正交面齒輪的插齒加工仿真和磨齒原理研究

1、南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文1第一章緒論1.1論文的背景齒輪是機(jī)械傳動(dòng)中應(yīng)用極為廣泛的零件之一。隨著航空航天事業(yè)的發(fā)展，航空齒輪傳動(dòng)在飛行器的動(dòng)力裝置中得到了廣泛應(yīng)用，占有很重要的地位。航空齒輪傳動(dòng)在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)方面與普通機(jī)械中應(yīng)用到的齒輪既有相同之處，又有很大差別。例如：航空齒輪傳動(dòng)應(yīng)在保證飛行安全高可靠性的前提下，單位質(zhì)量應(yīng)盡可能輕；占用空間盡可能??；傳遞功率大，齒輪圓周速度高，齒面精度高，工作平穩(wěn)性好，噪聲低等。長(zhǎng)期以來(lái)，為了提高航

2、空齒輪傳動(dòng)的質(zhì)量、可靠性以及減輕齒輪傳動(dòng)裝置的重量，人們做了大量的研究工作。面齒輪傳動(dòng)（FaceGearDrive）技術(shù)從中脫穎而出，針對(duì)面齒輪傳動(dòng)的研究也越來(lái)越多。據(jù)國(guó)外有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，在直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中采用具有面齒輪的動(dòng)力分流裝置，比傳統(tǒng)裝置的重量下降了40%，且振動(dòng)小、噪聲低，具有很多優(yōu)點(diǎn)。在國(guó)外，面齒輪傳動(dòng)技術(shù)已經(jīng)取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，針對(duì)面齒輪傳動(dòng)的切齒技術(shù)和磨齒技術(shù)都已經(jīng)在最近幾年實(shí)現(xiàn)，在低功率輕載荷場(chǎng)合，面齒輪傳動(dòng)已成功應(yīng)用于

3、銑床主軸的傳動(dòng)系統(tǒng)、齒輪箱、汽車傳動(dòng)系統(tǒng)中的后橋驅(qū)動(dòng)和差速傳動(dòng)、錐形攪拌機(jī)、機(jī)器人傳動(dòng)、雷達(dá)天線傳動(dòng)等等[3]。從所查的資料看，國(guó)際上所針對(duì)面齒輪傳動(dòng)開(kāi)展的研究?jī)?nèi)容有：面齒輪齒面生成原理；嚙合原理和嚙合特性研究；強(qiáng)度的有限元分析研究；面齒輪的加工方法及加工裝備的研究；面齒輪傳動(dòng)的試驗(yàn)研究。南京航空航天大學(xué)在國(guó)家自然科學(xué)基金和航空科學(xué)基金的資助下已進(jìn)行了面齒輪傳動(dòng)的理論研究，包括：面齒輪齒面生成原理；幾何設(shè)計(jì)、嚙合原理、嚙合特性；強(qiáng)度的有

4、限元分析；面齒輪齒面瞬時(shí)溫升的計(jì)算機(jī)輔助分析。但是，國(guó)內(nèi)針對(duì)面齒輪加工方法、加工設(shè)備等“瓶頸”問(wèn)題的研究還沒(méi)有進(jìn)行，這直接影響了面齒輪傳動(dòng)的推廣應(yīng)用，尤其是在高速重載等要求高的場(chǎng)合的應(yīng)用。因此，開(kāi)展面齒輪加工方法、加工設(shè)備的研究，主要包括切齒技術(shù)和磨齒技術(shù)的研究，是非常有必要的。本文將圍繞面齒輪的加工進(jìn)行研究。1.2面齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)與研究現(xiàn)狀面齒輪傳動(dòng)是一種圓柱齒輪與圓錐齒輪相嚙合的齒輪傳動(dòng)。圖1.1是面齒輪傳動(dòng)的示意圖，其中齒輪1為普

5、通的圓柱齒輪（小齒輪），齒輪2為面齒輪（圓錐齒輪），兩輪軸線相交，其夾角為γ。當(dāng)γ=90時(shí)，圓錐齒輪的輪齒將分布南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文3（2）面齒輪傳動(dòng)比普通的錐齒輪傳動(dòng)具有較大的重合度。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)介紹，其重合度在空載下一般可達(dá)到1.6～1.8，理論上重合度可以高達(dá)2以上，在受載時(shí)會(huì)更高。重合度大對(duì)提高承載能力和增加傳動(dòng)的平穩(wěn)性是相當(dāng)重要的。（3）小齒輪為直齒圓柱齒輪時(shí)，小齒輪上無(wú)軸向力作用。這可以簡(jiǎn)化支承，減輕重量，相應(yīng)地也就增

6、加了承載能力。這對(duì)于空間受到限制和重量要求輕的場(chǎng)合是極為有用的。（4）小齒輪為漸開(kāi)線齒輪，根據(jù)漸開(kāi)線的性質(zhì)可知，同時(shí)嚙合齒對(duì)的公法線相同，且在不同的瞬間也不改變。這對(duì)于動(dòng)力傳動(dòng)極為有利。（5）對(duì)于點(diǎn)接觸面齒輪傳動(dòng)，在理論上仍然能保證定傳動(dòng)比傳動(dòng)。而常用的點(diǎn)接觸錐齒輪傳動(dòng)從原理上已不能保證定傳動(dòng)比傳動(dòng)，其傳動(dòng)比是在一定范圍內(nèi)波動(dòng)的。因此相對(duì)來(lái)說(shuō)面齒輪傳動(dòng)的振動(dòng)小、噪聲低。根據(jù)傳統(tǒng)的觀點(diǎn)，面齒輪傳動(dòng)的缺點(diǎn)主要有兩方面：（1）由于加工面齒輪的

7、刀具的尺寸與實(shí)際嚙合中的圓柱齒輪相同，因此，從理論上講，加工面齒輪的刀具將是無(wú)窮多。（2）由于受根切和齒頂變尖的限制，面齒輪的齒寬不能設(shè)計(jì)得太長(zhǎng)，從而使面齒輪的承載能力受到了限制。在較早期的文獻(xiàn)中對(duì)面齒輪機(jī)構(gòu)有一些簡(jiǎn)單的幾何描述。最具有代表性的是Buckingham在1949年在其著作《Analyticalmechanicsofgears》中介紹了面齒輪傳動(dòng)。他利用投影幾何的方法近似的研究了面齒輪齒形的變化特點(diǎn)。有關(guān)面齒輪的最新研究則出

8、現(xiàn)在美軍方與NASA聯(lián)合進(jìn)行的ART（theAdvancedRotcraftTransmission）計(jì)劃中，對(duì)面齒輪傳動(dòng)進(jìn)行了高速重載的研究，并設(shè)計(jì)了采用面齒輪傳動(dòng)的新型直升機(jī)主減速器傳動(dòng)裝置的分流傳動(dòng)結(jié)構(gòu)[7]，如圖1.2（a）所示，圖1.2（b）是其面齒輪傳動(dòng)部分簡(jiǎn)圖。若采用通常的螺旋錐齒輪作為傳動(dòng)分流環(huán)節(jié)，則必須采用兩個(gè)螺旋錐齒輪，其支撐結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，重量也會(huì)增加，如圖1.2（c）所示。這種帶有面齒輪分流結(jié)構(gòu)的直升機(jī)主減速器，其

9、重量較傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)下降了40%，且動(dòng)力分流效果好、振動(dòng)小、噪聲低，取得了很好的效果。在ART項(xiàng)目結(jié)束后，美國(guó)DARPA（DefenseAdvancedResearchProjectsAgency）在TRP項(xiàng)目（TechnologyReinvestmentProgram）中繼續(xù)支持對(duì)面齒輪傳動(dòng)技術(shù)的研究，其主要研究背景是把面齒輪傳動(dòng)技術(shù)應(yīng)用于新一代阿帕奇（Apache）武裝直升機(jī)中，其研究?jī)?nèi)容包括：各類面齒輪傳動(dòng)的齒接觸分析（ToothCo