[01212789]螺旋锥齿轮的先进设计理论与制造方法

螺旋锥齿轮是机械工程领域重要的基础传动部件。本项目综合了齿轮空间啮合理论、非线性振动理论、有限元数值分析、弹性力学理论、超声工程学与计算机数值仿真，研究了螺旋锥齿轮的数字化设计理论与制造技术，创新成果主要有： 1.提出了高齿制准双曲面齿轮的概念，对高齿准双曲面齿轮副进行了系统的理论和实验研究，证明了高齿准双曲面齿轮副在齿面接触印痕布置、齿面载荷分布与齿间载荷分配、传动误差曲线设计、弯曲与接触强度、动态啮合性能、振动、噪音等方面比普通齿准双曲面齿轮副具有优势。完成了一套关于高齿准双曲面齿轮研究的完整理论与软件设计系统，为提高准双曲面齿轮的质量提供了途径。 2.打破了“非零变位”所受展成方法的限制，提出了基于HFT加工方法的准双曲面齿轮修正节锥的设计方法。利用TCA、LTCA、有限元分析方法探索了修正节锥设计对准双曲面齿轮几何、齿面接触性能及强度的影响规律，并通过切齿实验与齿根应力对比实验研究，发现了采用修正节锥设计可使准双曲面齿轮小轮的外径、齿根弦齿厚增加，齿面接触应力、齿根弯曲应力减小，可设计出大速比准双曲面齿轮副（小轮齿数少至3）。 3.提出了基于传动误差分析的齿面设计理论及方法，完善了螺旋锥齿轮的高重合度的设计方法及其啮合性能分析理论。突破了传统的接触路径垂直与根锥的观念，在不改变齿坯、机床、刀具的前提下，通过齿面接触路径的倾斜，获得高重合度、并有效地控制了误差的敏感性，使接触与弯曲应力下降10%，噪声下降2～3分贝，振动水平下降一半。 4.发明了螺旋锥齿轮超声振动研齿法，揭示了超声在齿面弹性半空间的传播与反射机制，超声振动加工的一些显著特征和机理；揭示了研齿误差动态均化、减振降噪的深层机理、自修形特征；揭示了影响超声研齿效率、质量的工艺因素与物理因素。研磨后能使齿轮啮合噪声下降2～8分贝。 5.探索了Free-Form机床的运动规律和展成原理，发现了基于HFM法四轴联动数控铣齿机加工螺旋锥齿轮的方法。通过对HFM切齿展成方法的研究，发现了新的变性展成多项式，其精度可达到磨齿机的凸轮设定参数，确立了四轴CNC铣齿机采用“变性法”铣齿的理论原理、齿面曲率修正的方法。 6.打破国际上通行的三维测头检测的理论和技术，基于我国具有自主知识产权的齿轮CNC测量中心，提出了一维测头检测螺旋锥齿轮的方法，研究了螺旋锥齿轮齿面偏差的测量方法和误差补偿理论。通过对齿面检测信息的综合与数控铣齿机运动模型的分析，发现了影响齿面精度的误差因素与数控机床运动参数之间的映射关系，为螺旋锥齿轮的数字化闭环制造，生产的柔性化奠定了理论和技术基础。 本项成果在螺旋锥齿轮设计、分析、加工、检测方面形成了系统的理论方法，所开发的软件，可广泛应用汽车、航空、机床齿轮的设计与制造，对于我国目前弧齿锥齿轮与准双曲面齿轮普遍存在的强度、寿命、振动、噪音等问题的解决，具有重要深远的意义。