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椭圆锥齿轮传动的设计分析及实验研究

作　者: 侯玉杰
导　师: 林超
学　校: 重庆大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 齿轮非圆锥齿轮运动特性模态分析传动实验
分类号: TH132.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

本文来源于国家自然科学基金项目,主要是探索非圆锥齿轮的传动原理,通用设计、分析及加工制造方法,并通过实验研究来验证所采用方法的正确性及可行性。非圆锥齿轮是一种新颖的、特殊的齿轮形式,可实现相交轴之间变速比的运动和动力传动。在工程机械、航空航天、船舶、汽车、变量齿轮泵等场合,具有潜在的应用前景。本文提出了一种新的非圆锥齿轮传动形式——椭圆锥齿轮,该齿轮传动分为高阶、变性及偏心等三类不同的形式,是非圆锥齿轮中最典型的传动形式。针对椭圆齿轮传动,开展的主要研究工作如下:依据齿轮的空间啮合原理及微分几何的相关理论,结合齿轮范成包络原理,建立了一种新的、通用的椭圆锥齿轮参数化范成设计方法;确定了该齿轮节曲线与刀具节线纯滚动的矩阵变换关系,由圆锥刀具与齿轮共轭啮合范成包络获得该种齿轮的齿形;研究了椭圆锥齿轮传动的分类及变性条件,分析了该齿轮传动高阶、变性及偏心等三类不同变性形式的传动特点,推导了相关方程,建立了匹配图表,归类统一了此三类不同变性形式的传动,确定了椭圆锥齿轮传动匹配模式的方法;重点分析了椭圆锥齿轮副的传动比、节曲线、节锥面、齿顶齿根曲线、模数及齿数等基本设计参数;利用三维软件的二次开发接口,开发出了其参数化范成包络仿真程序,分析了程序设计所需相关参数的选择方式及原则;从而获得了椭圆锥齿轮各种典型的传动匹配的实体模型。讨论了偏心率、主从动轮的阶数、阶数比及初始输入角速度等各种运动学参数对其传动比的变化特性,转角的特性及从动轮角加速度特性的影响变化关系;揭示了椭圆锥齿轮各种影响参数下的运动学变化规律,确定了椭圆锥齿轮设计的原则。利用有限元模态分析的基本原理和相关分析软件,获得了椭圆锥齿轮的固有频率;对比分析了椭圆锥齿轮副的阶数及偏心率对其固有频率的影响变化规律。在对椭圆锥齿轮设计参数和运动特性研究的基础上,分析了该齿轮五轴精铣加工的原理与坐标系变换的方法;对椭圆锥齿轮的五轴数控加工产品样件与实体模型进行了对比分析,其结果表明这种新的五轴数控加工椭圆锥齿轮的方法是正确可行的。针对高阶椭圆锥齿轮传动进行了对滚检查,搭建了相应的试验台,对该锥齿轮传动进行了实验研究,分析了电动机转速及载荷对传动比的影响规律;通过对比传动比的实验结果与理论计算结果,可见其变化规律基本一致,验证了该种新型锥齿轮传动形式的范成设计方法、范成包络软件和五轴数控制造方法是正确可行的。本文研究为非圆锥齿轮相关的设计、制造、分析及实验等提供了基本的理论及实验依据,有利于非圆锥齿轮的推广和应用。

全文目录

中文摘要  3-5
英文摘要  5-10
1 绪论  10-16
  1.1 课题的背景及其研究意义  10-13
    1.1.1 课题的研究背景  10-12
    1.1.2 课题的研究意义  12-13
  1.2 非圆锥齿轮的国内外研究现状  13-15
    1.2.1 非圆锥齿轮设计方法研究现状  13-14
    1.2.2 非圆锥齿轮加工制造方法研究现状  14-15
  1.3 论文的主要研究内容  15-16
2 椭圆锥齿轮的设计与分析  16-44
  2.1 引言  16
  2.2 椭圆锥齿轮传动的基本原理  16-22
    2.2.1 空间啮合原理  16-19
    2.2.2 范成包络原理  19-22
  2.3 椭圆锥齿轮的参数设计与分析  22-32
    2.3.1 变性分类  22-23
    2.3.2 节曲线方程  23-26
    2.3.3 齿顶及齿根曲线方程  26-28
    2.3.4 模数  28-29
    2.3.5 齿数  29-31
    2.3.6 轮齿设计准则  31
    2.3.7 基本参数  31-32
  2.4 椭圆锥齿轮的校验  32-34
    2.4.1 瞬轴面凸凹性校验  32-33
    2.4.2 根切校验  33-34
    2.4.3 顶切校验  34
  2.5 椭圆锥齿轮的三维参数化模型设计  34-41
    2.5.1 模型的参数设计  35-36
    2.5.2 模型的程序设计  36-38
    2.5.3 运动仿真的干涉检查  38-39
    2.5.4 三维实体模型  39-41
  2.6 椭圆锥齿轮传动的模式设计  41-42
  2.7 本章小结  42-44
3 椭圆锥齿轮的运动学特性分析  44-54
  3.1 引言  44
  3.2 椭圆锥齿轮的传动比变化特性  44-47
    3.2.1 偏心率对传动比的影响关系  44-46
    3.2.2 传动比的周期性  46-47
    3.2.3 阶数比对传动比的影响关系  47
  3.3 椭圆锥齿轮的转角特性  47-49
    3.3.1 偏心率对转角特性的影响关系  47-49
    3.3.2 阶数比对转角特性的影响关系  49
  3.4 椭圆锥齿轮转角加速度的变化规律  49-52
    3.4.1 偏心率对角加速度的影响关系  50-51
    3.4.2 阶数比对角加速度的影响关系  51
    3.4.3 初始输入角速度对角加速度的影响关系  51-52
  3.5 椭圆锥齿轮偏心率的变化关系  52-53
  3.6 本章小结  53-54
4 椭圆锥齿轮的模态分析  54-66
  4.1 引言  54
  4.2 模态分析的原理与步骤  54-56
    4.2.1 模态分析的基本原理  54-55
    4.2.2 模态分析的关键步骤  55-56
  4.3 椭圆锥齿轮零件的模态分析  56-60
    4.3.1 阶数对齿轮零件固有频率的影响  57-59
    4.3.2 偏心率对齿轮零件固有频率的影响  59-60
  4.4 椭圆锥齿轮装配体的模态分析  60-64
    4.4.1 阶数对装配体固有频率的影响  60-63
    4.4.2 偏心率对装配体固有频率的影响  63-64
  4.5 本章小结  64-66
5 椭圆锥齿轮的五轴数控加工及实验研究  66-80
  5.1 引言  66
  5.2 椭圆锥齿轮的五轴数控加工工艺过程  66-72
    5.2.1 五轴数控坐标系变换  69-70
    5.2.2 齿形粗加工  70
    5.2.3 齿槽去残  70-71
    5.2.4 齿形精加工  71-72
  5.3 椭圆锥齿轮的实验研究  72-79
    5.3.1 对滚检查  72-73
    5.3.2 实验目的  73
    5.3.3 实验原理  73-74
    5.3.4 实验仪器及实验台  74-76
    5.3.5 实验方案  76
    5.3.6 实验及其数据处理与分析  76-79
  5.4 本章小结  79-80
6 结论与展望  80-82
  6.1 结论  80
  6.2 展望  80-82
致谢  82-84
参考文献  84-88
附录  88-89
  A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录  88
  B. 作者在攻读学位期间申请的发明专利及获奖目录  88-89
  C. 作者在攻读学位期间参见的科研项目目录  89

椭圆锥齿轮传动的设计分析及实验研究

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