一种渐开线直齿圆柱齿轮副的齿廓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廓修形方法及与其配套的专用参数化CAD系统，其齿廓修形方法的主要步骤包括：构建通用的复合齿廓修形曲线方程式，然后采用正交试验方法，利用得到的若干条备选的第一、第二复合齿廓修形曲线；模拟修形后，将齿轮副一一进行仿真传动试验，以筛选出符合设计要求的第一、第二复合齿廓修形曲线；与之配套的专用参数化CAD系统，将齿廓修形后的渐开线直齿圆柱齿轮副建模、啮合仿真分析以及提取齿廓修形齿轮副的啮合性能指标等过程融入到一个系统中。本发明专利技术的齿廓修形方法通用性强、修形质量稳定可靠；CAD系统功能全、操作简便，可以高效率地用于齿轮研发的辅助设计。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种齿轮副的齿廓修形方法及与其配套的参数化CAD系统；尤其是一种渐开线直齿圆柱齿轮副的齿廓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，由于受制造安装误差以及受载后发生弹性弯曲变形、热变形等多种因素的影响，再加上渐开线直齿圆柱齿轮传动本身的啮入啮出冲击以及单双齿交替啮合冲击等问题，导致齿轮传动平稳性较差，尤其对于在高速、重载情况下使用的齿轮副，还会产生明显的振动、噪声等问题，严重影响了齿轮副的使用寿命，因此需要进行齿廓修形处理。渐开线圆柱齿轮的齿廓修形技术比较复杂，其不仅涉及到齿轮副的结构，还涉及到齿轮副的具体载荷情况。因此，对于在高速、重载情况下使用的齿轮副，当具体载荷情况不同时，需要采用不同的齿廓修形方法。现有的齿廓修形方法通常依据技术人员的经验确定合适的修形量，然后使用直线、Walker曲线、日高寺内曲线、明川歌川曲线等通用齿廓修形曲线进行齿廓修形。不难看出，对于在具体载荷情况不同的齿轮副，这种通用方法难以得到最佳的齿廓修形性能。此外，现有的齿廓修形方法很难在设计阶段对齿廓修形齿轮副的修形性能进行评价，通常需要对试制出的齿廓修形齿轮副进行跑合试验，使用特定设备检测齿廓修形齿轮副受载啮合过程中的传动误差波动情况，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，以此对齿廓修形齿轮副的修形性能进行评价，导致工序复杂、费时费力、成本高、对技术人员的经验依赖性高。更为重要的是，齿轮修形后，齿轮副的齿面结构及传动性能也发生了变化，如何对齿廓修形齿轮副的强度进行校核计算也是一个难题，传统的齿轮设计方法只能利用经验公式进行近似计算，难以实现齿廓修形齿轮副的结构优化。随着CAD技术的成熟及发展，为齿廓修形齿轮副的精确建模与准确性能分析提供了条件，但目前很少有人对齿廓修形齿轮的修形技术、精确建模与啮合性能仿真分析技术进行系统研究。虽然有不少技术人员对齿廓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，但至今没能解决针对具体载荷情况不同时、如何确定最佳修形曲线的问题，也没能有效解决齿廓修形渐开线圆柱齿轮副的啮合性能分析及评价的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的之一是，为在高速、重载情况下使用的渐开线直齿圆柱齿轮副提供一种齿廓修形方法，通过改变第一复合齿廓修形曲线和第二复合齿廓修形曲线上的参数，就能够产生不同形状的曲线分别作为两个齿轮的备选复合齿廓修形曲线，并可以在设计阶段就为渐开线直齿圆柱齿轮副中的两个齿轮分别找到合适的第一复合齿廓修形曲线和第二复合齿廓修形曲线，并通过对该齿廓修形齿轮副进行仿真传动模拟试验，实现强度校核并获取齿廓修形性能参数，从而实现对齿廓修形齿轮副的啮合性能进行分析与评价。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廓修形方法，专用于在高速、重载工况条件下使用的齿轮副中的两个齿轮的齿廓修形；为叙述方便，以上述两个齿轮中齿数较少的那个齿轮为齿轮A、齿数较多的那个齿轮为齿轮B；若上述两个齿轮的齿数相等，则任意指定其中的一个齿轮为齿轮A，另一个齿轮为齿轮B；其特征在于，所述齿轮A的第一复合齿廓修形曲线满足如下通式(1)：Δi=[α(lilA)k+(1-α)·(lilA)g]·ΔA---(1)]]>通式(1)中：0≤α≤1，1≤k≤3，1≤g≤3；ΔA为齿轮A的齿廓修形量，ΔA＝(9+0.04Wt)×10-3，Wt为单位齿宽载荷；lA为齿轮A的修形长度，为啮合线上对应的起始修形点到单双齿交替啮合点的距离；Δi为第一复合齿廓修形曲线上任意一点Pi点对应的修形量；lA为第一复合齿廓修形曲线上任意一点Pi点到起始修形点在啮合线上对应的距离；所述齿轮B的第二复合齿廓修形曲线满足如下通式(2)：Δj=[β(ljlB)s+(1-β)·(ljlB)t]·ΔB---(2)]]>通式(2)中：0≤β≤1，1≤s≤3，1≤t≤3；ΔB为齿轮B的齿廓修形量，ΔB＝(4+0.04Wt)×10-3；lB为齿轮B的修形长度，lB＝lA；Δj为第二复合齿廓修形曲线上任意一点Qj点对应的修形量；lB为第二复合齿廓修形曲线上任意一点Qj点到起始修形点在啮合线上对应的距离；所述齿轮A的第一复合齿廓修形曲线和所述齿轮B的第二复合齿廓修形曲线，均是采用正交试验方法得到的；所述正交试验方法的具体步骤如下：第一步，将上述α、k、g、β、s、t作为正交试验的6个影响因素，分别在其取值范围内各自均匀选取w个数值，按照正交试验设计方法构造正交试验表，得到u组试验数据；其中，w为正整数，3≤w≤8；第二步，分别提取每组试验数据中的α、k、g代入到上述通式(1)中，得到u条第一复合齿廓修形曲线，作为备选的第一复合齿廓修形曲线；分别提取每组试验数据中的β、s、t代入到上述通式(2)中，得到u条第二复合齿廓修形曲线，作为备选的第二复合齿廓修形曲线；第三步，将所得全部备选的第一复合齿廓修形曲线和所得全部备选的第二复合齿廓修形曲线，分别按组进行齿轮A和齿轮B的模拟齿廓修形；然后，将每一组经过模拟齿廓修形后的齿轮A与经过模拟齿廓修形后的齿轮B，分别在计算机上进行仿真传动试验；每一组仿真传动试验均包括以下步骤：(1)、由操作人员根据齿轮副的结构参数和材料参数，在计算机上安装的ANSYS软件中建立齿廓修形齿轮副的装配模型，并依据载荷参数在装配模型上建立啮合仿真分析模型；(2)、由ANSYS软件对啮合仿真分析模型进行求解，得到分析结果；(3)、由操作人员根据分析结果，对齿廓修形齿轮副进行强度校核，并提取齿廓修形性能参数；将强度校核结果与提取的齿廓修形性能参数，作为该组仿真传动试验结果；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齿宽、齿轮B齿宽、齿轮A变位系数、齿轮B变位系数、齿顶高系数、顶隙系数、齿轮A轴孔直径、齿轮B轴孔直径、齿轮A轴孔倒角和齿轮B轴孔倒角；上述载荷参数包括主动轮转速、主动轮输入转矩、使用系数、动载系数和总载荷系数；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A接触疲劳许用应力、齿轮B接触疲劳许用应力、齿轮A齿根弯曲疲劳许用应力和齿轮B齿根弯曲疲劳许用应力；上述齿廓修形齿轮副的装配模型由齿轮A的模型C和齿轮B的模型D组成；上述齿廓修形性能参数，包括传动误差的标准差和传动过程中的齿面载荷数据；第四步，根据本次正交试验中各组仿真传动试验的结果，判断正交试验是否满足终止条件；上述是否满足终止的判断标准为：以至少存在一组仿真传动试验结果满足强度要求，且同时满足传动误差标准差小于或等于允许值的要求为标准；若满足，则终止正交试验；否则，进行新的正交试验；若本次正交试验满足终止条件，则从满足终止条件的几组仿真传动试验中筛选出齿面载荷数据波动量最小的那组仿真传动试验，将该组仿真传动试验中，模型C所对应的那条备选的第一复合齿廓修形曲线，作为用于对齿轮A进行齿廓修形的第一复合齿廓修形曲线，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廓修形方法，专用于在高速、重载工况条件下使用的齿轮副中的两个齿轮的齿廓修形；为叙述方便，以上述两个齿轮中齿数较少的那个齿轮为齿轮A、齿数较多的那个齿轮为齿轮B；若上述两个齿轮的齿数相等，则任意指定其中的一个齿轮为齿轮A，另一个齿轮为齿轮B；其特征在于，所述齿轮A的第一复合齿廓修形曲线满足如下通式(1)：Δi=[α(lilA)k+(1-α)·(lilA)g]·ΔA---(1)]]>通式(1)中：0≤α≤1，1≤k≤3，1≤g≤3；ΔA为齿轮A的齿廓修形量，ΔA＝(9+0.04Wt)×10‑3，Wt为单位齿宽载荷；lA为齿轮A的修形长度，为啮合线上对应的起始修形点到单双齿交替啮合点的距离；Δi为第一复合齿廓修形曲线上任意一点Pi点对应的修形量；lA为第一复合齿廓修形曲线上任意一点Pi点到起始修形点在啮合线上对应的距离；所述齿轮B的第二复合齿廓修形曲线满足如下通式(2)：Δj=[β(ljlB)s+(1-β)·(ljlB)t]·ΔB---(2)]]>通式(2)中：0≤β≤1，1≤s≤3，1≤t≤3；ΔB为齿轮B的齿廓修形量，ΔB＝(4+0.04Wt)×10‑3；lB为齿轮B的修形长度，lB＝lA；Δj为第二复合齿廓修形曲线上任意一点Qj点对应的修形量；lB为第二复合齿廓修形曲线上任意一点Qj点到起始修形点在啮合线上对应的距离；所述齿轮A的第一复合齿廓修形曲线和所述齿轮B的第二复合齿廓修形曲线，均是采用正交试验方法得到的；所述正交试验方法的具体步骤如下：第一步，将上述α、k、g、β、s、t作为正交试验的6个影响因素，分别在其取值范围内各自均匀选取w个数值，按照正交试验设计方法构造正交试验表，得到u组试验数据；其中，w为正整数，3≤w≤8；第二步，分别提取每组试验数据中的α、k、g代入到上述通式(1)中，得到u条第一复合齿廓修形曲线，作为备选的第一复合齿廓修形曲线；分别提取每组试验数据中的β、s、t代入到上述通式(2)中，得到u条第二复合齿廓修形曲线，作为备选的第二复合齿廓修形曲线；第三步，将所得全部备选的第一复合齿廓修形曲线和所得全部备选的第二复合齿廓修形曲线，分别按组进行齿轮A和齿轮B的模拟齿廓修形；然后，将每一组经过模拟齿廓修形后的齿轮A与经过模拟齿廓修形后的齿轮B，分别在计算机上进行仿真传动试验；每一组仿真传动试验均包括以下步骤：(1)、由操作人员根据齿轮副的结构参数和材料参数，在计算机上安装的ANSYS软件中建立齿廓修形齿轮副的装配模型，并依据载荷参数在装配模型上建立啮合仿真分析模型；(2)、由ANSYS软件对啮合仿真分析模型进行求解，得到分析结果；(3)、由操作人员根据分析结果，对齿廓修形齿轮副进行强度校核，并提取齿廓修形性能参数；将强度校核结果与提取的齿廓修形性能参数，作为该组仿真传动试验结果；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齿宽、齿轮B齿宽、齿轮A变位系数、齿轮B变位系数、齿顶高系数、顶隙系数、齿轮A轴孔直径、齿轮B轴孔直径、齿轮A轴孔倒角和齿轮B轴孔倒角；上述载荷参数包括主动轮转速、主动轮输入转矩、使用系数、动载系数和总载荷系数；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A接触疲劳许用应力、齿轮B接触疲劳许用应力、齿轮A齿根弯曲疲劳许用应力和齿轮B齿根弯曲疲劳许用应力；上述齿廓修形齿轮副的装配模型由齿轮A的模型C和齿轮B的模型D组成；上述齿廓修形性能参数，包括传动误差的标准差和传动过程中的齿面载荷数据；第四步，根据本次正交试验中各组仿真传动试验的结果，判断正交试验是否满足终止条件；上述是否满足终止条件的判断标准为：以至少存在一组仿真传动试验结果满足强度要求，且同时满足传动误差标准差小于或等于允许值的要求为标准；若满足，则终止正交试验；否则，进行新的正交试验；若本次正交试验满足终止条件，则从满足终止条件的几组仿真传动试验中筛选出齿面载荷数据波动量最小的那组仿真传动试验，将该组仿真传动试验中，模型C所对应的那条备选的第一复合齿廓修形曲线，作为用于对齿轮A进行齿廓修形的第一复合齿廓修形曲线，模型D所对应的那条备选的第二复合齿廓修形曲线，作为用于对齿轮B进行齿廓修形的第二复合齿廓修形曲线；若本次正交试验不满足终止条件，则修改取值个数w，对α、k、g、β、s、t重新均匀取值，按照正交试验设计方法重新构造正交试验表，重新得到若干条备选的第一复合齿廓修形曲线和若干条备选的第二复合齿廓修形曲线；再重复第三步到第四...

【技术特征摘要】
1.一种渐开线直齿圆柱齿轮副的齿廓修形方法，专用于在高速、重载工况条件下使用的齿轮副中的两个齿轮的齿廓修形；为叙述方便，以上述两个齿轮中齿数较少的那个齿轮为齿轮A、齿数较多的那个齿轮为齿轮B；若上述两个齿轮的齿数相等，则任意指定其中的一个齿轮为齿轮A，另一个齿轮为齿轮B；其特征在于，所述齿轮A的第一复合齿廓修形曲线满足如下通式(1)：Δi=[α(lilA)k+(1-α)·(lilA)g]·ΔA---(1)]]>通式(1)中：0≤α≤1，1≤k≤3，1≤g≤3；ΔA为齿轮A的齿廓修形量，ΔA＝(9+0.04Wt)×10-3，Wt为单位齿宽载荷；lA为齿轮A的修形长度，为啮合线上对应的起始修形点到单双齿交替啮合点的距离；Δi为第一复合齿廓修形曲线上任意一点Pi点对应的修形量；lA为第一复合齿廓修形曲线上任意一点Pi点到起始修形点在啮合线上对应的距离；所述齿轮B的第二复合齿廓修形曲线满足如下通式(2)：Δj=[β(ljlB)s+(1-β)·(ljlB)t]·ΔB---(2)]]>通式(2)中：0≤β≤1，1≤s≤3，1≤t≤3；ΔB为齿轮B的齿廓修形量，ΔB＝(4+0.04Wt)×10-3；lB为齿轮B的修形长度，lB＝lA；Δj为第二复合齿廓修形曲线上任意一点Qj点对应的修形量；lB为第二复合齿廓修形曲线上任意一点Qj点到起始修形点在啮合线上对应的距离；所述齿轮A的第一复合齿廓修形曲线和所述齿轮B的第二复合齿廓修形曲线，均是采用正交试验方法得到的；所述正交试验方法的具体步骤如下：第一步，将上述α、k、g、β、s、t作为正交试验的6个影响因素，分别在其取值范围内各自均匀选取w个数值，按照正交试验设计方法构造正交试验表，得到u组试验数据；其中，w为正整数，3≤w≤8；第二步，分别提取每组试验数据中的α、k、g代入到上述通式(1)中，得到u条第一复合齿廓修形曲线，作为备选的第一复合齿廓修形曲线；分别提取每组试验数据中的β、s、t代入到上述通式(2)中，得到u条第二复合齿廓修形曲线，作为备选的第二复合齿廓修形曲线；第三步，将所得全部备选的第一复合齿廓修形曲线和所得全部备选的第二复合齿廓修形曲线，分别按组进行齿轮A和齿轮B的模拟齿廓修形；然后，将每一组经过模拟齿廓修形后的齿轮A与经过模拟齿廓修形后的齿轮B，分别在计算机上进行仿真传动试验；每一组仿真传动试验均包括以下步骤：(1)、由操作人员根据齿轮副的结构参数和材料参数，在计算机上安装的ANSYS软件中建立齿廓修形齿轮副的装配模型，并依据载荷参数在装配模型上建立啮合仿真分析模型；(2)、由ANSYS软件对啮合仿真分析模型进行求解，得到分析结果；(3)、由操作人员根据分析结果，对齿廓修形齿轮副进行强度校核，并提取齿廓修形性能参数；将强度校核结果与提取的齿廓修形性能参数，作为该组仿真传动试验结果；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齿宽、齿轮B齿宽、齿轮A变位系数、齿轮B变位系数、齿顶高系数、顶隙系数、齿轮A轴孔直径、齿轮B轴孔直径、齿轮A轴孔倒角和齿轮B轴孔倒角；上述载荷参数包括主动轮转速、主动轮输入转矩、使用系数、动载系数和总载荷系数；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A接触疲劳许用应力、齿轮B接触疲劳许用应力、齿轮A齿根弯曲疲劳许用应力和齿轮B齿根弯曲疲劳许用应力；上述齿廓修形齿轮副的装配模型由齿轮A的模型C和齿轮B的模型D组成；上述齿廓修形性能参数，包括传动误差的标准差和传动过程中的齿面载荷数据；第四步，根据本次正交试验中各组仿真传动试验的结果，判断正交试验是否满足终止条件；上述是否满足终止条件的判断标准为：以至少存在一组仿真传动试验结果满足强度要求，且同时满足传动误差标准差小于或等于允许值的要求为标准；若满足，则终止正交试验；否则，进行新的正交试验；若本次正交试验满足终止条件，则从满足终止条件的几组仿真传动试验中筛选出齿面载荷数据波动量最小的那组仿真传动试验，将该组仿真传动试验中，模型C所对应的那条备选的第一复合齿廓修形曲线，作为用于对齿轮A进行齿廓修形的第一复合齿廓修形曲线，模型D所对应的那条备选的第二复合齿廓修形曲线，作为用于对齿轮B进行齿廓修形的第二复合齿廓修形曲线；若本次正交试验不满足终止条件，则修改取值个数w，对α、k、g、β、s、t重新均匀取值，按照正交试验设计方法重新构造正交试验表，重新得到若干条备选的第一复合齿廓修形曲线和若干条备选的第二复合齿廓修形曲线；再重复第三步到第四步，进行下一次正交试验，直到得到第一复合齿廓修形曲线和第二复合齿廓修形曲线为止。2.根据权利要求1所述的渐开线直齿圆柱齿轮副的齿廓修形方法，其特征在于，所述强度校核的方法如下：首先，根据ANSYS软件对啮合仿真分析模型进行求解所得到的分析结果，分别绘制出模型C的齿面接触应力的时间历...

【专利技术属性】
技术研发人员：李学艺，王宁宁，钟佩思，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