圆弧齿轮研发现状

圆弧齿轮研发现状郑州机械研究所研究员

刘世军一、圆弧齿轮啮合原理二、新齿制和新齿形三、圆弧齿轮轮系四、弯曲和接触应力分析CAE五、圆弧齿轮现代设计方法CAD六、圆弧齿轮先进加工技术七、圆弧齿轮精度及测量技术前言1922年Vickers-Bostock-Bramley提出VBB齿轮，1926年EruestWildhaber提出法面圆弧齿轮。之后，前苏联、英国、美国、日本、印度和我国都先后进行了圆弧齿轮的研究试验工作。1960年在德国Essen召开的国际齿轮会议，以圆弧齿轮为中心议题。在70年代中期以前我国主要研究应用单圆弧齿轮，从60年代中期我国又开始研究双圆弧齿轮，但进入实际性的研究、试验和应用是在1975年以后。在“六五”、“七五”期间，我国对高速双圆弧齿轮进行了大量研究。完成了“高速双圆弧齿轮降低噪声的研究”、“提高双圆弧齿轮在高速重载齿轮传动中承载能力的研究”等课题。1990年代后期，郑州机械研究所、太原理工大学和中信重机完成了“渗碳硬化双圆弧齿轮超硬加工技术研究”课题。郑州机械研究所完成了“新型高参数双圆弧齿轮箱关键技术研究”课题。国内学者就双圆弧齿轮的啮合原理、齿形优化、双圆弧齿轮传动优化、动态特性及磨齿原理等方面进行了研究，都得出很多可喜成果。一、圆弧齿轮啮合原理

2003年卢贤缵、尚俊开出版了《圆弧齿轮啮合原理》专著，用齿条成形面在范成运动中形成点接触共轭传动，论述了圆弧齿轮传动共轭原理、圆弧齿轮各种加工方法和刀具设计理论和圆弧齿轮测量理论。1997年，美国芝加哥伊利诺斯大学的FaydorL，LitvinandJianLu发表了NewMethodsforImprovedDoubleCircular-ArcHelicalGears(1)Thegeometryofdoublecircular-archelicalpinionandgearappliedinexternalandinternalgeardrives(2)Newmethodsforgenerationoftheaforementionedgeardriveswithalowleveloftransmissionerrors(3)Methodsofgrindingofdoublecircular-arcpinionandgear(4)Computerizedsimulationofmeshingandcontactofthepreviouslydiscussedgeardrives邓力根据齿轮啮合原理，采用双自由度包络法，由双圆弧齿轮滚刀的齿面方程推导出齿轮齿面方程。二、新齿制和新齿形常彦伟段德荣“通用双圆弧齿轮齿形计算分析系统”基于圆弧齿轮的形成原理和啮合原理，建立了适用于各类双圆弧齿轮的齿形和其滚刀齿形的计算分析系统，该系统为改善圆弧齿轮对中心距误差的敏感性而确立圆弧齿轮的合理齿形提供了一种方法。张静王铁“双圆弧齿轮齿形参数的模糊优化”利用三维有限元方法和模糊优化设计方法，综合考虑优化模型中设计参数及约束条件，影响因素的随机性和模糊性，建立了双圆弧齿轮齿形参数优化的数学模型，并结合实际算例进行了分析。吴洁蔡春源“基于跑合性能的双圆弧齿轮齿形参数优化设计”通过对双圆弧齿轮达不到理想跑合状态的分析，运用了摩擦磨损学原理，建立了双圆弧齿轮的跑合数学模型，对其进行了接触有限元优化计算，使其在保证具有等弯曲强度的条件下，获得了优化双圆弧齿轮的齿形参数，最后通过双圆弧齿轮跑合性能的对比试验，证明优化的齿形参数具有良好的跑合性能。贾毅邵家辉“双向圆弧齿轮传动概述”提出了一种新型双重凸凹啮合圆柱齿轮传动－双向圆弧齿轮传动。在分析目前广泛应用的双圆弧齿轮传动的不足之处后，阐述了双向圆弧齿轮传动设计的基本思想和这种齿轮传动的优点。段德荣常彦伟“准端面双圆弧齿轮及其齿面方程”叙述了准端面双圆弧齿轮的形成原理，推导出了这种齿轮的通用齿面方程。通过端面齿廓图谱的分析，经与目前广为采用的法面圆弧齿轮以及理想的端面圆齿轮的对比，指出了准确面圆弧齿轮在克服法面圆弧齿轮传动接触区位置对误差敏感性方面所具有的独特优点。刘世军陈渊“ZY-l型硬齿面双圆弧齿轮齿形设计”给出了中外现有硬齿面双圆弧齿轮齿形，分析总结了前人在硬齿面双圆弧齿轮齿形设计方面的工作；在此基础上，设计出针对齿面硬度大于58HRC，适用于低速重载齿轮传动的刮齿、磨齿双圆弧齿轮新齿形。潘华平钱瑞明“新型圆弧纯滚动啮合齿轮传动的设计”针对现有普遍应用的共辊曲线齿轮传动由于存在相对滑动而导致的一系列不良后果，详详细阐述了一一种新型圆弧弧纯滚动啮合合齿轮的齿廓廓实现方法，，并给出了各各基本参数的的确定原则，，并通过计算算机仿真对本本文理论和方方案作了验证证。唐伟“变圆弧弧齿轮的形成成原理及特性性”提出了一类变变圆弧齿轮。。利用偏差函函数法，给出出了齿廓的完完整构造过程程，证明了它它满足齿廓啮啮合基本定律律；推导了齿齿廓方程，讨讨论了变圆弧弧齿轮的特性性，给出了变变圆弧齿廓的的实例；这种种齿轮具有较较高的承载能能力，特别便便于高速、高高精度数控加加工。三、圆弧齿轮轮轮系NGW卢贤缵已作出出实物，没有有相关报道。。在国内，辛洪洪兵等人是较较早开始研究究圆弧齿廓谐谐波齿轮传动动理论的。辛辛洪兵、何惠惠阳等提出谐谐波齿轮传动动不变啮合矩矩阵，用数值值方法证明了了谐波齿轮传传动采用圆弧弧齿廓的合理理性，为进一一步研究圆弧弧齿廓在谐波波齿轮传动中中的应用奠定定了理论基础础。辛洪兵计计算出柔轮采采用圆弧齿廓廓时刚轮与之之共轭的理论论齿廓，通过过用啮合圆弧弧对其进行逼逼近，得到了了啮合误差的的变化规律。。曾世强、杨家家军等对双圆圆弧齿形谐波波齿轮传动进进行了运动特特性分析，计计算了双圆弧弧谐波齿轮传传动的啮合弧弧长与侧隙，，从理论上论论证了双圆弧弧齿形良好的的工作性能。。天津职业技技术师范学学院承担的的“圆弧齿齿2K-V型传动的CAD开发研究””，实现了了对圆弧齿齿2K-V型行星传动动装置结构构的参数化化CAD设计，并研研制出了样样机。试制制和试验表表明，这种种传动装置置体积小、、传动比大大，具有高高刚性、高高承载能力力、高传动动效率和高高传动精度度等特点。。四、弯曲和和接触应力力分析CAE应用各种先先进软件对对圆弧齿轮轮进行建模模，用有限限元和边界界元分析接接触应力和和齿腰齿根根弯曲应力力。张秀亲李李瑞斌张张应顺“双双圆弧齿轮轮轮齿弯曲曲应力的研研究”用用三维边界界元法对GB12759—91双圆弧齿轮轮的轮齿弯弯曲应力进进行了分析析计算，并并在此基础础上得出齿齿根应力与与法向载荷荷之间、齿齿腰应力与与法向载荷荷之间、齿齿根应力与与当量曲率率半径之间间及齿腰应应力与当量量曲率半径径之间的关关系曲线．．研究表明明，大螺旋旋角或小载荷时时，齿腰应应力大于齿齿根应力．．因此，齿齿腰应力也也是关键环环节，需受受到重视.李金莲“双双圆弧齿轮轮凸、凹齿齿同时加载载的齿腰弯弯曲应力””根据任意意转角位置置的双圆弧弧齿轮齿廓廓数学模型型，运用Pro/E软件构建了了双圆弧齿齿轮模型，，首先分析析比较了仅仅在凸齿处处加载和在在凸、凹齿齿处同时加加载两种不不同加载方方式时的齿齿腰弯曲应应力，然后后在轮齿的的凸、凹齿齿处同时加加载，对齿齿腰处的弯弯曲应力进进行了有限限元分析，，得出了双双圆弧齿轮轮齿腰弯曲曲应力与螺螺旋角、模模数、齿数数的关系曲曲线。赵宁谢咏咏君郭辉辉“基于热热弹耦合的的双圆弧齿齿轮接触特特性研究””为了探讨讨高温重载载条件下双双圆弧齿轮轮的工作性性能、为热热弹耦合作作用下双圆圆弧齿轮疲疲劳寿命的的预测提供供分析数据据，对热弹弹耦合场下下的双圆弧弧齿轮进行行接触特性性研究。采采用Pro／E与ANSYS联合建模的方方式，建立双双圆弧齿轮三三维有限元热热弹耦合模型型。利用ANSYS间接耦合方法法，在瞬态热热分析求得温温度场的基础础上，在结构构分析中定义义接触对，采采用稳态分析析方法进行接接触分析，求求得热弹耦合合作用下的接接触区域、接接触应力和弯弯曲应力。与与非耦合场下下的分析结果果进行了比较较。张华丽陈渊渊刘世军““ZY-1型硬齿面双圆圆弧齿轮20CrMnMo材料的弯曲疲疲劳极限应力力研究”采采用高频脉动动试验方法，，单齿加载形形式进行弯曲曲疲劳试验，，结合ZRCAEV2．0有限元分析，，求出材料为为20CrMnMo的ZY-1型渗碳淬火硬硬齿面双圆弧弧齿轮弯曲疲疲劳极限应力力的理论值，，并将其用于于通用减速器器系列的承载载能力计算。。陈殿华商桂桂芝“基于于边界积分方方程法的圆弧弧齿轮强度分分析”提出出用边界积分分方程法(boundaryintegralequationmethod，BIEM)进行圆弧齿轮轮强度分析的的设汁方法。。在研究中依据弹弹性理论的柯柯西型积分，，建立适合于于各种载荷作作用轮齿不同同位置的齿轮轮强度分析数数学模型。在在理论方程式式建模中采用用间接式边界界积分方程法法，以应力函函数作为解析析对象，直接接求解齿轮应应力、轮齿刚刚度变形等。。武宝林邵家家辉“双圆弧弧齿轮的接触触疲劳极限与与安全系数””探讨双圆圆弧齿轮接触触疲劳极限的的计算方法。。在试验基础础上，得到调调质ＧＢＢ１２７５９９－９１型双双圆弧齿轮的的接触疲劳极极限σＨＬｉｍ，并并推荐了接触触强计算中最最小安全系统统的参考值。。五、圆弧齿轮轮现代设计方方法CAD应用现代设计计方法，对圆圆弧齿轮传动动进行各种优优化设计。李建霞张文文信“基于SolidEdge的圆弧齿轮计计算机辅助设设计系统”用用VB6．0作为工具，开开发基于SolidEdge的圆弧齿轮CAD系统，实现了了圆弧齿轮设设计与校核自自动化以及圆圆弧齿轮设计计与绘图一体体化，提高了了设计的质量量和效率。阎树田赵鹏鹏飞易湘斌斌“基于遗传传算法的双圆圆弧齿轮传动动的神经网络络优化设计””针对常规设计中双双圆弧齿轮体体积较大的问问题，在先选选定螺旋角的的情况下，以以圆弧齿轮传传动的小齿轮轮齿数、法面面模数及齿宽宽为设计变量量，以两圆弧弧齿轮的体积积之和最小为为目标函数，，应用遗传算算法设计理论论，建立双圆圆弧齿轮传动动的遗传算法法优化设计的的数学模型，，采用神经网网络对其进行行优化．结果果表明，应用用遗传算法和和神经网络相相结合的力法法对双圆弧齿齿轮传动进行行优化设计，，可以克服单单纯用遗传算算法的早熟现现象和神经网网络发生局部部收敛的缺点点，体乖减少少30％以上．彭程“基于模模糊可靠性理理论的双圆弧弧齿轮传动优优化设计”根根据模糊可可靠性优化设设计理论，综综合考虑双圆圆孤齿轮传动动中各设计参参数、约束条条件及影响因因素的随机性性和模湖性，，建立了双圆圆孤齿轮传动动设计中模糊糊变量与随机机变量同时存存在时的以体体积最小为目目标的优化数数学模型。王莉静吴凤凤林“主动设设计思想在圆圆弧齿轮设计计中的应用””根据齿轮轮所要求的机机械特性而进进行齿面形状状设计，使圆圆弧齿轮齿面面的形状设计计具有更大的的灵活性，并并更能适应齿齿轮加工方面面的要求六、圆弧齿轮轮先进加工技技术郑州机械研究究所和太原理理工大学等单单位成功研究究出了渗碳硬硬化双圆弧齿齿轮刮削加工工的成套制造造技术，应用用这项技术加加工的硬齿面面双圆弧齿轮轮，其承载能能力与相同规规格的硬齿面面渐开线齿轮轮相当。硬齿齿面双圆弧齿齿轮刮削精加加工工艺的试试验成功，结结束了硬齿面面双圆弧齿轮轮没有合适的的精加工工艺艺的历史，是是硬齿面双圆圆弧齿轮加工工技术上的一一次重大创新新。在圆弧齿轮磨磨齿方面，学学者作了大量量理论分析。段德荣“磨前前双圆弧齿轮轮的齿面余量量分布及其基基准齿形设计计”通过对对磨前圆弧齿齿轮的几种齿齿面磨削余量量分布方案的的对比，给出出了磨前圆弧弧齿轮基准齿齿形的设计方方案。韩振南南邵邵家辉辉“用用成形形法磨磨削圆圆弧齿齿轮的的砂轮轮截面面廓形形的计计算””成彤彤磨削削法精精加工工齿轮轮的关关键在在于修修整砂砂轮的的截面面形状状。详详抽地地推导导出加加工双双圆弧弧齿轮轮的砂砂轮截截面廓廓形的的计算算表达达式并并开开发了了通用用计算算程序序。根根据实实例计计算结结果、、讨论论了砂砂轮直直径及及安装装角度度对磨磨削齿齿面干干涉的的影响响．张光辉辉“双双圆弧弧齿轮轮的逼逼近磨磨削原原理””提提出了了用指指状砂砂轮加加工双双圆弧弧齿轮轮的逼逼近磨磨削方方法，，阐阐述了了逼近近磨削削双圆圆弧齿齿轮的的原理理：要要求磨磨削得得到的的双圆圆弧齿齿轮齿齿面最最佳逼逼近滚滚切加加工得得到的的双圆圆弧齿齿轮齿齿面（（所要要求的的齿面面）），从从而求求出最最佳调调整参参数。。七、圆圆弧齿齿轮精精度及及测量量技术术近年来来，学学者对对圆弧弧齿轮轮的精精度和和测量量做了了一些些努力力，但但这方方面仍仍然不不能满满足生生产需需要。。武宝林林邵邵家辉辉“轴轴线平平行度度误差差对双双圆弧弧齿轮轮传动动误差差的影影响分分析””应应用圆圆弧齿齿轮的的啮合合原理理，研研究了了双圆圆弧齿齿轮传传动的的轴线线平行行度误误差和和其传传动误误差之之间的的关系系，据据此分分析了了不同同方向向的轴轴线平平行度度误差差、螺螺旋角角等对对其传传动误误差的的影响响情况况。武宝林林邵邵家辉辉孟孟惠荣荣“双双圆弧弧齿轮轮的螺螺旋角角误差差对其其传动动误差差的影影响分分析””分分析研研究了了螺旋旋角误误差对对双圆圆弧齿齿轮传传动过过程中中传动动误差差的影影响规规律，，并且且介绍绍在条条件允允许时时，增增大齿齿轮螺螺旋角角，有有利于于减小小双圆圆弧齿齿轮传传动过过程中中的传传动误误差，，进而而提高高其动动态传传动性性能。。张燕卫卫国国强““圆弧弧齿轮轮齿形形误差差测量量技术术的研研究及及用极极坐标标法测测量圆圆弧齿齿轮齿齿形误误差的的探讨讨”本文文结结合合现现有有测测量量手手段段，，分分析析探探讨讨了了各各种种测测量量圆圆弧弧齿齿轮轮形形误误差差的的原原理理，，方方法法，，并并以以极极坐坐标标测测量量圆圆弧弧齿齿轮轮齿齿形形误误差差为为例例以以详详