CN103557303B - 基于磨耗试验的齿轮微观修形设计方法及磨耗试验台架 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于磨耗试验的齿轮微观修形设计方法，包括以下步骤：（1）绘制磨耗试验前的齿轮齿廓检测曲线和齿轮齿向检测曲线；（2）磨耗试验；（3）绘制磨耗试验后的齿轮齿廓检测曲线和齿轮齿向检测曲线；（4）确定齿廓修形方式和齿向修形方式；（5）确定齿廓修形位置；（6）确定齿廓修形量和齿向修形量。本发明还提供了一种实现上述磨耗试验的台架。本发明能够提高齿轮微观修形设计效率和准确性。

Description

基于磨耗试验的齿轮微观修形设计方法及磨耗试验台架

技术领域

本发明涉及齿轮制造方法及试验设备，具体涉及一种齿轮微观修形设计方法，及对齿轮进行磨耗试验的台架。

背景技术

随着渐开线齿轮传动技术的发展以及齿轮加工工艺水平的逐步提高，对齿轮箱(例如汽车变速箱)中齿轮的承载能力、传动质量、振动噪声等提出了更高的要求。

渐开线齿轮在实际传递载荷过程中，由于齿轮轮齿受力后产生弹性变形，引起齿距变化，同时支撑齿轮的轴、轴承、壳体(箱体)等也会发生弹性变形，从而导致齿轮产生啮合错位，改变了齿轮的传动特性，造成齿面载荷沿齿宽和齿高方向分布不均匀。这一方面容易导致轮齿局部载荷过大而出现轮齿弯曲强度减弱和齿面失效的情况，另外还会降低传动精度、增大齿轮传递误差，增加齿轮工作时的振动和噪声。

渐开线齿轮的微观修形是改善上述问题的基本方法之一，渐开线修形齿轮广泛应用于汽车变速箱、风电齿轮箱、工程机械齿轮箱等工业领域，它对提高齿轮承载能力、改善齿轮传动性能大有裨益。目前常用的齿轮修形方案制定和修形参数设计方法主要有以下几种：

①根据工程师的主观经验进行设计，缺乏指导齿轮修形设计的量化指标，难以保证修形设计的有效性。

②使用接触斑点试验对微观修形加以验证，难以对微观修形提出量化的优化建议，通常也需要进行设计→试验→优化周而复始的多次过程才能达到较好的修形结果，周期较长。

③采用计算机仿真辅助齿轮修形的设计，由于目前接触斑点仿真方面的理论还不完全成熟，仿真准确常需要和接触斑点试验结合才能达到目的。例如在申请号：201010220738.0、申请日：2010-07-08、发明名称：“渐开线直齿圆锥齿轮修形方法”的中国发明专利申请中，所公开的就是利用计算机仿真进行的修形设计，而且其修形量、修形范围的确定均是采用了经验值。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种能够提高齿轮微观修形设计效率和准确性的方法。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种基于磨耗试验的齿轮微观修形设计方法，包括以下步骤：

(1)绘制磨耗试验前的齿轮齿廓检测曲线和齿轮齿向检测曲线；

(2)磨耗试验：对齿轮进行加载磨耗；

(3)绘制磨耗试验后的齿轮齿廓检测曲线和齿轮齿向检测曲线；

(4)确定齿廓修形方式和齿向修形方式；

(5)确定齿廓修形位置：绘制磨损后的平均齿廓线，其拐点位置即为齿廓修形起始位置；

(6)确定齿廓修形量和齿向修形量：将磨耗后的平均齿廓线确定的齿轮有效终止圆处的相对磨损量定义为目标齿轮齿顶修形量；将磨耗后的齿轮齿向检测曲线确定的齿向倾斜量定义为目标齿轮的螺旋角修形量，将磨耗后的齿轮齿向鼓形量定义为目标齿轮的螺旋线鼓形量。

优选地，上述方法还包括步骤(7)：根据齿廓修形方式、齿廓修形起始位置和齿廓修形量绘制齿廓公差带图，根据齿向修形方式、修形量绘制齿向公差带图。

优选地，在确定齿廓修形方式和齿向修形方式时，将配对齿轮齿面的磨损折算到一个齿轮。

优选地，所述磨耗试验是在试验台架上完成的，在进行加载磨耗时为齿轮润滑油中加入油溶性研磨膏。

优选地，在对齿轮进行加载磨耗的步骤中，所加载的载荷为可变载荷。

本发明的另一个目的是提供一种齿轮磨耗试验台架，以方便地完成上述方法中的加载磨耗。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种齿轮磨耗试验台架，包括：驱动电机；扭矩、转速传感器；减速机；加载电机；控制系统；所述驱动电机向待测齿轮箱提供扭矩，所述待测齿轮箱的输出轴经所述减速机后连接所述加载电机，所述扭矩、转速传感器检测所述驱动电机的输出扭矩和转速并将测量值反馈给所述控制系统，所述控制系统控制所述驱动电机的驱动载荷和所述加载电机的加载载荷的变化。

优选地，所述扭矩、转速传感器与所述待测齿轮箱之间安装有安全离合器。

本发明的有益效果在于：

由于本发明是采用与齿轮箱(变速箱)实际工况相同或相近的磨耗试验对齿轮进行加载，根据磨耗后的齿面形貌得到的修形结果更准确，能更好的达到提高齿轮承载能力、改善齿轮传动性能、降低传动噪声的效果，并且能够通过对充分磨耗的齿轮齿面的检测直观地获得齿轮修形方案和修形参数。

进一步地，将配对齿轮齿面的磨损折算到一个齿轮，有利于简化齿轮修形。

进一步地，在进行磨耗试验时，在对齿轮润滑的润滑油中添加适量粗磨或半精磨油溶性研磨膏，能够提高磨耗试验效率。

进一步地，对齿轮进行可变载荷加载，能够更好地模拟出实际工况，使所得结果更贴近实际。

本发明的台架具有结构简单、载荷可变、试验过程安全等优点。

附图说明

接下来将结合附图对本发明的具体实施例作进一步详细说明，其中：

图1是本发明的实施例的齿轮磨耗试验台架的结构框图；

图2是磨耗试验前、后的齿轮齿廓检测曲线；

图3是齿廓公差带的确定示意图；

图4是磨耗试验前、后的齿轮齿向检测曲线；

图5是齿向公差带的确定示意图。

上图中标记说明：10、磨耗试验前齿轮齿廓检测曲线，11、磨耗试验后齿轮齿廓检测曲线，12、磨耗试验后齿廓平均齿廓线，L、齿轮展开线标尺，L1、有效起始圆在展开线上的位置，L2、啮合起始点在展开线上的位置，L3、有效终止圆在展开线上的位置，L4、齿顶圆在展开线上的位置，K1、齿廓公差带图，Cαα、齿顶修形量，20、磨耗试验前齿轮齿向检测曲线，21、磨耗试验后齿轮齿向检测曲线，B、齿向标尺，B1、有效齿宽起始点，B2、有效齿宽终止点，B3、有效齿宽中点，K2、齿向公差带图，Cβ、齿向鼓形量，CHβ、齿向倾斜量。

具体实施方式

参考图1，其表明了本发明的实施例作采用的进行磨耗试验的台架的结构原理。对汽车变速箱进行磨耗试验为例，将待测变速箱安装到台架上后，驱动电机的输出轴机械连接扭矩、转速传感器，扭矩、转速传感器的输出轴机械连接安全离合器的主动盘，安全离合器的从动盘机械连接待测变速箱的输入轴，待测变速箱的输出轴机械连接减速机的输入轴，减速机的输出轴再机械连接加载电机的输出轴。控制系统与驱动电机、扭矩、转速传感器和加载电机电气连接，控制整个试验过程。这样，驱动电机所输出的扭矩经扭矩、转速传感器和安全离合器后传递给待测变速箱，并且驱动电机的扭矩、转速输出值被扭矩、转速传感器测得并反馈给控制系统。而加载电机经减速机为待测变速箱提供加载载荷。在使用图1所示台架对变速箱(齿轮箱)加载时，可根据情况选用可变载荷的动态扭矩加载也可选用稳定扭矩加载，但加载工况应尽可能保证与变速箱(齿轮箱)在实际工作中的工况相近，因此在试验过程中，优选控制系统控制驱动电机的驱动载荷和加载电机的加载载荷的变化，模拟实际工况，对待测变速箱中的齿轮进行可变载荷加载。其中，安全离合器的作用是在试验过程中能够随时断开驱动电机向待测变速箱的扭矩传递，从而保证试验的安全性。作为一个优选方案，在进行磨耗试验时，在对齿轮润滑的润滑油中添加适量粗磨或半精磨油溶性研磨膏，能够提高磨耗试验效率。当然，本领域普通技术人员能够很容易地想象，磨耗试验也能够在实际工况下进行，例如将待测变速箱安装到汽车上后在实际道路或者测试场地上进行驾驶，然后再拆下变速箱进行测绘，但这显然不如在台架上进行磨耗试验更加简便、低廉。

磨耗试验前的渐开线齿轮可以不进行修形或根据经验进行适当修形，试验前对齿轮的实际齿廓迹线以及实际螺旋线迹线进行测量，得到图2中的磨耗试验前齿轮齿廓检测曲线10以及图4中的磨耗试验前齿轮齿向检测曲线20。然后，采用例如图1所示的台架对齿轮箱中的齿轮进行加载磨耗，在磨耗试验中，零部件受载变形导致齿轮齿廓和齿向载荷不均匀分布，载荷较大的区域会在磨耗试验中有较大的磨损量，反之，载荷较轻的区域磨损量会较小，因此经过磨耗试验充分磨损的齿轮齿面就会偏离理论渐开线，偏离量恰好可以补偿机械零部件受载变形导致的齿轮偏载和啮合不良，并可以改善齿轮啮合性能，降低传递误差和振动噪声。也就是说，通过对充分磨损的齿轮齿廓和齿向的分析，即可方便地给出渐开线修形的目标齿廓、齿向。磨耗试验后，重新对齿轮的实际齿廓迹线以及实际螺旋线迹线进行测量，得到图2中的磨耗试验后齿轮齿廓检测曲线11以及图4中的磨耗试验后齿轮齿向检测曲线21，并保证试验前后测得的曲线具有相同的缩放比例和测量标尺。

结合图2、图3，其表明了齿廓修形设计及齿廓公差带的确定过程。

齿廓修形方式确定：试验后对经过充分磨损的齿轮齿面进行分析，通过对磨损后齿廓检测曲线11形状的分析可以基本确认齿轮齿廓的修形方式。以图2中磨耗试验后齿轮齿廓检测曲线11为例，齿轮齿顶附近因磨损齿廓内凹，其余部分齿廓曲线形状未发生变化，因此可以确认齿顶修形方式适用于该齿轮的齿廓修形设计。在实际操作中，为简化齿轮修形，配对齿轮齿面的磨损可折算到其中一个齿轮后再进行修形设计。

齿廓修形位置确定：根据齿顶修形的理论曲线，按最小2乘法绘制磨损后齿廓检测曲线11的齿廓平均齿廓线12，其拐点位置即为齿顶修形的起始位置。

齿廓修形量确定：将磨耗试验后齿廓平均齿廓线12确定的齿轮有效终止圆处的相对磨损量定义为目标齿轮齿顶修形量Cαα。

根据齿廓修形方式、修形量和修形位置绘制齿廓公差带图K1。

同理，齿向修形设计及齿向公差带的确定的基本方法可参照齿廓修形的方法，如图4、图5，具体如下：

齿向修形方式的确定：磨耗试验后对经过充分磨损的齿轮齿面进行分析，通过对磨损后齿向检测曲线21的形状的分析可以基本确认齿轮齿向的修形方式。以图4中磨耗试验后齿轮齿廓检测曲线21为例，磨耗试验后，齿轮有效齿宽起始点B1一侧磨损量明显大于有效齿宽终止点B2一侧，因此该目标齿轮可采用螺旋角修形进行修整。同时，磨耗试验后，齿轮齿向呈现鼓形，因此目标齿轮除了采用螺旋角修形外，还要附加螺旋线鼓形进行休整。在实际操作中，为简化齿轮修形，配对齿轮齿面的磨损可折算到其中一个齿轮后再进行修形设计。

螺旋角修形和螺旋线鼓形适用于对全部有效啮合齿宽进行修整。

齿向修形量确定：将磨耗试验后齿轮齿向检测曲线21确定的齿向倾斜量CHβ定义为目标齿轮的螺旋角修形量，将磨耗试验后齿轮齿向鼓形量Cβ定义为目标齿轮的螺旋线鼓形量。

根据齿向修形方式、修形量和修形位置绘制齿向公差带图K2。

虽然本发明是结合以上实施例进行描述的，但本发明并不限定于上述实施例，而只受权利要求的限定，本领域普通技术人员能够容易地对其进行修改和变化，但并不离开本发明的实质构思和范围。

Claims (5)

1.一种基于磨耗试验的齿轮微观修形设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)绘制磨耗试验前的齿轮齿廓检测曲线和齿轮齿向检测曲线；

(2)磨耗试验：对齿轮进行加载磨耗；

(3)绘制磨耗试验后的齿轮齿廓检测曲线和齿轮齿向检测曲线；

(4)确定齿廓修形方式和齿向修形方式；

(5)确定齿廓修形位置：绘制磨损后的平均齿廓线，其拐点位置即为齿廓修形起始位置；

(6)确定齿廓修形量和齿向修形量：将磨耗后的平均齿廓线确定的齿轮有效终止圆处的相对磨损量定义为目标齿轮齿顶修形量；将磨耗后的齿轮齿向检测曲线确定的齿向倾斜量定义为目标齿轮的螺旋角修形量，将磨耗后的齿轮齿向鼓形量定义为目标齿轮的螺旋线鼓形量。

2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，还包括以下步骤：

(7)根据齿廓修形方式、齿廓修形起始位置和齿廓修形量绘制齿廓公差带图，根据齿向修形方式、修形量绘制齿向公差带图。

3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，在确定齿廓修形方式和齿向修形方式时，将配对齿轮齿面的磨损折算到一个齿轮。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的设计方法，其特征在于，所述磨耗试验是在试验台架上完成的，在进行加载磨耗时为齿轮润滑油中加入油溶性研磨膏。

5.根据权利要求1至3中的任一项所述的设计方法，其特征在于，在对齿轮进行加载磨耗的步骤中，所加载的载荷为可变载荷。