基于线接触的空间小夹角齿轮传动原理及其关键技术研究

Spatial gear transmission with small shaft angle is widely used for speedboat, fast ferry and all-wheel-drive vehicles. It has the advantages of small frame, compact structure, high precision, high transmission efficiency, easy for processing and cost-effective. However, the main disadvantage in gear drive application with small shaft crossed and intersected angle is in fact the contact path is theoretically point-wise that tends to cause lower surface durability, lower meshing stability, higher noise and vibration. It restricts the development of this type of gear drive in power transmission. Using spatial gearing theory, tooth contact analysis method, nonlinear vibration theory and tests, the research on pitch coned meshing theory with line contact, load-error coupled meshing behavior control method with line contact and the nonlinear dynamic characteristics considering spatial time-varying excitations will be performed. Also, tests will be conducted to verify the computed results. The research in this project will increase the carrying capacity and meshing stability, decrease noise and vibration and increase the reliability of the gearbox with small shaft angle transmission. The innovation design theory and method for gear drive with small shaft angle based on pitch cone design will be attained. Finally, it will lay a theoretical foundation for the extensive popularization and application of gear drive in spatial small angled transmission field with high carrying capacity.

空间小夹角齿轮传动具有体积小、结构紧凑、精度高、传动效率高、加工方便、成本低等优点，可应用于高速游艇、快艇、全驱动汽车等传动领域。但是由于空间相交/交错轴小夹角齿轮传动为点接触啮合，存在磨损严重、承载能力低、啮合稳定性差、振动噪声高等关键问题，严重制约了空间小夹角齿轮传动在动力传递领域的推广应用。项目将空间啮合理论、齿轮接触分析方法、非线性振动理论与试验研究结合起来，开展基于节圆锥的空间小夹角齿轮传动线接触啮合理论、基于载荷-误差耦合的空间小夹角齿轮传动线接触啮合行为控制方法、基于空间时变激励的空间小夹角线接触齿轮传动动力学行为与控制及试验验证等关键技术研究，提高空间小夹角齿轮传动承载能力、啮合性能稳定性、降低振动与噪声，提高小夹角传动齿轮箱的可靠性，掌握基于节圆锥的空间小夹角齿轮线接触传动创新设计理论及方法，为空间小夹角齿轮传动在大承载动力传递领域的广泛推广奠定理论基础。

空间小夹角齿轮传动具有体积小、结构紧凑、精度高、传动效率高、加工方便、成本低等优点，可应用于高速游艇、快艇、全驱动汽车等传动领域。但是由于空间相交/交错轴小夹角齿轮传动为点接触啮合，存在磨损严重、承载能力低、啮合稳定性差、振动噪声高等关键问题，严重制约了空间小夹角齿轮传动在动力传递领域的推广应用。项目将空间啮合理论、齿轮接触分析方法、非线性振动理论与试验研究结合起来，开展可实现线接触啮合的空间小夹角齿轮传动局部共轭啮合理论研究，建立基于工作节圆锥的公共齿条啮合轮齿主方向计算控制模型，提出实现从空间点啮合到线啮合的转变计算条件，提出满足空间小夹角齿轮传动线接触啮合设计方法；基于有限单元法及轮齿啮合特性分析方法，建立空间小夹角齿轮传动基于制造、安装误差与载荷耦合作用下齿轮副啮合计算模型，提出载荷-误差耦合的空间小夹角齿轮传动线接触啮合行为控制方法；基于轮齿修形与齿条刀具抛物线修形，研究了修形对空间小夹角传动啮合特性的影响，提出了空间小夹角变厚齿轮轮齿修形方案；综合齿面时变啮合激励、非线性齿侧间隙、原动机及负载激励，建立了多体多自由度非平行轴小夹角线接触齿轮传动非线性动力学模型，定量分析动态啮合力及动态传动误差对齿轮安装位置误差的敏感性，研究齿面几何与加工参数对动力学行为的影响规律。加工试验齿轮，对小夹角变厚齿轮传动进行了啮合特性与振动响应测试，并与理论计算结果进行了对比验证。通过项目研究，掌握了基于节圆锥的空间小夹角齿轮线接触传动创新设计理论及方法，提高了空间小夹角齿轮传动承载能力、啮合性能稳定性，降低了振动与噪声，提高了小夹角传动齿轮箱的可靠性，，为空间小夹角齿轮传动在大承载动力传递领域的广泛推广奠定理论基础。通过项目研究，研究成果发表（录用）论文14篇，其中SCI论文7篇、EI论文4篇，申请国家专利2项，获2015年教育部科学技术进步奖二等奖1项，培养工学硕士3人，工学博士1人，工学学士5人（其中已毕业硕士研究生2人，本科生4人）。