高减比准双曲面齿轮啮合场形成机理与形性调控方法研究

High reduction ratio hypoid (HRH) have advantages in aspects of lightweight and efficiency，and broad prospects used in the accuracy transmission area. This study is proceed on the three key problems of forming mechanism of meshing field, control of unsteady hydrodynamic lubrication and geometry configuration of low-loss HRH gears. Taking improvement of the gear meshing dynamic performance and low-friction design as goals, based on the gear transmission tribology they will be explored the geometry properties of the HRH gears, the conjugate basic profiles and the feasible space of meshing zones beyond the pitch cone by means of the analysis of the meshing behaviors, synthesis modifications and the geometry evolving laws of HRH gears. By using loaded contact simulation and TEHL property analysis they will be detected the influence of geometry and microcosmic modifying parameters of HRH gears on the interface EHL and dynamics properties. According to the multi-field coupling relationships on multivariate and multi-objective factors of geometry, mechanics and lubrication, a design method of low-loss gears considering the form and performance of HRH gears simultaneously is proposed by constructing ease-off surface. Experimental and theoretical verification are done by the application of HRH reducer used in industrial robot. It is achieved the improvement on the transmission efficiency, the lifetime with high accuracy and the scuffing resistance capacity. A theoretical and technical basis for HRH gear applications will be established.

高减比准双曲面HRH齿轮具有轻量化效率高的优势，在精密传动领域具有广阔的应用前景。项目拟针对HRH齿轮的啮合场形成机理、非稳态动压润滑调控、低摩擦构形三个关键问题展开研究，以齿轮动态啮合性能、低功耗设计为控制目标，以齿轮传动摩擦学为理论基础，通过对HRH齿轮啮合行为、综合变位与几何特性演变规律的研究分析，探明HRH齿轮的几何构型、共轭基本齿廓与节锥外啮合传动的可行域空间。通过承载啮合仿真与热弹流TEHL特性分析，揭示HRH齿轮几何与微观修形参数对界面弹流、动力学特性的影响规律。针对多因素多目标“几何-力学-润滑”多场耦合关系，基于ease-off曲面构形，提出HRH齿轮啮合传动的“低功耗”形-性协同设计方法。以机器人HRH减速器应用作为典型案例进行试验与理论验证，达到提高传动效率、精度寿命、抗胶合能力的目的，为HRH齿轮的应用奠定理论与技术基础。

现代装备向智能、高效，机电高度集成化方向发展。高减比准双曲面齿轮HRH具有体积小、易于制造，效率与功率密度高等优点，在机器人关节减速器、工业伺服、各类舵机领域具有广泛的应用前景。项目重点攻克了HRH齿轮摩擦功耗、热载分析与高效设计问题。.基于空间啮合原理提出了一种准双曲面节锥参数的正向数值计算方法，建立了空间交错轴啮合传动的统一的节面模型，揭示了高减比准双曲面齿轮节锥几何参数的演变规律。定义了空间共轭曲面两类基本特征函数和特征矢量，给出了共轭曲面啮合运动参数的表达方式，使复杂众多的啮合性能参数：卷吸速度、滑滚比、综合曲率等得以统一表示。提出了节点纵向变位的等高成形法HRH几何制式的设计方法，明确了刀盘半径、节锥角、轮齿收缩之间的耦合关系，确定了适用于UF-F制式的几何可行域范围。其中等径刀盘裕值范围的确定为工程应用提供了极大的便利。.基于等切共轭原理，研究了ease-off曲面的模型的建立与解析方法。提出了接触线微分单元法，综合ease-off曲面解析、LTCA力学求解与EHL摩擦因数经验公式，解决了载荷分布计算、EHL参数求解问题，获得了齿面载荷应力、油膜厚度、摩擦因数、摩擦功耗分布规律。融合了复杂的TCA/LTCA与EHL分析技术，建立了曲面综合法齿面微分精益化设计计算流程，实现了点接触HRH齿面啮合质量的精确控制，给出了最优的拓扑构型方式：内对角轻修形。避免了非线性方程组、偏微分方程求解和三维有限元巨量运算问题。为复杂齿面摩擦学分析设计提供了一种便捷、切实可行的手段。.利用Matlab软件GUI，开发了HRH几何参数、LTCA、EHL分析计算程序。开发了刀盘双向修形、小轮机床参数的优化计算程序，构建了HRH几何设计、加工参数计算与LTCA分析的闭环设计制造流程，达到了对接触斑点、运动迹线、传动误差的控制。为高性能HRH齿轮的工业化应用奠定了理论与试验基础。