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，详细阐述了一种新型圆弧纯滚动啮合齿轮的齿廓实现方法，并给出了各基本参数的确定原则，并通过计算机仿真对本文理论和方案作了验证。•唐伟“变圆弧齿轮的形成原理及特性”提出了一类变圆弧齿轮。利用偏差函数法，给出了齿廓的完整构造过程，证明了它满足齿廓啮合基本定律；推导了齿廓方程，讨论了变圆弧齿轮的特性，给出了变圆弧齿廓的实例；这种齿轮具有较高的承载能力，特别便于高速、高精度数控加工。三、圆弧齿轮轮系•NGW卢贤缵已作出实物，没有相关报道。•在国内，辛洪兵等人是较早开始研究圆弧齿廓谐波齿轮传动理论的。辛洪兵、何惠阳等提出谐波齿轮传动不变啮合矩阵，用数值方法证明了谐波齿轮传动采用圆弧齿廓的合理性，为进一步研究圆弧齿廓在谐波齿轮传动中的应用奠定了理论基础。辛洪兵计算出柔轮采用圆弧齿廓时刚轮与之共轭的理论齿廓，通过用啮合圆弧对其进行逼近，得到了啮合误差的变化规律。曾世强、杨家军等对双圆弧齿形谐波齿轮传动进行了运动特性分析，计算了双圆弧谐波齿轮传动的啮合弧长与侧隙，从理论上论证了双圆弧齿形良好的工作性能。•天津职业技术师范学院承担的“圆弧齿2K-V型传动的CAD开发研究”，实现了对圆弧齿2K-V型行星传动装置结构的参数化CAD设计，并研制出了样机。试制和试验表明，这种传动装置体积小、传动比大，具有高刚性、高承载能力、高传动效率和高传动精度等特点。四、弯曲和接触应力分析CAE应用各种先进软件对圆弧齿轮进行建模，用有限元和边界元分析接触应力和齿腰齿根弯曲应力。•张秀亲李瑞斌张应顺“双圆弧齿轮轮齿弯曲应力的研究”用三维边界元法对GB12759—91双圆弧齿轮的轮齿弯曲应力进行了分析计算，并在此基础上得出齿根应力与法向载荷之间、齿腰应力与法向载荷之间、齿根应力与当量曲率半径之间及齿腰应力与当量曲率半径之间的关系曲线．研究表明，大螺旋角或小载荷时，齿腰应力大于齿根应力．因此，齿腰应力也是关键环节，需受到重视.李金莲“双圆弧齿轮凸、凹齿同时加载的齿腰弯曲应力”根据任意转角位置的双圆弧齿轮齿廓数学模型，运用Pro/E软件构建了双圆弧齿轮模型，首先分析比较了仅在凸齿处加载和在凸、凹齿处同时加载两种不同加载方式时的齿腰弯曲应力，然后在轮齿的凸、凹齿处同时加载，对齿腰处的弯曲应力进行了有限元分析，得出了双圆弧齿轮齿腰弯曲应力与螺旋角、模数、齿数的关系曲线。•赵宁谢咏君郭辉“基于热弹耦合的双圆弧齿轮接触特性研究”为了探讨高温重载条件下双圆弧齿轮的工作性能、为热弹耦合作用下双圆弧齿轮疲劳寿命的预测提供分析数据，对热弹耦合场下的双圆弧齿轮进行接触特性研究。采用Pro／E与ANSYS联合建模的方式，建立双圆弧齿轮三维有限元热弹耦合模型。利用ANSYS间接耦合方法，在瞬态热分析求得温度场的基础上，在结构分析中定义接触对，采用稳态分析方法进行接触分析，求得热弹耦合作用下的接触区域、接触应力和弯曲应力。与非耦合场下的分析结果进行了比较。•张华丽陈渊刘世军“ZY-1型硬齿面双圆弧齿轮20CrMnMo材料的弯曲疲劳极限应力研究”采用高频脉动试验方法，单齿加载形式进行弯曲疲劳试验，结合ZRCAEV2．0有限元分析，求出材料为20CrMnMo的ZY-1型渗碳淬火硬齿面双圆弧齿轮弯曲疲劳极限应力的理论值，并将其用于通用减速器系列的承载能力计算。•陈殿华商桂芝“基于边界积分方程法的圆弧齿轮强度分析”提出用边界积分方程法(boundaryintegralequationmethod，BIEM)进行圆弧齿轮强度分析的设汁方法。在研究中依据弹性理论的柯西型积分，建立适合于各种载荷作用轮齿不同位置的齿轮强度分析数学模型。在理论方程式建模中采用间接式边界积分方程法，以应力函数作为解析对象，直接求解齿轮应力、轮齿刚度变形等。•武宝林邵家辉“双圆弧齿轮的接触疲劳极限与安全系数”探讨双圆弧齿轮接触疲劳极限的计算方法。在试验基础上，得到调质ＧＢ１２７５９－９１型双圆弧齿轮的接触疲劳极限σＨＬｉｍ，并推荐了接触强计算中最小安全系统的参考值。五、圆弧齿轮现代设计方法CAD应用现代设计方法，对圆弧齿轮传动进行各种优化设计。•李建霞张文信“基于SolidEdge的圆弧齿轮计算机辅助设计系统”用VB6．0作为工具，开发基于SolidEdge的圆弧齿轮CAD系统，实现了圆弧齿轮设计与校核自动化以及圆弧齿轮设计与绘图一体化，提高了设计的质量和效率。•阎树田赵鹏飞易湘斌“基于遗传算法的双圆弧齿轮传动的神经网络优化设计”针对常规设计中双圆弧齿轮体积较大的问题，在先选定螺旋角的情况下，以圆弧齿轮传动的小齿轮齿数、法面模数及齿宽为设计变量，以两圆弧齿轮的体积之和最小为目标函数，应用遗传算法设计理论，建立双圆弧齿轮传动的遗传算法优化设计的数学模型，采用神经网络对其进行优化．结果表明，应用遗传算法和神经网络相结合的力法对双圆弧齿轮传动进行优化设计，可以克服单纯用遗传算法的早熟现象和神经网络发生局部收敛的缺点，体乖减少30％以上．•彭程“基于模糊可靠性理论的双圆弧齿轮传动优化设计”根据模糊可靠性优化设计理论，综合考虑双圆孤齿轮传动中各设计参数、约束条件及影响因素的随机性和模湖性，建立了双圆孤齿轮传动设计中模糊变量与随机变量同时存在时的以体积最小为目标的优化数学模型。•王莉静吴凤林“主动设计思想在圆弧齿轮设计中的应用”根据齿轮所要求的机械特性而进行齿面形状设计，使圆弧齿轮齿面的形状设计具有更大的灵活性，并更能适应齿轮加工方面的要求六、圆弧齿轮先进加工技术郑州机械研究所和太原理工大学等单位成功研究出了渗碳硬化双圆弧齿轮刮削加工的成套制造技术，应用这项技术加工的硬齿面双圆弧齿轮，其承载能力与相同规格的硬齿面渐开线齿轮相当。硬齿面双圆弧齿轮刮削精加工工艺的试验成功，结束了硬齿面双圆弧齿轮没有合适的精加工工艺的历史，是硬齿面双圆弧齿轮加工技术上的一次重大创新。在圆弧齿轮磨齿方面，学者作了大量理论分析。•段德荣“磨前双圆弧齿轮的齿面余量分布及其基准齿形设计”通过对磨前圆弧齿轮的几种齿面磨削余量分布方案的对比，给出了磨前圆弧齿轮基准齿形的设计方案。•韩振南邵家辉“用成形法磨削圆弧齿轮的砂轮截面廓形的计算”成彤磨削法精加工齿轮的关键在于修整砂轮的截面形状。详抽地推导出加工双圆弧齿轮的砂轮截面廓形的计算表达式并开发了通用计算程序。根据实例计算结果、讨论了砂轮直径及安装角度对磨削齿面干涉的影响．•张光辉“双圆弧齿轮的逼近磨削原理”提出了用指状砂轮加工双圆弧齿轮的逼近磨削方法，阐述了逼近磨削双圆弧齿轮的原理：要求磨削得到的双圆弧齿轮齿面最佳逼近滚切加工得到的双圆弧齿轮齿面（所要求的齿面），从而求出最佳调整参数。七、圆弧齿轮精度及测量技术近年来，学者对圆弧齿轮的精度和测量做了一些努力，但这方面仍然不能满足生产需要。•武宝林邵家辉“轴线平行度误差对双圆弧齿轮传动误差的影响分析”应用圆弧齿轮的啮合原理，研究了双圆弧齿轮传动的轴线平行度误差和其传动误差之间的关系，据此分析了不同方向的轴线平行度误差、螺旋角等对其传动误差的影响情况。•武宝林邵家辉孟惠荣“双圆弧齿轮的螺旋角误差对其传动误差的影响分析”分析研究了螺旋角误差对双圆弧齿轮传动过程中传动误差的影响规律，并且介绍在条件允许时，增大齿轮螺旋角，有利于减小双圆弧齿轮传动过程中的传动误差，进而提高其动态传动性能。•张燕卫国强“圆弧齿轮齿形误差测量技术的研究及用极坐标法测量圆弧齿轮齿形误差的探讨”本文结合现有测量手段，分析探讨了各种测量圆弧齿轮形误差的原理，方法，并以极坐标测量圆弧齿轮齿形误差为例以