凹凸点接触摆线齿线圆柱齿轮主动设计及端面滚切加工技术研究

Due to the defects of design, manufacture and application of involute and circular-tooth cylindrical gears, a high-velocity & high-payload cycloid-tooth cylindrical gear with high contact ratio, high tooth strength, low error sensitivity and low vibration and noise is proposed. The tooth strength of the driving sides can be improved by the concave-convex contact in the tooth lengthwise direction and asymmetrical tooth profile design. The error sensitivity can be reduced by a point contact gear pairs cut by dual method. Using tooth surface active design, high contact ratio design of gear drive and control of meshing quality ,vibration and noise of gear pairs can be also decreased, consequently. The principle of face-hobbed cut for a cycloid-tooth cylindrical gear are investigated, which can improve the processing efficiency;The sample gear pairs can be cut by the available domestic CNC bevel gears hypoid gears generator and face-hobbed cutting system. Then, the contact pattern's rolling test, operation stability and vibration & noise of gear pairs can be conducted on the developed trial drive. The fulfillment of this project can reveal the meshing principle of this new type gear with a variable helix angle, exploring the relationship of contact pattern and kinematic errors, illustrating the high-strength design rules of gear pair,developing the systemic software which includes geometry design, active design, asymmetrical tooth design, computerized meshing, dynamic characteristics and NC(Numerical Control) machining. The new type gear drive enriched gear drive type, which also can substitute widely applied helical gear drive in some application occasion, reflecting the important engineering value and theoretical significance.

针对渐开线圆柱齿轮和圆弧齿线圆柱齿轮设计、制造及使用中存在的不足之处，本项目提出了一种重合度大、强度高、敏感性低、振动噪声小的高速重载摆线齿线圆柱齿轮。研究凹凸齿线接触和齿形非对称设计，提高了工作面的轮齿强度；采用双面法加工获得点接触齿轮副，降低了误差敏感性；通过齿面主动设计，实现高重合度和啮合质量控制，降低齿轮副的振动噪声；研究摆线齿线圆柱齿轮的端面滚切加工原理，提高齿轮加工效率。利用国内已有的数控螺旋锥齿轮机床和端面滚切刀盘，实现齿轮副样件的试切；进行齿轮副啮合印痕滚检试验、运行平稳性和振动噪声试验的研究。本项目的完成，揭示该新型齿轮传动的变螺旋角传动原理，探索齿面印痕和传动误差内在联系，实现齿轮高强度设计，开发出包括几何设计、主动设计、非对称设计、啮合仿真、动态特性，数控加工的整套软件。该新型齿轮将丰富齿轮传动方式，部分取代广泛应用的斜齿轮传动，具有重要的工程价值和理论意义。

本项目研究了摆线齿线圆柱齿轮的几何设计和实体建模；推导出齿面数学模型，根据根切条件进行齿宽设计，得出了压力角对根切影响最大的结论；在CATIA中进行齿面重构，从而获得齿轮副的高精度实体模型。. 研究了摆线齿线圆柱齿轮的轮齿接触分析（TCA）；将刀具切削刃设计为抛物线，可获得抛物线型传动误差，从而减小啮合性能对安装误差的敏感性。通过对修形量的控制，降低齿轮的振动、噪声。建立了考虑安装误差的轮齿几何接触分析模型；得到了齿面印痕对轴交角误差较为敏感，而中心距误差的影响较小的结论。. 研究了摆线齿线圆柱齿轮承载接触分析（LTCA）；借助有限元软件ABAQUS和轮齿接触分析TCA，建立了高精度装配的有限元接触分析模型。分析了齿根弯曲应力和齿面接触应力的变化过程，获得应力曲线； 提出了基于有限元结果的重合度、载荷分配系数、扭转刚度及承载传动误差的计算方法。. 研究了齿轮副传动误差的主动设计；利用轮齿承载接触分析（LTCA）对多载荷工况下的二阶、四阶抛物线传动误差进行比较；结果表明，四阶较二阶更具优越性。.摆线齿线圆柱齿轮的高重合度设计。通过齿面几何结构的控制，使齿面接触迹线即接触路径沿齿长方向分布，提高齿轮的实际重合度，改善了齿轮副的啮合稳定性，但误差敏感性较高。. 研究了摆线齿线圆柱齿轮啮入啮出冲击的计算方法，建立了弯—扭—轴耦合振动模型；分析了各激励成分对系统振动的影响大小，计算结果表明，啮入啮出冲击和刚度激励对系统的振动起主要作用。通过对轮齿修形是能够减小甚至消除啮入啮出冲击，达到减振降噪的目的。. 研究了数控机床运动的转换原理。利用工件和刀具轴之间的相对位置及相对运动关系在两种机床中的等价性，推导出了转换公式，获得可用于数控编程的运动轴表达式。进行了摆线齿线圆柱齿轮副的试切和啮合印痕试验，接触印痕区域与仿真结果基本一致，齿轮运行平稳性较好。