一种渐开线直齿圆柱齿轮副的齿向修形方法及与其配套的专用参数化CAD系统技术方案

本发明专利技术公开了一种渐开线直齿圆柱齿轮副的齿向修形方法及与其配套的专用参数化CAD系统，其齿向修形方法的主要步骤包括：建立通用的复合齿向修形曲线，然后采用正交试验方法，利用得到的若干条复合齿向修形曲线一一进行齿轮模拟齿向修形，并进行仿真传动试验后，以筛选出最优仿真传动试验结果所对应的那条复合齿向修形曲线。与之配套的专用参数化CAD系统，将齿向修形后的渐开线直齿圆柱齿轮副实体建模、啮合仿真分析以及提取齿向修形齿轮副的啮合性能等过程融入到一个系统中，其功能全、使用方便，可以高效率地用于齿轮研发的辅助设计。本发明专利技术的齿向修形方法通用性强、修形质量稳定可靠；CAD系统功能全、操作简单。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种齿轮副的齿向修形方法及参数化CAD系统；尤其是一种渐开线直齿圆柱齿轮副的齿向修形方法及与其配套的专用参数化CAD系统。
技术介绍
渐开线直齿圆柱齿轮副在使用过程中，由于受传动机构安装误差或齿轮受载后弯曲变形等因素的影响，沿齿轮的齿向方向往往会出现偏载及齿端应力集中等现象，影响了齿轮副的使用寿命，因此需要进行齿向修形处理。渐开线圆柱齿轮的齿向修形操作复杂，其不仅涉及到齿轮结构，还涉及到齿轮的制造装配精度、在轴上的支承方式、载荷性质、工作环境等诸多因素。因此，对于不同工况条件下的齿轮，需要采用不同的齿向修形方法。传统的齿向修形，通常使用等半径圆弧曲线作为齿向修形曲线，也有研究人员使用三次曲线对齿轮进行齿向修形。沿齿宽方向的最大修形量根据经验数据，在给定范围内取值。不难看出，这种齿向修形方法，一是，难以取得理想的修形效果；二是，其修形过程中，由于无法预先对修形后的齿轮进行预测或评价，只能通过试制修形齿轮样品并进行跑合试验的方式，待试验结束后观察齿轮啮合的接触斑点形状、接触区域位置等情况来评价修形效果，导致工序复杂、费时费力、成本高。更为重要的是，现有技术的上述修形方法，由于齿轮修形后，齿轮结构及传动性能也发生了变化，如何对修形齿轮的强度进行校核计算也是一个难题。由于不能精确计算修形齿轮的强度，只能利用经验公式进行近似计算，难以实现修形齿轮的结构优化。随着CAD技术的成熟及发展，很多技术人员对齿向修形渐开线圆柱齿轮传动的修形方法与仿真方法进行了研究，为修形齿轮的精确建模与准确性能分析提供了条件，但至今没能解决如何针对不同工况确定适宜的齿向修形曲线的问题，也没能有效解决齿向修形渐开线圆柱齿轮副的啮合性能分析及性能评价问题。
技术实现思路
本专利技术的目的之一是，提供一种可以适应不同工况的渐开线直齿圆柱齿轮副的齿向修形方法，通过改变复合齿向修形曲线上的参数，就能够产生不同形状的复合齿向修形曲线，并可以在设计阶段就为渐开线直齿圆柱齿轮副找到一条合适的复合齿向修形曲线，并通过对该齿向修形齿轮副进行啮合仿真分析、查看啮合性能等，完成强度校核分析及齿向修形效果评价。本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案是，一种渐开线直齿圆柱齿轮副的齿向修形方法，仅对齿轮副中的一个齿轮进行齿向修形，该齿轮命名为齿轮A；齿轮副中的另一个齿轮命名为齿轮B；其特征在于，所述齿轮A的复合齿向修形曲线满足如下通式(1)： c c i = αc c ( b c i b c ) β + ( 1 - α ) c c ( b c i b c ) λ - - - ( 1 ) ]]>通式(1)中：0＜α＜1，1≤β≤3、1≤λ≤3；cc为齿轮A沿齿宽方向的最大修形量，10μm≤cc≤40μm；bc为远离鼓形中心一侧的齿轮端面到鼓形中心截面的距离；当齿轮的两个端面到鼓形中心截面的距离相等时，即为齿宽的一半；bci为复合齿向修形曲线上任意一点Pi点所在的轮齿截面到鼓形中心截面的距离；cci为复合齿向修形曲线上任意一点Pi点所在轮齿截面的渐开线齿廓曲线对应的修形量；所述齿轮A的复合齿向修形曲线是采用正交试验方法得到的，具体方法如下：将上述α、β、λ、cc、bc分别取具体数值并代入上述通式(1)得到若干条复合齿向修形曲线、再利用该若干条复合齿向修形曲线一一进行齿轮A的模拟齿向修形，并对模拟齿向修形后的齿轮A与齿轮B进行仿真传动试验后，筛选出最优仿真传动试验结果所对应的那条复合齿向修形曲线。上述技术方案直接带来的技术效果是，通用性强，通过改变复合齿向修形曲线上的参数，就能够产生不同形状的复合齿向修形曲线。因而，可以适应不同工况的渐开线直齿圆柱齿轮副的齿向修形；并可以在设计阶段就为渐开线直齿圆柱齿轮副找到一条合适的复合齿向修形曲线。优选为，上述正交试验方法的具体步骤如下：(1)、以上述通式(1)中的α、β、λ、cc、bc作为正交试验的5个影响因素，然后以这5个影响因素作为列、将每一影响因素划分为5个水平作为行，按照L25(56)的排布方式得到正交试验表；其中：α、β、λ、cc的数据是在各自的取值范围内，五等分后分别得到的五个具体数值；bc的数据是将bc±2mm这一数值范围五等分后得到的五个具体数值；(2)、从所得到的正交试验表中分别调取一行数据，并带入上述通式(1)，得到一条备选复合齿向修形曲线，总计得到25条备选复合齿向修形曲线；(3)、结合齿轮副的结构参数、工况参数、材料参数，利用上述25条备选复合齿向修形曲线分别对齿轮A进行模拟齿向修形，并对齿向修形后的齿轮副进行仿真传动模拟试验；然后，筛选出最优的仿真传动模拟试验结果，该最优的仿真传动模拟试验结果所对应的那条备选复合齿向修形曲线，即为齿轮A的复合齿向修形曲线；上述结构参数包括：齿轮A齿数、齿轮B齿数、模数、压力角、齿轮A变位系数、齿轮B变位系数、齿轮A齿宽、齿轮B齿宽、齿顶高系数、顶系系数、小轮轴当量直径、轴承跨距、制造安装误差、齿轮A齿宽中点到轴承跨距中点的距离、齿轮A轴孔直径、齿轮B轴孔直径、齿轮A轴孔倒角、齿轮B轴孔倒角；上述工况参数包括：主动轮转速、主动轮输入转矩、使用系数、动载系数、总载荷系数；上述材料参数包括：齿轮A弹性模量、齿轮A泊松比、齿轮A密度、齿轮B弹性模量、齿轮B泊松比、齿轮B密度、齿轮副接触疲劳极限。该优选技术方案直接带来的技术效果是，我们的经验表明，上述技术方案的正交实验法，具有较高的技术经济性和实用性；特别是，在设计阶段就可以对修形效果进行评价和对修形曲线进行优选，可以有效保证修形质量的稳定性与可靠性。进一步优选，上述仿真传动模拟试验包括四个步骤，分别为建立齿向修形齿轮副的实体装配模型的步骤、建立啮合仿真分析模型并分析的步骤、进行强度校核的步骤及齿向修形性能评价的步骤；其中：所述建立齿向修形齿轮副的实体装配模型的步骤，是按如下方法进行的：首先，在ANSYS软件中，以总体坐标系中的圆柱坐标系作为第一圆柱坐标系，建立齿轮A的模型C；所述齿本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种渐开线直齿圆柱齿轮副的齿向修形方法，仅对齿轮副中的一个齿轮进行齿向修形，该齿轮命名为齿轮A；齿轮副中的另一个齿轮命名为齿轮B；其特征在于，所述齿轮A的复合齿向修形曲线满足如下通式(1)：cci=αcc(bcibc)β+(1-α)cc(bcibc)λ---(1)]]>通式(1)中：0＜α＜1，1≤β≤3、1≤λ≤3；cc为齿轮A沿齿宽方向的最大修形量，10μm≤cc≤40μm；bc为远离鼓形中心一侧的齿轮端面到鼓形中心截面的距离；当齿轮的两个端面到鼓形中心截面的距离相等时，即为齿宽的一半；bci为复合齿向修形曲线上任意一点Pi点所在的轮齿截面到鼓形中心截面的距离；cci为复合齿向修形曲线上任意一点Pi点所在轮齿截面的渐开线齿廓曲线对应的修形量；所述齿轮A的复合齿向修形曲线是采用正交试验方法得到的，具体方法如下：将上述α、β、λ、cc、bc分别取具体数值并代入上述通式(1)得到若干条复合齿向修形曲线、再利用该若干条复合齿向修形曲线一一进行齿轮A的模拟齿向修形，并将模拟齿向修形后的齿轮A与齿轮B进行仿真传动试验后，筛选出最优仿真传动试验结果所对应的那条复合齿向修形曲线。...

【技术特征摘要】
1.一种渐开线直齿圆柱齿轮副的齿向修形方法，仅对齿轮副中的一个齿轮进行齿向修形，该齿轮命名为齿轮A；齿轮副中的另一个齿轮命名为齿轮B；其特征在于，所述齿轮A的复合齿向修形曲线满足如下通式(1)： c c i = αc c ( b c i b c ) β + ( 1 - α ) c c ( b c i b c ) λ - - - ( 1 ) ]]>通式(1)中：0＜α＜1，1≤β≤3、1≤λ≤3；cc为齿轮A沿齿宽方向的最大修形量，10μm≤cc≤40μm；bc为远离鼓形中心一侧的齿轮端面到鼓形中心截面的距离；当齿轮的两个端面到鼓形中心截面的距离相等时，即为齿宽的一半；bci为复合齿向修形曲线上任意一点Pi点所在的轮齿截面到鼓形中心截面的距离；cci为复合齿向修形曲线上任意一点Pi点所在轮齿截面的渐开线齿廓曲线对应的修形量；所述齿轮A的复合齿向修形曲线是采用正交试验方法得到的，具体方法如下：将上述α、β、λ、cc、bc分别取具体数值并代入上述通式(1)得到若干条复合齿向修形曲线、再利用该若干条复合齿向修形曲线一一进行齿轮A的模拟齿向修形，并将模拟齿向修形后的齿轮A与齿轮B进行仿真传动试验后，筛选出最优仿真传动试验结果所对应的那条复合齿向修形曲线。2.根据权利要求1所述的渐开线直齿圆柱齿轮副的齿向修形方法，其特征在于，所述正交试验方法的具体步骤如下：(1)、以上述通式(1)中的α、β、λ、cc、bc作为正交试验的5个影响因素，然后以这5个影响因素作为列、将每一影响因素划分为5个水平作为行，按照L25(56)的排布方式得到正交试验表；其中：α、β、λ、cc的数据是在各自的取值范围内，五等分后分别得到的五个具体数值；bc的数据是将bc±2mm这一数值范围五等分后得到的五个具体数值；(2)、从所得到的正交试验表中分别调取一行数据，并带入上述通式(1)，得到一条备选复合齿向修形曲线，总计得到25条备选复合齿向修形曲线；(3)、结合齿轮副的结构参数、工况参数、材料参数，利用上述25条备选复合齿向修形曲线分别对齿轮A进行模拟齿向修形，并对齿向修形后的齿轮副进行仿真传动模拟试验；然后，筛选出最优的仿真传动模拟试验结果，该最优的仿真传动模拟试验结果所对应的那条备选复合齿向修形曲线，即为齿轮A的复合齿向修形曲线；上述结构参数包括：齿轮A齿数、齿轮B齿数、模数、压力角、齿轮A变位系数、齿轮B变位系数、齿轮A齿宽、齿轮B齿宽、齿顶高系数、顶系系数、小轮轴当量直径、轴承跨距、制造安装误差、齿轮A齿宽中点到轴承跨距中点的距离、齿轮A轴孔直径、齿轮B轴孔直径、齿轮A轴孔倒角、齿轮B轴孔倒角；上述工况参数包括：主动轮转速、主动轮输入转矩、使用系数、动载系数、总载荷系数；上述材料参数包括：齿轮A弹性模量、齿轮A泊松比、齿轮A密度、齿轮B弹性模量、齿轮B泊松比、齿轮B密度、齿轮副接触疲劳极限。3.根据权利要求1所述的渐开线直齿圆柱齿轮副的齿向修形方法，其特征在于，所述仿真传动模拟试验包括四个步骤，分别为建立齿向修形齿轮副的实体装配模型的步骤、建立啮合仿真分析模型并分析的步骤、进行强度校核的步骤及齿向修形性能评价的步骤；其中：所述建立齿向修形齿轮副的实体装配模型的步骤，是按如下方法进行的：首先，在ANSYS软件中，以总体坐标系中的圆柱坐标系作为第一圆柱坐标系，建立齿轮A的模型C；所述齿轮A的模型C是按如下方法建立的：首先，构思出一个齿轮A的第一虚拟模型，并进行第一虚拟模型的定位，所述第一虚拟模型的定位方法如下：以第一圆柱坐标系的原点作为该第一虚拟模型远离鼓形中心一侧的那个齿轮端面的中心点，以第一圆柱坐标系的z轴作为第一虚拟模型的旋转中心轴线，从第一圆柱坐标系的原点指向靠近鼓形中心一侧的端面中心点的方向与第一圆柱坐标系的z轴正方向一致，当第一圆柱坐标系的极角为零时，令第一虚拟模型中任意一个轮齿的渐开线起点位于第一圆柱坐标系的极轴正方向上，该渐开线沿逆时针方向展开，至此，完成第一虚拟模型的定位；然后，确定出用于拟合出第一虚拟模型中任意一个轮齿的齿廓曲面的完整点阵，所述用于拟合出第一虚拟模型中任意一个轮齿的齿廓曲面的完整点阵由第一点阵、第二点阵、第一齿顶曲面点阵以及第一齿根曲面点阵组成，具体方法如下：先按下式(2)计算出位于所述第一虚拟模型中任意一个轮齿在任意一个截面k上的渐开线齿廓的任意一点Pi点的坐标，该渐开线齿廓沿逆时针方向展开：上式(2)中：rb1为齿轮A的基圆半径；ra1为齿轮A的齿顶圆半径；bk为k截面到第一圆柱坐标系原点的距离；αki为Pi点的压力角；上述截面k与第一虚拟模型的旋转中心轴线垂直；在ANSYS软件中，按由上式(2)计算出的任意一点Pi点的坐标，在第一圆柱坐标系下，建立第一点阵；所述第一点阵构成的曲面为所述第一虚拟模型中任意一个轮齿靠近极轴一侧的渐开线齿廓曲面；然后，以该轮齿的纵向中心轴线所在的纵向截面为对称面，由第一点阵镜像出第二点阵，所述第二点阵构成的曲面为该轮齿另一侧的渐开线齿廓曲面；进一步生成第一齿顶曲面点阵和第一齿根曲面点阵；至此，得到用于拟合出第一虚拟模型中任意一个轮齿的齿廓曲面的完整点阵；接着，基于均匀双三次B样条曲面生成方法，将上述用于拟合出第一虚拟模型中任意一个轮齿的齿廓曲面的完整点阵拟合成曲面，得到第一虚拟模型中任意一个轮齿的齿廓曲面；在此基础上，按照齿轮A的齿数进行阵列可得到第一虚拟模型的完整齿廓曲面；再使用ANSYS中自带的一系列建模功能，即可生成第一虚拟模型；并将所生成的这个第一虚拟模型绕第一圆柱坐标系的z轴进行旋转，直至第一圆柱坐标系的原点所在的那个端面上的任意一个齿槽中点与端面中心点的连线与第一圆柱坐标系的极轴重合即得模型C；其次，在ANSYS软件中，根据齿轮副的中心距和两齿轮齿宽，平移第一圆柱坐标系得到第二圆柱坐标系，在第二圆柱坐标系下，建立齿轮B的模型D；所述齿轮B的模型D是按如下方法建立的：首先，构思出一个齿轮B的第二虚拟模型，并进行第二虚拟模型的定位，所述第二虚拟模型的定位方法如下：以第二圆柱坐标系的原点作为该第二虚拟模型任意一侧端面的中心点，以第二圆柱坐标系的z轴作为第二虚拟模型的旋转中心轴线，从第二圆柱坐标系的原点指向另一侧端面中心点的方向与第二圆柱坐标系的z轴正方...

【专利技术属性】
技术研发人员：李学艺，王宁宁，万丽荣，曾庆良，张鑫，王坤，张国鹏，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东;37