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弧齿锥齿轮参数化设计及啮合传动规律研究

作　者: 王犇
导　师: 华林
学　校: 武汉理工大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 弧齿锥齿轮参数化精确建模安装误差载荷条件模态分析
分类号: TH132.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

弧齿锥齿轮因具有传动平稳、效率高、承载能力强、噪声低等优点,已在汽车、航空航天、石油、化工等诸多领域中代替直齿锥齿轮来实现相交轴间的运动传递。在许多关键传动部件,例如汽车后桥主减速器中,弧齿锥齿轮往往长时间处于非标准安装、高速、重载、冲击等复杂多变的工作环境,若能准确预测齿轮的实际啮合传动规律对于高强度、轻质量、长寿命齿轮的设计与研制具有重要的指导意义。同时弧齿锥齿轮齿廓形状为复杂的球面渐开线,齿面也为不规则的空间曲面,三维几何精确建模较为困难,导致其啮合仿真分析以及局部优化设计的相关研究工作难以开展和深入。因此,研究弧齿锥齿轮参数化精确设计方法及其啮合传动规律对于该齿轮的发展和应用具有重要意义。本文根据弧齿锥齿轮的啮合原理和加工过程,在Pro/E软件环境下,采用球面渐开线齿廓方程,建立了弧齿锥齿轮的三维参数化精确几何模型,为其啮合仿真分析打下了基础。采用现代有限元模拟仿真技术,在ANSYS软件中建立了弧齿锥齿轮非线性静态和动态接触分析有限元模型,探究了弧齿锥齿轮的啮合传动规律,详细研究了各类安装误差对于弧齿锥齿轮啮合过程中齿面接触应力、齿根弯曲应力、传动误差、振动与噪音、接触路径和载荷分配系数的影响规律；以及扭矩、转速、摩擦条件等动态因素对于啮合接触应力的影响规律。研究成果为弧齿锥齿轮的修行优化设计、实际装配等提供了理论基础和有效参考。采用ANSYS软件中模态分析模块,研究了弧齿锥齿轮齿轮动力学振动模态特性,得到了各阶固有频率和振型,且进一步揭示了高转速、各类尺寸特征,包括螺旋角、压力角、径向变位系数以及切向变位系数等因素对于齿轮模态特性的影响规律,为弧齿锥齿轮振动模态特性的准确预测、结构优化、输入激励的控制提供了理论基础。以Visual Basic语言、AutoCAD以及Pro/E为平台,开发了齿轮参数化设计软件,实现了各类圆柱、圆锥齿轮的几何尺寸自动计算,二维工程图以及三维模型的参数化建模,为齿轮机构的研究提供了高效、精确的基础模型。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-19
  1.1 引言  10-11
  1.2 课题相关研究进展  11-17
    1.2.1 弧齿锥齿轮啮合理论和设计方法研究  12-13
    1.2.2 弧齿锥齿轮啮合传动规律研究  13-17
  1.3 课题来源、目的和意义  17-18
    1.3.1 课题来源  17
    1.3.2 课题研究目的及意义  17-18
  1.4 本文研究方法和内容  18
  1.5 本章小结  18-19
第2章弧齿锥齿轮参数化设计  19-35
  2.1 球面渐开线形成原理及特性  19-23
    2.1.1 球面渐开线形成原理  20-22
    2.1.2 球面渐开线特性  22-23
  2.2 球面渐开线方程推导  23-25
  2.3 三维参数化精确建模过程  25-32
    2.3.1 生成球面渐开线齿廓  25-27
    2.3.2 建立齿槽齿顶和齿根齿形曲线  27-28
    2.3.3 生成齿槽实体  28-30
    2.3.4 生成整齿模型  30-31
    2.3.5 实现参数化功能  31-32
  2.4 齿轮副虚拟装配和运动仿真分析  32-34
    2.4.1 装配和运动干涉分析  32-33
    2.4.2 接触斑点预测  33-34
  2.5 本章小结  34-35
第3章弧齿锥齿轮啮合运动有限元分析  35-81
  3.1 有限元模型建立  36-40
  3.2 齿轮啮合区间划分  40-41
  3.3 安装误差对齿轮啮合运动的影响  41-71
    3.3.1 安装误差的选定  41-43
    3.3.2 安装误差对齿面接触应力的影响  43-53
    3.3.3 安装误差对齿根弯曲应力的影响  53-56
    3.3.4 安装误差对传动误差的影响  56-60
    3.3.5 安装误差对振动和噪音的影响  60-63
    3.3.6 安装误差对接触路径的影响  63-65
    3.3.7 安装误差对载荷分配系数的影响  65-71
  3.4 弧齿锥齿轮动态接触有限元分析  71-79
    3.4.1 前处理主要过程  71-74
    3.4.2 ANSYS/LS-DYNA后处理方法  74-75
    3.4.3 静态分析与动态分析结果比较  75-76
    3.4.4 扭矩对啮合接触特性的影响  76-77
    3.4.5 转速对啮合接触特性的影响  77-78
    3.4.6 摩擦条件对啮合接触特性的影响  78-79
  3.5 本章小结  79-81
第4章弧齿锥齿轮动力学模态有限元分析  81-95
  4.1 动力学模态分析理论  81-82
  4.2 静止状态下齿轮模态特性  82-84
  4.3 高速旋转状态下齿轮模态特性  84-87
  4.4 齿轮尺寸特征对模态特性的影响  87-94
    4.4.1 尺寸特征的选取  87-88
    4.4.2 螺旋角对模态特性的影响  88-90
    4.4.3 压力角对模态特性的影响  90-91
    4.4.4 径向变位系数对模态特性的影响  91-92
    4.4.5 切向变位系数对模态特性的影响  92-94
  4.5 本章小结  94-95
第5章齿轮参数化设计软件开发  95-107
  5.1 二次开发方法介绍  95-98
  5.2 基本开发过程  98-106
    5.2.1 开发接口  98-99
    5.2.2 几何尺寸参数自动计算  99-100
    5.2.3 二维参数化工程图  100-104
    5.2.4 三维参数化实体模型  104-106
  5.3 本章小结  106-107
第6章总结与展望  107-109
  6.1 研究总结  107-108
  6.2 研究展望  108-109
参考文献  109-115
致谢  115-116
攻读硕士期间科研成果  116

弧齿锥齿轮参数化设计及啮合传动规律研究

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