圓弧齒輪研發(fā)現(xiàn)狀

1、鄭州機(jī)械研究所 研究員 劉世軍一、圓弧齒輪嚙合原理二、新齒制和新齒形三、圓弧齒輪輪系四、彎曲和接觸應(yīng)力分析CAE五、圓弧齒輪現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法CAD六、圓弧齒輪先進(jìn)加工技術(shù)七、圓弧齒輪精度及測(cè)量技術(shù)前言 1922年Vickers-Bostock-Bramley提出VBB齒輪，1926年Eruest Wildhaber提出法面圓弧齒輪。之后，前蘇聯(lián)、英國(guó)、美國(guó)、日本、印度和我國(guó)都先后進(jìn)行了圓弧齒輪的研究試驗(yàn)工作。1960年在德國(guó)Essen召開(kāi)的國(guó)際齒輪會(huì)議，以圓弧齒輪為中心議題。在70年代中期以前我國(guó)主要研究應(yīng)用單圓弧齒輪，從60年代中期我國(guó)又開(kāi)始研究雙圓弧齒輪，但進(jìn)入實(shí)際性的研究、試驗(yàn)和應(yīng)用是在19

2、75年以后。在“六五”、“七五”期間，我國(guó)對(duì)高速雙圓 弧齒輪進(jìn)行了大量研究。完成了“高速雙圓弧齒輪降低噪聲的研究”、“提高雙圓弧齒輪在高速重載齒輪傳動(dòng)中承載能力的研究”等課題。1990年代后期，鄭州機(jī)械研究所、太原理工大學(xué)和中信重機(jī)完成了“滲碳硬化雙圓弧齒輪超硬加工技術(shù)研究”課題。鄭州機(jī)械研究所完成了“新型高參數(shù)雙圓弧齒輪箱關(guān)鍵技術(shù)研究”課題。國(guó)內(nèi)學(xué)者就雙圓弧齒輪的嚙合原理、齒形優(yōu)化、雙圓弧齒輪傳動(dòng)優(yōu)化、動(dòng)態(tài)特性及磨齒原理等方面進(jìn)行了研究，都得出很多可喜成果。一、圓弧齒輪嚙合原理 2003年盧賢纘、尚俊開(kāi)出版了圓弧齒輪嚙合原理專(zhuān)著，用齒條成形面在范成運(yùn)動(dòng)中形成點(diǎn)接觸共軛傳動(dòng)，論述了圓弧齒輪傳動(dòng)

3、共軛原理、圓弧齒輪各種加工方法和刀具設(shè)計(jì)理論和圓弧齒輪測(cè)量理論。 1997年，美國(guó)芝加哥伊利諾斯大學(xué)的Faydor L，Litvin and Jian Lu發(fā)表了New Methods for Improved DoubleCircular-Arc Helical Gears (1) The geometry of double circular-arc helical pinion and gear applied in external and internal gear drives (2) New methods for generation of theaforementioned

4、gear drives with a low level of transmission errors (3) Methods of grinding of double circular-arc pinion and gear (4) Computerized simulation of meshing and contact of the previously discussed gear drives 鄧力根據(jù)齒輪嚙合原理，采用雙自由度包絡(luò)法，由雙圓弧齒輪滾刀的齒面方程推導(dǎo) 出齒輪齒面方程。二、新齒制和新齒形常彥偉 段德榮“通用雙圓弧齒輪齒形計(jì)算分析系統(tǒng)”基于圓弧齒輪的形成原理和嚙合原理

5、，建立了適用于各類(lèi)雙圓弧齒輪的齒形和其滾刀齒形的計(jì)算分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)為改善圓弧齒輪對(duì)中心距誤差的敏感性而確立圓弧齒輪的合理齒形提供了一種方法。張靜 王鐵“雙圓弧齒輪齒形參數(shù)的模糊優(yōu)化” 利用三維有限元方法和模糊優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，綜合考慮優(yōu)化模型中設(shè)計(jì)參數(shù)及 約束條件，影響因素的隨機(jī)性和模糊性，建立了雙圓弧齒輪齒形參數(shù)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合實(shí)際算例進(jìn)行了分析。 吳潔 蔡春源“基于跑合性能的雙圓弧齒輪齒形參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)” 通過(guò)對(duì)雙圓弧齒輪達(dá)不到理想跑合狀態(tài)的分析，運(yùn)用了摩擦磨損學(xué)原理，建立了雙圓弧齒輪的跑合數(shù)學(xué)模型，對(duì)其進(jìn)行了接觸有限元優(yōu)化計(jì)算，使其在保證具有等彎曲強(qiáng)度的條件下，獲得了優(yōu)化雙圓弧齒輪的齒

6、形參數(shù)，最后通過(guò)雙圓弧齒輪跑合性能的對(duì)比試驗(yàn)，證明優(yōu)化的齒形參數(shù)具有良好的跑合性能。 賈毅 邵家輝“雙向圓弧齒輪傳動(dòng)概述”提出了一種新型雙重凸凹嚙合圓柱齒輪傳動(dòng)雙向圓弧齒輪傳動(dòng)。在分析目前廣泛應(yīng)用的雙圓弧齒輪傳動(dòng)的不足之處后，闡述了雙向圓弧齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)的基本思想和這種齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。 段德榮 常彥偉“準(zhǔn)端面雙圓弧齒輪及其齒面方程”敘述了準(zhǔn)端面雙圓弧齒輪的形成原理，推導(dǎo)出了這種齒輪的通用齒面方程。通過(guò)端面齒廓圖譜的分析，經(jīng)與目前廣為采用的法面圓弧齒輪以及理想的端面圓齒輪的對(duì)比，指出了準(zhǔn)確面圓弧齒輪在克服 法面圓弧齒輪傳動(dòng)接觸區(qū)位置對(duì)誤差敏感性方面所具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。 劉世軍 陳淵 “ZY-l型硬齒

7、面雙圓弧齒輪齒形設(shè)計(jì)” 給出了中外現(xiàn)有硬齒面雙圓弧齒輪齒形，分析總結(jié)了前人在硬齒面雙圓弧齒輪齒形設(shè)計(jì)方面的工作；在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出針對(duì)齒面硬度大于58HRC，適用于低速重載齒輪傳動(dòng)的刮齒、磨齒雙圓弧齒輪新齒形。 潘華平 錢(qián)瑞明“新型圓弧純滾動(dòng)嚙合齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)” 針對(duì)現(xiàn)有普遍應(yīng)用的共輥曲線(xiàn)齒輪傳動(dòng)由于存在相對(duì)滑動(dòng)而導(dǎo)致的一系列 不良后果，詳細(xì)闡述了一種新型圓弧純滾動(dòng)嚙合齒輪的齒廓實(shí)現(xiàn)方法，并給出了各基本參數(shù)的確定原則，并通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真對(duì)本文理論和方案作了驗(yàn)證。 唐偉“變圓弧齒輪的形成原理及特性” 提出了一類(lèi)變圓弧齒輪。利用偏差函數(shù)法，給出了齒廓的完整構(gòu)造過(guò)程，證明了它滿(mǎn)足齒廓嚙合基本定律；推導(dǎo)

8、了齒廓方程，討論了變圓弧齒輪的特性，給出了變圓弧齒廓的實(shí)例；這種齒輪具有較高的承載能力，特別便于高速、高精度數(shù)控加工。三、圓弧齒輪輪系 NGW 盧賢纘已作出實(shí)物，沒(méi)有相關(guān)報(bào)道。 在國(guó)內(nèi)，辛洪兵等人是較早開(kāi)始研究圓弧齒廓諧波齒輪傳動(dòng)理論的。辛洪兵、何惠陽(yáng)等提出諧波齒輪傳動(dòng)不變嚙合矩陣，用數(shù)值方法證明了諧波齒輪傳動(dòng)采用圓弧齒廓的合理性，為進(jìn)一步研究圓弧齒廓在諧波齒輪傳動(dòng)中的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。辛洪兵計(jì)算出柔輪采用圓弧齒廓時(shí)剛輪與之共軛的理論齒廓，通過(guò)用嚙合圓弧對(duì)其進(jìn)行逼近，得到了嚙合誤差的變化規(guī)律。 曾世強(qiáng)、楊家軍等對(duì)雙圓弧齒形諧波齒輪傳動(dòng)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)特性分析，計(jì)算了雙圓弧諧波齒輪傳動(dòng)的嚙合弧長(zhǎng)與側(cè)

9、隙，從理論上論證了雙圓弧齒形良好的工作性能。 天津職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院承擔(dān)的“圓弧齒2K-V型傳動(dòng)的CAD 開(kāi)發(fā)研究”，實(shí)現(xiàn)了對(duì)圓弧齒2K-V型行星傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)的參數(shù)化CAD 設(shè)計(jì)，并研制出了樣機(jī)。試制和試驗(yàn)表明，這種傳動(dòng)裝置體積小、傳動(dòng)比大，具有高剛性、高承載能力、高傳動(dòng)效率和高傳動(dòng)精度等特點(diǎn)。四、彎曲和接觸應(yīng)力分析CAE 應(yīng)用各種先進(jìn)軟件對(duì)圓弧齒輪進(jìn)行建模，用有限元和邊界元分析接觸應(yīng)力和齒腰齒根彎曲應(yīng)力。 張秀親 李瑞斌 張應(yīng)順“雙圓弧齒輪輪齒彎曲應(yīng)力的研究” 用三維邊界元法對(duì)GB1275991雙圓弧齒輪的輪齒彎曲應(yīng)力進(jìn)行了分析計(jì)算，并在此基礎(chǔ)上得出齒根應(yīng)力與法向載荷之間、齒腰應(yīng)力與法向載荷之

10、間、齒根應(yīng)力與當(dāng)量曲率半徑之間及齒腰應(yīng)力與當(dāng)量曲率半徑之間的關(guān)系曲線(xiàn)研究表明，大螺旋角 或小載荷時(shí)，齒腰應(yīng)力大于齒根應(yīng)力因此，齒腰應(yīng)力也是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需受到重視.李金蓮“雙圓弧齒輪凸、凹齒同時(shí)加載的齒腰彎曲應(yīng)力”根據(jù)任意轉(zhuǎn)角位置的雙圓弧齒輪齒廓數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用Pro/E軟件構(gòu)建了雙圓弧齒輪模型，首先分析比較了僅在凸齒處加載和在凸、凹齒處同時(shí)加載兩種不同加載方式時(shí)的齒腰彎曲應(yīng)力，然后在輪齒的凸、凹齒處同時(shí)加載，對(duì)齒腰處的彎曲應(yīng)力進(jìn)行了有限元分析，得出了雙圓弧齒輪齒腰彎曲應(yīng)力與螺旋角、模數(shù)、齒數(shù)的關(guān)系曲線(xiàn)。 趙寧 謝詠君 郭輝“基于熱彈耦合的雙圓弧齒輪接觸特性研究”為了探討高溫重載條件下雙圓弧齒輪的工

11、作性能、為熱彈耦合作用下雙圓弧齒輪疲勞壽命的預(yù)測(cè)提供分析數(shù)據(jù)，對(duì)熱彈耦合場(chǎng)下的雙圓弧齒輪進(jìn)行接觸特性研究。采用ProE與ANSYS聯(lián)合建模的方式，建立雙圓弧齒輪三維有限元熱彈耦合模型。利用ANSYS間接耦合方法，在瞬態(tài)熱分析求得溫度場(chǎng)的基礎(chǔ)上，在結(jié)構(gòu)分析中定義接觸對(duì)，采用穩(wěn)態(tài)分析方法進(jìn)行接觸分析，求得熱彈耦合作用下的接觸區(qū)域、接觸應(yīng)力和彎曲應(yīng)力。與非耦合場(chǎng)下的分析結(jié)果進(jìn)行了比較。 張華麗 陳淵 劉世軍 “ZY-1型硬齒面雙圓弧齒輪20CrMnMo材料的彎曲疲勞極限應(yīng)力研究” 采用高頻脈動(dòng)試驗(yàn)方法，單齒加載形式進(jìn)行彎曲疲勞試驗(yàn)，結(jié)合ZRCAEV20有限元分析，求出材料為20CrMnMo的ZY-1

12、型滲碳淬火硬齒面雙圓弧齒輪彎曲疲勞極限應(yīng)力的理論值，并將其用于通用減速器系列的承載能力計(jì)算。 陳殿華 商桂芝 “基于邊界積分方程法的圓弧齒輪強(qiáng)度分析” 提出用邊界積分方程法(boundary integral equation method，BIEM)進(jìn)行圓弧齒輪強(qiáng)度分析的設(shè)汁方法。在 研究中依據(jù)彈性理論的柯西型積分，建立適合于各種載荷作用輪齒不同位置的齒輪強(qiáng)度分析數(shù)學(xué)模型。在理論方程式建模中采用間接式邊界積分方程法，以應(yīng)力函數(shù)作為解析對(duì)象，直接求解齒輪應(yīng)力、輪齒剛度變形等。 武寶林 邵家輝“雙圓弧齒輪的接觸疲勞極限與安全系數(shù)” 探討雙圓弧齒輪接觸疲勞極限的計(jì)算方法。在試驗(yàn)基礎(chǔ)上，得到 調(diào)質(zhì)型

13、雙圓弧齒輪的接觸疲勞極限，并推薦了接觸強(qiáng)計(jì)算中最小安全系統(tǒng)的參考值。五、圓弧齒輪現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法CAD 應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，對(duì)圓弧齒輪傳動(dòng)進(jìn)行各種優(yōu)化設(shè)計(jì)。 李建霞 張文信“基于Solid Edge的圓弧齒輪計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)” 用VB60作為工具，開(kāi)發(fā)基于Solid Edge的圓弧齒輪CAD系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了圓弧齒輪設(shè)計(jì)與校核自動(dòng)化以及圓弧齒輪設(shè)計(jì)與繪圖一體化，提高了設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率。 閻樹(shù)田 趙鵬飛 易湘斌“基于遺傳算法的雙圓弧齒輪傳動(dòng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)” 針對(duì) 常規(guī)設(shè)計(jì)中雙圓弧齒輪體積較大的問(wèn)題，在先選定螺旋角的情況下，以圓弧齒輪傳動(dòng)的小齒輪齒數(shù)、法面模數(shù)及齒寬為設(shè)計(jì)變量，以?xún)蓤A弧齒輪的體積之和最小

14、為目標(biāo)函數(shù)，應(yīng)用遺傳算法設(shè)計(jì)理論，建立雙圓弧齒輪傳動(dòng)的遺傳算法優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化結(jié)果表明，應(yīng)用遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的力法對(duì)雙圓弧齒輪傳動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以克服單純用遺傳算法的早熟現(xiàn)象和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生局部收斂的缺點(diǎn)，體乖減少30以上 彭程“基于模糊可靠性理論的雙圓弧齒輪傳動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)” 根據(jù)模糊可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)理論，綜合考慮雙圓孤齒輪傳動(dòng)中各設(shè)計(jì)參數(shù)、約束條件及影響因素的隨機(jī)性和模湖性，建立了雙圓孤齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)中模糊變量與隨機(jī)變量同時(shí)存在時(shí)的以體積最小為目標(biāo)的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。 王莉靜 吳鳳林“主動(dòng)設(shè)計(jì)思想在圓弧齒輪設(shè)計(jì)中的應(yīng)用” 根據(jù)齒輪所要求的機(jī)械特性而進(jìn)行齒面形狀設(shè)計(jì)，

15、使圓弧齒輪齒面的形狀設(shè)計(jì)具有更大的靈活性，并更能適應(yīng)齒輪加工方面的要求六、圓弧齒輪先進(jìn)加工技術(shù) 鄭州機(jī)械研究所和太原理工大學(xué)等單位成功研究出了滲碳硬化雙圓弧齒輪刮削加工的成套制造技術(shù)，應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)加工的硬齒面雙圓弧齒輪，其承載能力與相同規(guī)格的硬齒面漸開(kāi)線(xiàn)齒輪相當(dāng)。硬齒面雙圓弧齒輪刮削精加工工藝的試驗(yàn)成功，結(jié)束了硬齒面雙圓弧齒輪沒(méi)有合適的精加工工藝的歷史，是硬齒面雙圓弧齒輪加工技術(shù)上的一次重大創(chuàng)新。 在圓弧齒輪磨齒方面，學(xué)者作了大量 理論分析。 段德榮“磨前雙圓弧齒輪的齒面余量分布及其基準(zhǔn)齒形設(shè)計(jì)” 通過(guò)對(duì)磨前圓弧齒輪的幾種齒面磨削余量分布方案的對(duì)比，給出了磨前圓弧齒輪基準(zhǔn)齒形的設(shè)計(jì)方案。 韓振

16、南 邵家輝“用成形法磨削圓弧齒輪的砂輪截面廓形的計(jì)算”成彤磨削法精加工齒輪的關(guān)鍵在于修整砂輪的截面形狀。詳抽地推導(dǎo)出加工雙圓弧齒輪的砂輪截面廓形的計(jì)算表達(dá)式 并開(kāi)發(fā)了通用計(jì)算程序。根據(jù)實(shí)例計(jì)算結(jié)果、討論了砂輪直徑及安裝角度對(duì)磨削齒面干涉的影響 張光輝“雙圓弧齒輪的逼近磨削原理” 提出了用指狀砂輪加工雙圓弧齒輪的逼近磨削方法， 闡述了逼近磨削雙圓弧齒輪的原理：要求磨削得到的雙圓弧齒輪齒面最佳逼近滾切加工得到的雙圓弧齒輪齒面（所要求的齒面 ），從而求出最佳調(diào)整參數(shù)。七、圓弧齒輪精度及測(cè)量技術(shù) 近年來(lái)，學(xué)者對(duì)圓弧齒輪的精度和測(cè)量做了一些努力，但這方面仍然不能滿(mǎn)足生產(chǎn)需要。 武寶林 邵家輝“軸線(xiàn)平行度誤差對(duì)雙圓弧齒輪傳動(dòng)誤差的影響分析” 應(yīng)用圓弧齒輪的嚙合原理，研究了雙圓弧齒輪傳動(dòng)的軸線(xiàn)平行度誤差和其傳動(dòng)誤差之間的關(guān)系，據(jù)此分析了不同方向的軸線(xiàn)平行度誤差、螺旋角等對(duì)其傳動(dòng)誤差的影響情況。 武寶林 邵家輝 孟惠榮“雙圓弧齒輪的螺旋角誤差對(duì)其傳動(dòng)誤差的影響分析” 分析研究了螺旋角誤差對(duì)雙圓弧齒輪傳動(dòng)過(guò)程中傳動(dòng)誤差的影響規(guī)律，并且介紹在條件允許時(shí)，增大齒輪螺旋角，有利于減小雙圓弧齒輪傳動(dòng)過(guò)程中的傳動(dòng)誤差，進(jìn)而提高其動(dòng)態(tài)傳動(dòng)性能。 張燕 衛(wèi)國(guó)強(qiáng)“圓弧齒輪齒形誤差測(cè)量技術(shù)的研究及用極坐標(biāo)法測(cè)量圓弧齒輪齒形誤差的探討” 本文結(jié)合現(xiàn)有測(cè)量手段，分析探討了各種測(cè)量圓弧齒輪形誤差的原理，方法，并以極坐標(biāo)