人字齿轮小轮轴向窜动的多目标复合修形优化

为了改善人字齿轮左右齿面载荷不完全对称引起的齿面偏载和振动问题,研究了人字齿轮小轮轴向固定和轴向窜动对齿面载荷分布的影响,提出了一种人字齿轮复合修形设计方法。根据齿面偏载情况,通过齿向补偿修形优化实现左右齿面载荷均匀分布;在齿向补偿修形的基础上,叠加拓扑修形构建复合修形齿面,以承载传动误差幅值最小和齿面闪温最低为优化目标,采用NSGA-II算法确定最佳拓扑修形量。算例结果表明,仅小轮轴向窜动,虽然能使左右斜齿轮副载荷基本相等,但不能完全改善单个斜齿轮齿面偏载的状况。齿向补偿修形后,能够改善每一个斜齿轮齿面的载荷使其均匀分布。复合修形改善了齿面载荷分布,避免了边缘接触,大幅降低了承载传动误差幅值和齿面闪温。     

采用NSGA-Ⅱ算法的面齿轮副小轮拓扑修形多目标优化

为合理确定面齿轮副小轮的修形参数,设计了均由2段抛物线与1段直线组成的直齿小轮齿廓和齿向修形曲线,将由三次B样条拟合得到的修形曲面与理论齿面相叠加来构造拓扑修形齿面。采用带精英策略的快速非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ),结合面齿轮副的几何接触分析(TCA)和承载接触分析(LTCA)技术,提出了以修形曲线参数为优化变量,使抛物线几何传动误差曲线两端对称、接触印痕限制在齿宽中部、承载传动误差波动幅值最小的小轮拓扑修形多目标优化设计方法,并编制了相应的Matlab程序。算例表明:优化修形参数后得到了对称的抛物线几何传动误差和位于大轮齿宽中部的接触印痕,并大幅度减小了承载传动误差波动,从而可有效降低安装误差敏感性和齿轮副的振动、噪声。     

Ease-off拓扑修形准双曲面齿轮齿面数控修正

为了改善汽车驱动桥综合传动性能,提出基于ease-off拓扑修形准双曲面齿轮设计与加工方法.预置传动误差及抛物线修形参数设计小轮法向自由ease-off拓扑修形曲面,建立小轮拓扑修形齿面模型,可以准确获得任意自由ease-off修形齿面的解析表达式.结合齿面承载接触分析(loaded tooth contact analysis,LTCA)方法,优化承载传动误差幅值(amplitude of loaded transmission error,ALTE)为最小,确定最优ease-off曲面参数,并推导其相对小轮理论齿面的目标修形量.基于刀具和计算机数控(CNC)机床各运动轴参数误差敏感性的齿面修正模型,分析各参数扰动对齿面误差的影响,进而确定合理的参数边界,以目标修形量误差平方和最小为目标函数,通过最小二乘法确定最优ease-off拓扑修形齿面的加工参数.结果表明:CNC机床各轴主要引起齿厚和对角修正,增加刀刃修正可以实现ease-off拓扑修形齿面的高精度修正,为高性能齿面自由ease-off修形设计与加工提供理论参考.     

混合弹流润滑修形斜齿轮齿面摩擦功率损耗

针对斜齿轮修形设计中齿面摩擦功率损耗的问题,研究了斜齿轮齿廓修形、齿向修形和拓扑修形方法,基于齿轮接触分析和齿面承载接触分析提出了修形齿轮齿面摩擦功率损耗及混合弹流润滑条件下修形齿轮摩擦系数计算方法。对齿廓修形、齿向修形及拓扑修形斜齿轮修形参数与齿面摩擦功率损耗的关系进行了仿真,结果表明:对于齿廓修形,修形量对功率耗损影响较小,而且齿廓修形功率耗损波动较小,对传动有利;对于齿向四阶修形曲线,修形长度变化对功率损耗影响较大,而且齿向修形长度增大后功率耗损波动增大,对传动不利;与单纯齿向修形相比,修形长度较大时拓扑修形下功率损耗波动量减小,对传动有利。     

混合弹流润滑修形斜齿轮齿面摩擦功率损耗

研究修形斜齿轮齿面摩擦功率损耗对实现其良好的综合性能具有重要意义。本文研究了斜齿轮齿廓修形、齿向修形和拓扑修形方法,基于齿轮接触分析和齿面承载接触分析提出了修形齿轮齿面摩擦功率损耗及混合弹流润滑条件下修形齿轮摩擦系数计算方法。对齿廓修形、齿向修形及拓扑修形斜齿轮修形参数与齿面摩擦功率损耗的关系进行了仿真。仿真结果表明:对于齿廓修形来说,修形量对功率耗损影响较小,而且齿廓修形功率耗损波动较小,对传动有利;对于齿向四阶修形曲线来说,修形长度变化对功率损耗影响较大,而且齿向修形长度增大后功率耗损波动增大,对传动不利;与单纯齿向修形相比,修形长度较大时拓扑修形下功率损耗波动量减小,对传动有利。     

混合弹流润滑修形斜齿轮齿面摩擦功率损耗

研究修形斜齿轮齿面摩擦功率损耗对实现其良好的综合性能具有重要意义。本文研究了斜齿轮齿廓修形、齿向修形和拓扑修形方法,基于齿轮接触分析和齿面承载接触分析提出了修形齿轮齿面摩擦功率损耗及混合弹流润滑条件下修形齿轮摩擦系数计算方法。对齿廓修形、齿向修形及拓扑修形斜齿轮修形参数与齿面摩擦功率损耗的关系进行了仿真。仿真结果表明:对于齿廓修形来说,修形量对功率耗损影响较小,而且齿廓修形功率耗损波动较小,对传动有利;对于齿向四阶修形曲线来说,修形长度变化对功率损耗影响较大,而且齿向修形长度增大后功率耗损波动增大,对传动不利;与单纯齿向修形相比,修形长度较大时拓扑修形下功率损耗波动量减小,对传动有利。     

Ease-off拓扑修形准双曲面齿轮齿面多目标优化设计方法

为了提高汽车驱动桥综合传动性能,提出基于ease-off拓扑修形准双曲面齿轮齿面多目标优化设计方法。预置传动误差参数及抛物线修形参数设计小轮法向ease-off曲面,小轮修形齿面表示为大轮的共轭齿面叠加ease-off曲面。结合齿面接触分析(TCA)、齿面承载接触分析(LTCA)方法及齿轮摩擦理论最新进展,得到接触线离散点的滑动速度、啮合承载变形、载荷分布及局部摩擦系数,进而确定齿面瞬时啮合效率和Block闪温。以承载传动误差幅值(ALTE)最小、齿面闪温最小和平均啮合效率最大进行多目标优化,获得最佳修形齿面,并分析齿面滑动速度与综合曲率半径的变化及重合度对啮合性能的影响。算例表明:最优ease-off修形齿面在啮入、啮出端有足够的抛物线传动误差,可有效减小ALTE并降低安装误差的敏感性;在整个齿高方向有一定的齿廓修形且接触迹线角较小时,齿轮副则有较大重合度,且齿顶、齿根载荷向节线附近集中,而节线附近的滑动速度较小,导致接触线平均摩擦系数下降,因此,啮合效率增加,齿面闪温下降;齿面适配量过大时,接触线载荷增加,摩擦功耗增大,啮合效率减小。     

齿面磨损最小直齿锥齿轮Ease-off修形设计与分析

为了改善齿轮传动性能和可靠性,提出了直齿锥齿轮齿面抗磨设计与分析方法。该方法结合碟型刀具在摇台型机床切制直齿锥齿轮方法获得大轮齿面;通过预置传动误差及抛物线修形参数设计小轮法向Ease-off曲面,并叠加于大轮的共轭齿面表达修形齿面。结合齿面接触分析、承载接触分析、Archard磨损公式,提出考虑磨损深度影响的齿面承载接触分析数值方法,将齿面几何分析与力学分析融为一体,且充分考虑了安装误差、齿面修形和磨损的耦合性,可准确快速获得齿形重构后的齿面磨损量;以无磨损时承载传动误差幅值(ALTE)最小、齿面磨损次数最多进行修形优化设计,获得最优Ease-off曲面,并分析磨损对ALTE的影响。结果表明:相同磨损量下,随载荷的增加磨损次数逐渐减少且趋于相等;随齿形重构次数增加,主要是双齿啮合区的齿面初始间隙增加,导致承载变形增大;多载荷工况下,随磨损次数增加最小ALTE及其对应的载荷逐渐增大;共轭齿面轻度磨损后ALTE有所改善。     

宽斜齿轮多目标修形优化设计

通过理论齿面叠加修形曲面方法来设计斜齿轮修形齿面,根据齿轮接触分析、承载接触分析计算得到承载变形、接触线上的离散载荷及啮合刚度,应用弹流润滑剂理论确定离散点的局部摩擦系数,并通过Blok闪温公式获得齿面闪温,建立斜齿轮啮合型弯-扭-轴-摆10自由度动力学模型;以承载传动误差幅值、齿面闪温最小、齿面载荷均匀及振动加速度最小为目标,通过改进的粒子群优化算法确定了最佳修形齿面。结果表明:修形后齿轮副重合度增加,载荷均匀,齿面闪温分布明显改善;随转速、载荷的增加,啮合冲击逐渐增大,且随转速增加,啮合冲击激励较刚度激励的振动更加明显,因此共振的敏感性降低,多载荷承载传动误差幅值反映了振动随载荷变化趋势;修形后传动误差幅值、啮合冲击降低,因此有效降低了系统振动。     

拓扑修形斜齿轮的数控成形磨齿加工

首先,设计齿廓、齿向修形曲线,经过3次B样条拟合为拓扑修形曲面,并与理论齿面叠加设计修形齿面;其次,根据成形磨削过程中砂轮与齿轮之间的运动关系,推导成形砂轮与齿面的接触条件方程,计算砂轮的廓形点,再通过3次B样条拟合得到精确的砂轮轴向廓形曲线;然后,建立成形砂轮磨削斜齿轮5轴联动Free-Form型数控磨齿机模型,根据砂轮位矢的等效转换,推导各轴运动关系;接着,建立基于数控机床各轴敏感性分析的齿面修正模型,用6阶多项式表示各轴的运动,判断砂轮与齿面的接触状态,确定磨削齿面的误差,并分析各系数扰动对齿面误差的影响;最后,以齿面误差平方和最小为目标函数,通过粒子群优化方法,得到机床运动参数.结果表明,以齿廓修形齿面反算砂轮截形进行5轴数控成形磨齿加工,可有效降低磨削误差.     

齿廓修形对渐开线直齿轮设计传递误差的影响

基于齿廓修形原理,建立了齿廓修形数学模型,以弹性变形理论和渐开线形成原理为基础,将轮齿简化为变截面悬臂梁,并且考虑齿轮传动过程中单双齿交替啮合区间随齿形变化的规律,建立了齿廓修形前后齿轮设计传递误差数学模型.为改善齿轮系统刚度激励,以减小齿轮传递误差波动和峰值为目标,修形量、修形起始点和修形曲线为设计变量,建立了齿廓修形优化模型,并采用多目标遗传算法NSGA-Ⅱ进行优化求解.对采煤机摇臂齿轮进行齿廓修形优化设计,并采用定量分析法从时域角度分析了修形量、修形起始点和修形曲线对齿轮设计传递误差的影响.结果表明:适当的修形量可减小设计传递误差波动幅值,当修形量为9μm时齿轮传递误差波动幅值最小;修形起始点可影响设计传递误差峰值,当修形起始点位于单齿啮合最高点时齿轮传递误差峰值最小;抛物线修形齿轮较直线修形齿轮设计传递误差波动更为平缓.     

双重螺旋法齿面分区修形对降低安装误差敏感性的影响

为了降低齿轮副对安装误差的敏感性,将双重螺旋法加工的齿面划分为小端、中间接触区和大端3个区域,并沿啮合线方向对3个区域分别进行抛物线修形,得到修形后的理论齿面;采用有约束最小二乘法求得与修形后理论齿面逼近的修形后实际齿面;通过齿轮承载接触分析(LTCA),得到原始齿面与修形后实际齿面在有安装误差时的齿面接触区、接触应力和齿根弯曲应力。研究结果表明:经过分区修形,正、反车齿面最大接触应力降低,齿面接触应力更加均匀,齿轮副对安装误差的敏感性降低,同时,齿根弯曲应力也有一定程度增大。     

修形渐开线斜齿轮啮入冲击计算

为更精确计算修形渐开线斜齿轮的啮入冲击力,提出了一种修形渐开线斜齿轮啮入冲击力的计算方法。基于齿面接触仿真,建立了综合考虑齿面修形和负载变形引起的基节差条件下未发生边缘接触时的齿轮副齿面-齿面接触仿真模型,以及发生边缘接触时的齿轮副顶点-齿面接触仿真模型,计算了修形斜齿轮啮入冲击位置随负载在修形齿面齿廓和齿向两个方向上的变化结果,并根据轮齿接触瞬时的能量守恒原则来求解啮入冲击力。基于提出的啮入冲击力计算方法和遗传优化算法建立了齿面修形优化设计模型,结合算例完成了啮入冲击力最小的齿面修形优化设计。研究结果表明:转速和负载对啮入冲击力产生较大的影响,在设定的载荷范围内,修形齿轮副啮入冲击力得到了有效减小;齿轮副边缘接触会导致啮入冲击力迅速增大,修形设计中应避免。     

基于砂轮姿态优化的修形齿轮成形磨削刀路规划

为了解决传统的双齿面成形磨削斜齿轮"修形扭曲"现象,提出一种基于调整砂轮姿态的修形齿轮成形磨削刀路规划方法。从成形磨削的本质出发,对斜齿轮的齿向修形齿面进行了数学建模分析,求解并得到砂轮与工件之间的瞬时接触曲线;由砂轮廓形的逆包络法包络出修形齿面,对瞬时接触线包络出的修形齿面与理论齿面进行误差分析,讨论了砂轮姿态与修形误差之间的关系,得到调整砂轮安装偏转角可减小修形误差的结论,同时,配合对砂轮刀具路径的规划,基于修形齿面最小误差平方和法对砂轮姿态和刀具路径进行了优化;通过计算实例对该方法进行了验证,仿真结果表明,此方法可有效地消除节圆处的修形误差,并可进一步降低啮合区域的修形误差。     

基于啮合要求的面齿轮拓扑修形齿面主动设计

提出了基于啮合性能要求的面齿轮拓扑齿面主动设计方法,研究了齿廓和齿向拓扑修形构建包含啮合性能信息拓扑齿面的过程.通过沿接触路径预置传动误差函数,改变虚拟加工的滚比,构造沿齿廓拓扑修形齿面;以面齿轮理论齿面为基准,建立沿接触线拓扑修形的数学模型,通过预置接触椭圆长轴,构造沿齿向的拓扑修形曲面;将齿向拓扑修形曲面沿法线叠加到齿廓拓扑修形齿面上,最终得到包含啮合性能参数的面齿轮双向修形拓扑齿面.应用两实例的仿真设计,验证了面齿轮拓扑齿面主动设计过程和拓扑齿面几何形状构造的正确性.     

高重合度弧齿锥齿轮高阶传动误差设计与分析

为减少高重合度弧齿锥齿轮的振动和噪声,提出基于齿面曲率修正方法的高阶传动误差设计.首先,根据预设高阶传动误差曲线和齿面接触印痕,对与配对大轮完全共轭的小轮齿面进行修形,获得小轮目标齿面;然后,建立基于齿面曲率修正方法的小轮齿面数学模型;最后,建立齿面优化模型,并利用第二代非支配排序遗传算法(NSGA-II)反求与目标齿面高度逼近的小轮齿面曲率修正系数.算例表明:通过齿面曲率修正方法能够获得满足设计要求的高阶传动误差;与传统的传动误差相比,高阶传动误差在降低高重合度弧齿锥齿轮的承载传动误差的同时可以改善齿轮副的载荷分布,改善齿轮副的啮合性能.     

直廓环面蜗杆传动的高次方修形原理

系统地建立了高次方修形直廓环面蜗杆传动的数学模型,用微分几何和啮合理论等理论推导了蜗杆副的曲率参数,啮合函数以及曲率干涉界线函数.证明了直廓环面蜗杆的齿面为不可展的直纹面,这与其蜗杆的齿面形成原理相吻合.利用最小二乘法拟合无量纲化的修形数据得到普适型高次方修形曲线,基于此曲线推导出工艺传动比的计算公式,得到高次方修形蜗杆传动.根据不同次修形曲线修形的数值算例分析表明,高次方修形可消除原始型直廓环面蜗杆齿面的常接触线,有效的增大了蜗杆副齿面的共轭区面积,修形后蜗杆全长可被利用,承载能力强.但高次方修形后的蜗杆副齿面存在曲率干涉界线,有可能导致蜗杆副发生根切.     

等基圆锥齿轮的齿面几何与修形分析

以数控加工理论为基础,阐述了等基圆锥齿轮的基本原理,提出了指状铣刀仿形加工等基圆曲线齿锥齿轮的齿线和齿廓修形方法;确定了加工等基圆锥齿轮的指状铣刀的设计原则和设计参数;导出了计入齿线和齿廓修形的齿面方程和齿根过渡曲面方程·等基圆锥齿轮的齿线是一条特殊曲线,其凹凸方向与传统曲线齿锥齿轮齿线的凹凸方向相反,必须采用数控方法加工;通过铣刀廓线修形可实现齿轮齿廓修形,沿理论齿线的法向移动刀具可实现齿线修形;通过齿线和齿廓组合修形实现齿面修形·为齿面曲率分析、啮合分析及强度计算奠定了基础·     

直齿行星传动齿轮修形优化设计方法

针对多个行星轮均布的大功率直齿行星传动系统,提出了优化齿轮修形参数的设计方法.取其中一路子系统建模,应用位移约束方程建立局部太阳轮边界位移协调关系,简化了有限元分析模型.为提高齿轮有限元模型的齿廓几何逼近精度,降低齿轮有限元规模,提高非线性接触分析的求解精度和效率,建立了齿轮接触区细化单元节点位移耦合模型.提出直齿轮修形齿面快速精确有限元建模方法,采用修形函数控制渐开线发生线长度修改齿面上的节点坐标,实现修形齿面快速精确重构,以齿面应力分布均匀为主要目标,迭代求解修形齿轮应力分布优化了齿轮修形参数.     

基于精密铸造技术的螺旋齿面齿轮拓扑齿面计算机辅助设计

为了获得高啮合稳定性的面齿轮传动机构,提出了一种螺旋齿面齿轮计算机辅助三维拓扑修形设计,获得点接触面齿轮啮合副以避免发生边缘接触的方法。首先建立接触路径修形设计的数学模型,采用虚拟插齿面齿轮原理,通过预先设计的传动误差函数实现了沿期望接触路径的齿面齿廓修形;然后利用计算机辅助设计技术构建沿接触线修形的数学模型,进行了沿接触线方向修形设计;通过修形量的叠加,重构了三维拓扑修形齿面,最终获得点接触双凸型面齿轮传动。最后以两种不同修形参数的螺旋齿面齿轮为例进行了轮齿接触分析(tooth contact analysis, TCA)。结果表明：设计参数与仿真结果高度一致,验证了计算机辅助修形设计方法的合理性。