《第五講TCA分析》PPT課件.ppt

1、第五講 輪齒接觸分析TCA及其他,河南科技大學(xué)齒輪研究所 魏冰陽(yáng) 2005.11,內(nèi)容簡(jiǎn)介,TCA的原理與過程 傳動(dòng)誤差 傳動(dòng)誤差反映的嚙合信息 基于傳動(dòng)誤差的加工參數(shù)設(shè)計(jì) 接觸路徑與齒面重合度的關(guān)系 基于高階傳動(dòng)誤差修形齒面與研齒 研齒的對(duì)齒輪副嚙合性能的影響 高齒制設(shè)計(jì) 受力分析,一.TCA的原理與過程,TCA(Tooth Contact Analysis)的原理其實(shí)非常簡(jiǎn)單。在齒輪嚙合過程中，兩齒面連續(xù)相切接觸。因此，在固定坐標(biāo)系中，任一時(shí)刻兩齒面都有公共接觸點(diǎn)，且公共接觸點(diǎn)處都有公法線。即有如下的稱之為TCA基本方程組的兩個(gè)方程成立,式中有五個(gè)獨(dú)立的標(biāo)量方程,六個(gè)未知量 給定小輪轉(zhuǎn)角j

2、1可解出其它未知量,確定一個(gè)齒面接觸點(diǎn) 以一定的步長(zhǎng)改變的j1值，繼續(xù)求解，直至求出的接觸點(diǎn)到達(dá)齒面邊界 以上求得的齒面瞬時(shí)接觸點(diǎn)即構(gòu)成了齒面接觸路徑,同時(shí)可計(jì)算出大輪的轉(zhuǎn)角誤差，繪出傳動(dòng)的誤差曲線 當(dāng)給定齒面的齒面的涂色層厚度0.00635mm，在每個(gè)接觸點(diǎn)處又可求出瞬時(shí)接觸橢圓的大小和方位，這一系列的接觸橢圓即構(gòu)成了齒面接觸印痕,圖8.1 TCA的效果圖,TCA分析獲得的信息： 接觸路徑的傾斜方向， 接觸橢圓長(zhǎng)軸的長(zhǎng)度與方向 接觸橢圓構(gòu)成的接觸印痕大小形狀 傳動(dòng)誤差曲線的形狀與幅值等 齒面重合度,二.傳動(dòng)誤差的定義,當(dāng)小輪轉(zhuǎn)過某一角度時(shí)，大輪轉(zhuǎn)過角度與理想位置角度之差。單位通常為秒（s）

3、用公式表示為,理想的齒輪副傳動(dòng)是共軛的，即小輪與大輪按固定傳動(dòng)比（N1/N2）連續(xù)平穩(wěn)傳動(dòng)。此時(shí)沒有傳動(dòng)誤差 由于安裝誤差、承載變形等，齒輪副通常不能按此規(guī)律傳動(dòng)，出現(xiàn)了傳動(dòng)誤差。 共軛齒輪副變形后載荷將集中在齒頂或某一端，傳動(dòng)也將不連續(xù)，并出現(xiàn)嚴(yán)重的沖擊。 完全共軛的齒輪副沒有任何可調(diào)性，制造和安裝誤差、承載變形都會(huì)造成負(fù)荷集中而使輪齒破壞。,弧齒準(zhǔn)雙曲面齒輪的準(zhǔn)共軛特性，除參考點(diǎn)之外，其余嚙合位置都存在失配量,形成了傳動(dòng)誤差 弧齒準(zhǔn)雙曲面齒輪的安裝誤差與承載變形也會(huì)產(chǎn)生附加的傳動(dòng)誤差，即承載傳動(dòng)誤差。承載傳動(dòng)誤差通常依靠承載接觸分析LTCA(Loaded Tooth Contact Ana

4、lysis )得到。,三. 傳動(dòng)誤差反映的嚙合信息,動(dòng)態(tài)性能承載下的傳動(dòng)誤差曲線波動(dòng)程度可反映出齒輪幅的動(dòng)態(tài)性能，波動(dòng)幅值愈大，振動(dòng)愈大，噪音愈大；波動(dòng)幅值愈小，傳動(dòng)愈平穩(wěn)。,承載傳動(dòng)誤差的波動(dòng)幅值與幾何傳動(dòng)誤差有關(guān)，當(dāng)其設(shè)計(jì)幅值（a點(diǎn)和d點(diǎn)幅值）較大時(shí)，輕載傳動(dòng)誤差波動(dòng)大，而重載時(shí)變形補(bǔ)償作用使波動(dòng)減小；反之，當(dāng)設(shè)計(jì)幅值較小時(shí)，輕載傳動(dòng)誤差波動(dòng)小，重載時(shí)易出現(xiàn)邊緣接觸使振動(dòng)噪音加大,1.載荷分配,由于df2(I) df2(II)，因此第一對(duì)齒先接觸，若載荷足夠大，使第一對(duì)齒的變形補(bǔ)償了第二對(duì)齒間隙，則第二對(duì)也開始接觸。 載荷在兩對(duì)齒間的分配既取決于齒對(duì)剛度（變形），也取決于初始間距（df2(

5、I)- df2(II)）。,設(shè)計(jì)重合度=|dd|/T , T=|aa|=3600/Z1 實(shí)際重合度=|cc|/T,三種載荷下的實(shí)際重合度分別為1.0、1.5和1.85 承載傳動(dòng)誤差曲線與幾何傳動(dòng)誤差曲線的交點(diǎn)(a,a和c,c)的相應(yīng)位置還反映了對(duì)應(yīng)載荷下的嚙入點(diǎn)和嚙出點(diǎn),2.邊緣接觸,幾何傳動(dòng)誤差曲線不交叉，輪齒出現(xiàn)邊緣接觸 當(dāng)承載傳動(dòng)誤差曲線超出幾何傳動(dòng)誤差曲線下端時(shí)，輪齒出現(xiàn)邊緣接觸,3.齒面接觸特性,當(dāng)幾何傳動(dòng)誤差曲線下凹或呈S形時(shí)，齒面產(chǎn)生橋式接觸，伴隨嚴(yán)重的振動(dòng)。 理想的幾何傳動(dòng)誤差曲線應(yīng)向下彎曲、齒對(duì)間（交叉）連續(xù)且兩下端盡量對(duì)稱，呈拋物線形狀，此時(shí)產(chǎn)生邊緣接觸的可能性相對(duì)較小。

6、幾何傳動(dòng)誤差曲線的幅值和陡峭度反映了接觸印痕在接觸路徑方向上相對(duì)于制造安裝誤差的敏感性，幅值愈大愈陡峭對(duì)誤差的敏感性愈弱,四.基于傳動(dòng)誤差的加工參數(shù)計(jì)算,1.考慮對(duì)安裝誤差的敏感性。,2.根據(jù)承載量設(shè)計(jì)傳動(dòng)誤差的幅值 常載下不出現(xiàn)邊緣接觸，波動(dòng)小,考慮安裝誤差的大小。 要考慮到齒輪的承載量。 避免邊緣接觸。 使承載傳動(dòng)誤差的波動(dòng)盡可能小。 傳動(dòng)誤差曲線交叉，交叉點(diǎn)誤差幅值不超過24弧秒，總的傳動(dòng)誤差不超過60弧秒。,3.基于傳動(dòng)誤差的加工參數(shù)設(shè)計(jì),基于傳動(dòng)誤差的設(shè)計(jì)流程,4.接觸路徑與重合度的關(guān)系,5.拋物線傳動(dòng)誤差的缺陷,五.高階傳動(dòng)誤差修形與研齒,五.高階傳動(dòng)誤差修形與研齒,五.高階傳動(dòng)誤

7、差修形與研齒,圖2.4 研磨前后傳動(dòng)誤差對(duì)比,五.高階傳動(dòng)誤差修形與研齒,六.研齒對(duì)齒面印痕的影響,研齒對(duì)熱處理后輪齒變形引起的接觸印痕不良或微細(xì)變化具有一定修正作用：一個(gè)是能對(duì)接觸印痕偏移進(jìn)行一定的矯正，另一個(gè)是能對(duì)形狀不規(guī)則印痕進(jìn)行一定的修正。,六.研齒對(duì)輪齒精度的影響,六.研齒對(duì)輪齒精度的影響,六.研齒對(duì)輪齒精度的影響,六.研齒對(duì)輪齒精度的影響,適度的研齒能減小齒形與齒距誤差，而小輪效果要比大輪好得多，這可能是因?yàn)樾≥喲h(huán)次數(shù)要比大輪多，齒面的研磨、誤差的均化機(jī)會(huì)也要比大輪多得多的緣故。更重要的是研齒對(duì)輪齒嚙合精度改進(jìn)明顯，而不依賴于齒形精度。,七. 研齒對(duì)嚙合噪聲的影響,八.研齒對(duì)嚙合

8、振動(dòng)的影響,九.研齒總結(jié),1）研齒能一定程度上消除齒形誤差，改善輪齒接觸區(qū)位置與形狀，使熱處理后變形的接觸區(qū)一定程度上恢復(fù)原設(shè)計(jì)形貌。 2）適當(dāng)而均勻的研磨能提高輪齒的齒形精度，降低齒距誤差；但不適當(dāng)?shù)难旋X可能使輪齒齒形精度惡化。但是研齒能明顯提高輪齒的實(shí)際嚙合精度，而不依賴于齒形精度，這對(duì)改進(jìn)齒輪副接觸與動(dòng)態(tài)性能十分有利。 3）研齒對(duì)齒輪副動(dòng)態(tài)性能改善明顯，振動(dòng)噪聲在轉(zhuǎn)速、載荷較寬的范圍內(nèi)都有下降。這些結(jié)果均得益于研齒過程的修形作用，齒形誤差與齒距誤差得到均化、減弱，輪齒實(shí)際嚙合精度提高的緣故。,九.研齒總結(jié),4）大小輪相互驅(qū)動(dòng)研齒與變化嚙入位置，以期研齒過程中輪齒誤差均化的機(jī)會(huì)更加均等。

9、5) 研齒盡量多研兩端，尤其是大端。 6）定傳動(dòng)比強(qiáng)制嚙合傳動(dòng)研齒，以期更有效地減小齒距誤差。 7）通過數(shù)控技術(shù)提高研齒機(jī)坐標(biāo)控制精度，擴(kuò)大研磨范圍，以期使齒面研磨更加精確與均勻。,十. 高齒制準(zhǔn)雙曲面齒輪設(shè)計(jì),1.增大重合度的途徑 準(zhǔn)雙曲面齒輪的總重合度計(jì)算公式是 因此，可分別用增大 和增大 來(lái)達(dá)到增大重合度的目的。 增加端面重合度的方法有兩種： (l)增加工作齒高， (2)采用非零變位。,十. 高齒制準(zhǔn)雙曲面齒輪設(shè)計(jì),十. 高齒制準(zhǔn)雙曲面齒輪設(shè)計(jì),高齒制設(shè)計(jì)實(shí)例,某旅行車后橋主傳動(dòng)準(zhǔn)雙曲面齒輪副的基本參數(shù)如下：齒數(shù)9/41,大輪齒面寬33 mm, 偏置距30 mm, 大輪節(jié)圓直徑202mm

10、, 刀盤半徑95.25 mm,小輪中點(diǎn)螺旋角50。優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果可以看出采用高齒制設(shè)計(jì)對(duì)增大準(zhǔn)雙曲面齒輪的端面重合度有顯著效果。,高齒制設(shè)計(jì)實(shí)例,高齒制設(shè)計(jì)實(shí)例,新齒制雙曲面齒輪對(duì)比實(shí)驗(yàn)報(bào)告,切齒實(shí)驗(yàn):采用的機(jī)床為Gleason No.116準(zhǔn)雙曲面齒輪銑齒機(jī)，加工方法為HFT法。滾檢設(shè)備為國(guó)產(chǎn)Y9550型錐齒輪滾動(dòng)檢查機(jī)。 切齒實(shí)驗(yàn)以某微型車后橋的一對(duì)主傳動(dòng)準(zhǔn)雙曲面齒輪副為對(duì)象，設(shè)計(jì)加工兩對(duì)不同的準(zhǔn)雙曲面齒輪副：高齒準(zhǔn)雙曲面齒輪的全齒高比普通準(zhǔn)雙曲面齒輪高出1毫米。,高齒準(zhǔn)雙曲面齒輪工作齒面及非工作齒面接觸區(qū),普通準(zhǔn)雙曲面齒輪工作齒面及非工作齒面接觸區(qū),振動(dòng)和噪聲實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)臺(tái)架示意圖,振動(dòng)和

11、噪聲實(shí)驗(yàn),小輪轉(zhuǎn)速為1580r/min、2100r/min、2520r/min、2950r/min，空載、輕載和重載情況下，記錄大輪振動(dòng)信號(hào)、小輪振動(dòng)信號(hào)和噪聲信號(hào)的平均幅值譜。并對(duì)其嚙合倍頻上的幅值譜進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)處理。 實(shí)驗(yàn)箱1米內(nèi)的噪聲（db） 環(huán)境噪聲：52db,十一.受力分析,m為齒寬中點(diǎn)分度圓上的螺旋角（右旋）。 Fn為作用在齒上的總法向力，它可分解為互相垂直的X、Y和Z三個(gè)方向的力，Z方向的力為作用在齒寬中點(diǎn)分度圓上的圓周力 F mt。Y方向的力為徑向力Fr，而X方向上的力為軸向力Fa。,圓周力 F mt，可根據(jù)工作轉(zhuǎn)矩T和平均直徑dm求得。此處為主動(dòng)輪，旋轉(zhuǎn)方向與齒上作用力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩方向相反，Y方向的力為徑向力Fr，它是Fx和Fr在Y方向的分力的矢量和。而X方向上的力為軸向力Fa，它是Fx和Fr在X方向的分力的矢量和。,十一. 受力分析,參看圖中的情況，當(dāng)一逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的有右旋錐齒輪與相