i q ) 【m = r h is i n ( a i q ) 一c r l r h lc o s ( a i 一日) 其中： 为渐厅线g i 的展丌角。 在坐标系x 2 0