螺旋锥齿轮技术的研究现状3__李

螺旋锥齿轮技术的研究现状3__李 螺旋锥齿轮技术的研究现状3 李兆文 王 勇 陈正洪 山东大学 摘 要:从设计与啮合理论、加工制造技术、动力学、齿面精度控制技术等方面综述了国内外螺旋锥齿轮技术 的研究进展情况,并对今后的研究作了展望。 关键词:螺旋锥齿轮, 设计制造技术, 动力学, 精度控制 Research Status and Prospect of Spiral Bevel Gears Technology Li Zhaowen Wang Yong Chen Zhenghong Abstract : The development and recent achievements in the field of spiral bevel gears technology including meshing theory , design and manufacture , dynamics and tooth surface precision control technology are summarized. The developing trend in the study of spiral bevel gears is presented. Keywords :spiral bevel gear , design and manufacture , dynamics , precision control 1 引言 螺旋锥齿轮副是实现相交轴运动传递的基础元 件,由于具有重合度大、传动平稳、承载能力高等优 点,广泛应用于各种机器设备中相交和相错轴传动, 如汽车、工程机械、旋翼推进的直升机、机床等。螺 旋锥齿轮的制造精度、质量直接影响到这些设备的 效率、噪声、运动精度和寿命。但螺旋锥齿轮的几何 特性与啮合过程及其机床结构和加工调整都非常复 杂,同时加工刀具、机床参数设置、加载变形和装配 误差等各种因素都会引起其啮合、承载及振动性能 的改变,使得在设计和制造中控制其质量和性能十 分困难。因此,螺旋锥齿轮技术一直引起各国有关 专家学者的广泛关注和研究,成为齿轮生产中的关 键技术和制高点。 2 螺旋锥齿轮设计与啮合理论的研究 螺旋锥齿轮理论最初是由美国Gleason 公司的 Wildhaber、Baxter 等人提出的,后来瑞士的Oerlikon 公司和德国Klingelnberg 公司也拥有了螺旋锥齿轮 技术,并各自制定了 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 。Gleason 公司采用的是圆 弧齿制,Oerlikon 公司和Klingelnberg 公司采用的是 延伸外摆线齿制,目前应用最广泛的是圆弧齿锥齿 轮。 传统Gleason 技术是以局部共轭原理为基础 的[1 ] 。首先切出大轮齿面,然后选取一计算参考点, 求出与大轮齿面做线接触的小轮齿面在参考点处的 位置、法向量以及法曲率等一阶、二阶接触参数,然 后根据要求修正小轮齿面在参考点处的法曲率,并 以此为基础来确定小轮切齿调整参数。 我国于1972 年后,曾把“格里森成套技术的研 究”列为重点研究课题[2 ] ,组织多家科研院所、工厂 对Gleason 技术进行攻关。其中,南开大学吴大任、 严志达教授、上海工业大学陈志新教授对齿轮啮合 理论进行了系统的研究,推导出了共扼曲面的诱导 法曲率公式,为彻底弄清Gleason 技术秘密奠定了理 论基础。重庆大学郑昌启教授、西安交通大学的序堂教授、中南大学的曾韬教授在此基础上 全面研 究了Gleason 的手算卡和TCA 程序,揭示了其编制 原理并推导了各种计算公式。经过“七五”、“八五”, 我国基本上摸清了格里森齿轮的理论基础和加工原 理,建成了螺旋锥齿轮的工业和技术体系。目前,我 国通行的仍然是该套技术,尽管较当今技术已经有 些陈旧,但在生产中仍然发挥着重要作用。 Gleason 公司的早期设计 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 的明显不足是没 有直接控制弧齿锥齿轮这种局部共扼齿轮齿面的二 阶接触参数[3 ] ,使得选择齿面曲率修正量十分困难, 可能要经过多次试切才能获得理想的啮合质量,对 操作人员经验的依赖性较大。 针对这种情况,美国Litvin 教授撇开Gleason 技 术,提出了局部综合法[4 ] 。借助于局部综合法,可以 利用二阶接触参数有效地预控齿面在参考点处的啮 合性能,但齿轮副还有可能存在诸如棱形接触、色尾 形接触、S 形传动等三阶接触缺陷。 吴序堂、王小椿[5 ]等对局部综合法进行改进,用 曲率张量和活动标架法等数学工具建立了一套三阶 接触 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 体系,利用加工机床多余可选的参数来优 化弧齿锥齿轮的三阶接触参数,使传动过程中有较 2007年第41卷?10 3 ? 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 好的接触性能。 在齿形设计方面,梁桂明等提出了非零变位的 思想[6 ] ,使螺旋锥齿轮变位系数的选取更加灵活,设 计出的齿轮噪音更低、承载能力更高。 方宗德[7 ]利用传动误差所反映的弧齿锥齿轮传 动的动态特性、强度性能等信息,提出了基于传动误 差的高重合度弧齿锥齿轮设计方法。邓效忠[8 ]对高 齿弧齿锥齿轮的设计和性能进行了理论和实验研 究,通过增加齿高来提高齿轮副的重合度,提高了齿 轮副啮合传动的平稳性和承载能力。 3 螺旋锥齿轮加工制造技术的研究 螺旋锥齿轮的加工制造技术与加工机床的进步 有着密切的关系。 (1) 国外螺旋锥齿轮加工机床的发展 Gleason 公司的创始人William Gleason 于1874 年发明了世界上第一台圆锥齿轮刨齿机[9 ] 。该公司 早期的GleasonNo1116/ 118 滚齿机采用复杂的机械 传动机构,主要通过齿轮间的啮合来传动,并且传动 链较长,容易造成锥齿轮的制造误差。 1973 年,Oerlikon 公司首次将PLC 控制应用于 S17 机床中[10 ] ,标志着螺旋锥齿轮切削机床进入了 简单的数控阶段。 上世纪八十年代中期, Gleason 公司率先推出 Free2Form 结构型的Phoenix 凤凰系列数控螺旋锥齿 轮铣齿机、磨齿机[11 ] 。这类全数控螺旋锥齿轮加工 机床实际上是一种5 轴联动的万能机床,可加工各 种齿制的螺旋锥齿轮齿面,除了更换件外,整个加工过程都是自动的,加工精度比传统机 床可提高1,2 级。目前已经生产出最新系列的凤 凰?型切齿机、磨齿机。 与凤凰机相配套,Gleason 公司推出了其先进的 数字化圆锥齿轮制造技术———格里森圆锥齿轮制造 专家系统GEMS[9 ] 。GEMS 是基于计算机网络的一 体化制造系统,它将格里森公司现有软件模块集成, 实现工程工作站和Gleason 数控机床之间的信息互 换和共享。 在凤凰机问世不久,Oerlikon 公司和Klingelnberg 公司也分别推出了CNC 锥齿轮加工机床。 (2) 国内螺旋锥齿轮加工机床的发展 我国在1972 年以前弧齿锥齿轮加工机床主要 由苏联进口,还有少量来自东德和日本,同时引进了 部分延伸外摆线齿制的Oerlikon 机床,并在此基础 上进行仿制。 1972 年后, 美国取消了对中国的禁运, 大量 Gleason 机床进入中国。随后,天津第一机床厂成为 生产弧齿锥齿轮机床的定点工厂,生产了Y2250、 Y2280 机械式螺旋锥齿轮铣齿机,成为我国各行业 加工弧齿锥齿轮的主要设备。 上世纪九十年代以来,我国开始对锥齿轮加工 机床进行数控研究,主要是在原机床结构基础上进 行局部数控化。1999 年,我国秦川机床厂与西安交 通大学联合研制了YH2240 型数控螺旋锥齿轮铣齿 机。中南大学齿轮研究所分别于1999 年和2001 年 研制成功了YK2212 和YK2245 六轴五联动数控铣 齿机。天津第一机床总厂研制生产了YKD2212、 YKD2280 等数控弧齿锥齿轮铣齿机。2005 年,天津 精诚机床制造有限公司研制成功加工直径为 1250mm 的YH6012 数控弧齿锥齿轮铣齿机。重庆 机床厂的YKS3112 和YKS3140 既可湿式滚齿,又可 干式滚齿。 2005 年底,我国自主建设的第一条螺旋锥齿轮 数字化加工闭环生产线在湖南中大创远建成,并投 入规模化生产,改变了过去高档全数控螺旋锥齿轮 机床全部依赖进口的局面。目前,该公司已能够生 产全数控弧齿锥齿轮铣齿机和七轴五联动数控弧齿 锥齿轮磨齿机。 虽然数控螺旋锥齿轮机床与传统的机械式机床 相比有很多优点,但高昂的价格使其在短期内很难 普及。到目前为止,国内大多数企业的齿轮加工仍 采用机械式螺旋锥齿轮加工机床, 主要有: 美国 Gleason 公司的No1116/ 118、No126 等铣齿机、No1463 磨齿机和仿苏的国产Y22 型铣齿机。 目前,国外的螺旋锥齿轮制造精度己经达到了 很高水平[12 ] ,少数企业采用数控铣齿机加工,热处 理后采用数控磨齿机磨齿,生产全程采用齿面三坐 标测量精度控制,已达到可以不配对装配的水平。 然而国内目前的螺旋锥齿轮生产仍以传统机床为 主,精度控制采用传统的滚动检验,切齿精度低,齿 轮热处理变形的控制用寿命明显低于国外产品。 4 螺旋锥齿轮动力学研究 随着现代工业的发展,汽车、工程机械、直升飞 机等对螺旋锥齿轮动态性能的要求愈来愈高,如何 设计制造出低振动噪声、高可靠性的螺旋锥齿轮,提 高螺旋锥齿轮的动力学性能,引起国内外齿轮专家 的广泛研究。 Gleason 公司于1978 年正式发表了齿面接触分 析(tooth contact analysis ,TCA) 的原理和方法[13 ] 。在 4 工具技术 ? 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 不考虑加载变形和误差等因素的前提下,利用该方 法可以在计算机上模拟齿面接触斑点的形状和位 置,从而有效缩短螺旋锥齿轮的调整加工周期。但 当对螺旋锥齿轮的振动与噪音提出更高的要求时, 这种传统的TCA 方法已难以满足要求。 1981 年,Krezer 发表了螺旋锥齿轮的齿面加载 接触分析(1oaded tooth contact analysis ,LTCA) 的原理 和方法[13 ] 。该方法利用空间曲面的接触原理,计算 出螺旋锥齿轮齿面的接触斑点与传动误差来 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 其 动态性能。根据接触斑点的形状与位置,技术人员 可依靠自己的经验定性地判断齿轮振动的大小。目 前国内外都相继完善和采用了这种解析方法。 Litvin 用有限元法求解了载荷作用下的轮齿啮 合状况及载荷作用点的接触应力。Gosselin[14 ]给出 了用于求解齿间载荷分配的简化递推公式,并用有 限元法求解了轮齿在载荷作用下的弯曲变形。 Litvin 等[15 ]借助局部综合法、TCA 分析和有限元应 力分析法,减小齿轮传动时的噪音、振动。 郑昌启[16 ]在国内较早引入TCA 的方法并通过 引入载荷当量安装调整值以及传动角位移协调原则 等概念,建立了一套局部共扼齿轮副加载接触分析 计算方法。 陈良玉[17 ]等提出一种弧齿锥齿轮的齿根应力 精确计算方法,该方法以弧齿锥齿轮的切齿加工、轮 齿接触分析和加载接触分析计算齿面分布载荷,建 立精确的几何模型,利用有限元法计算齿根应力。 方宗德[18 ]等提出了结合有限元法与柔度矩阵 法的非线性规划法,进行螺旋锥齿轮的齿面加载接 触分析。 5 螺旋锥齿轮齿面精度控制技术的研 究 511 齿轮修形方面的研究 齿面在理论上的线接触,对于安装误差是很敏 感的,并导致边缘接触,产生大应力集中和传动噪 声[9 ] 。为了克服这些缺点,需要对齿面进行修形,即 相对于共轭齿面刮去一层表面材料,将共扼齿面失 配为点接触齿面,这样在齿轮传动的每一个瞬时,其 接触痕迹是一个椭圆,从而保证齿轮副具有良好的 传动性能和较低的误差敏感性。 修形包括齿廓方向和齿面纵向修形两种方齿廓修形可通过刀具修形或产形运动修正来实现, 沿齿长方向的修形可通过变性法、改变刀盘直径,或 用刀倾机构改变刀片压力角予以实现。修形过程最 终是通过设定机床切齿调整参数来完成的。 Gleason 公司开发了一种基于二次曲面理论的 逆向优化设计方法以及一种基于高阶运动误差的设 计方法,进行齿面的综合修形[9 ] 。 加拿大Falah、Gosselin[19 ]等通过实验和数值分 析研究齿面修形和提高重合度对齿轮传动动态性能 的影响。 目前,齿轮的修形量和精度通常是凭经验确定, 具有一定的盲目性,齿面修形技术在实际生产中很 少使用。 512 误差补偿技术的研究 螺旋锥齿轮副理论设计的局部共轭齿面很难通 过制造过程精确得到,各种加工误差和热处理变形 等使得实际加工得到的齿面相对理论齿面之间产生 误差。因此,需要对实际齿面进行修正。误差补偿 技术的原理如下:齿轮测量中心或三坐标测量机按 预定的遍布全齿面的网格,测量真实齿面网格节点 处的齿面坐标,并通过实际齿面 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 数据与理论齿 面数据的比较,识别齿面误差来源,计算切齿参数修 正量,进行机床加工参数的修正,从而使加工出的真 实齿面同理论优化齿面之间的误差最小。 Gleason 公司[9 ] 将真实齿面的齿面测量坐标值 与理论或样本齿面坐标进行对照,得到一个误差曲 面。将该误差曲面用二阶多项式z = a0 + a1 x + a2 y + a3 x2 + a4 xy + a5 y2 来表达,即把误差分解为零 阶、一阶和二阶误差,这些误差分别对应于齿厚误 差、压力角和螺旋角误差、曲率和挠率误差。求出拟 合方程的特征参数,然后按照齿面修形计算中单个 机床调整参数改变对理论齿面设计参考点曲率的影 响,对差曲面拟合方程的特征参数逐一进行补偿,将 这些误差减小到最小值。齿面误差修正的评估是利 用误差平方和或均方根来完成的。 Litvin 教授[20 ]将齿面上的点矢量看作是机床调 整参数的函数,建立齿面上一点的误差识别方程,求 解此方程即可得到齿面上该点的机床调整参数的修 正量。实际应用中只对有限的遍布全齿面的测量点 建立齿面误差识别方程,并将所有测量点的方程组 成一个方程组。但此方程组的求解困难,容易出现 病态方程。 针对Litvin 方法的不足,我国台湾学者林春云 等[21 ]引入机床调整参数的实际调整范围作为方程 组的约束条件,提出了一种新的修正优化方法。 王军[12 ]根据真实齿面的测量结果,用差曲面描 述理论齿面和实际齿面的偏差,用差曲面的特征参 数组成的5 维矢量来描述齿面误差。根据5 维线性 空间的性质,将空间距离、矢量的方向等用于识别和 2007年第41卷?10 5 补偿计算,求解出切齿机床参数的修正值。 孙殿柱、董学朱[22 ]等以三坐标测量机实测的齿 面网格节点坐标为依据,利用曲面造型和CAGD 理 论与经典的齿轮啮合理论相结合,可以确定真实齿 面的啮合区域和传动误差,还可以将大轮的齿面误 差折算到小轮齿面,切齿时只对小轮做补偿。 Zhang、Litvin[23 ]等人将真实齿面表示成两个向 量函数的和,其中一个表示由机床调整参数所确定 的理论齿面的函数,另一个表示真实齿面与理论齿 面之差的函数,利用CNC 坐标测量机测得齿面网格 点的偏差,用双三次样条函数来表示偏差函数,由此 可进行真实齿面的TCA 分析。 6 结语 随着数控技术在螺旋锥齿轮加工中的应用,特 别是理论上可以实现齿面加工的任何运动的Free Form 型锥齿轮加工机床的出现,为齿面的设计、制 造提供了更大的自由空间,为实现各种复杂的齿面 修形、进行齿面误差补偿提供了可能性。 在螺旋锥齿轮设计方面,不再局限于已有的弧 齿和延伸外摆线两种齿制,性能更优越的新齿形有 待研究。同时如果在设计阶段对由机床设定参数加 工出的理论齿面齿轮进行动力学分析,利用齿面修 形技术得到最优的切齿参数用于实际加工,能大大 减少试切次数。 在制造方面,随着数控螺旋锥齿轮加工机床的 应用,控制技术将在该领域得到更广泛的应用。利 用误差补偿技术组成一个闭环制造系统,可以使加 工出的齿面精度更高。 为了设计制造出低振动噪声、高可靠性的螺旋 锥齿轮,齿面精度控制技术和齿轮动力学的研究会 更加深入。另外,针对国内现状,把计算机辅助技术 用于机械式螺旋锥齿轮加工机床可以有效地提高螺 旋锥齿轮的加工效率和加工质量。 参考文献 1 邓效忠. 高重合度弧齿锥齿轮的设计理论及实验研究. 西北工业大学,2002 2 李小清. 螺旋锥齿轮数控加工与误差修正技术研究. 华 中科技大学博士论文,2004 3 田行斌. 弧齿锥齿轮啮合质量的计算仿真和控制. 西北 工业大学,2000 4 Litvin F L , Gutman Y. 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Computerized analysis of meshing and contact of gear real tooth surfaces. ASME Jour2 nal of Mechanical Design , 1994 ,116(3) :677,682 第一作者:李兆文,博士研究生,山东大学机械工程学 院,250061 济南市 6 工具技术