CN108115217A - 一种基于高阶传动误差的螺旋锥齿轮加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于高阶传动误差的螺旋锥齿轮加工方法,利用局部综合法确定螺旋锥齿轮副的初始加工参数,调整局部综合参数,直至获得啮入、啮出对称的二阶抛物线型传动误差。预置啮入点、啮入转换点、参考点、啮出转换点和啮出点处的传动误差值和一阶导数,获得高阶传动误差的多项式系数。预置大、小轮加工过程中滚比的高阶表达式,推导齿面方程,根据啮入点、啮入转换点、设计参考点、啮出转换点和啮出点处的齿面接触分析方程、几何约束条件、传动误差值及其一阶导数等条件,求解大、小轮的高阶变性系数,将其作为齿轮副的加工参数输入到螺旋锥齿轮数控机床上,实现螺旋锥齿轮副的双重高阶变性法加工。
Description
技术领域
本发明属于齿轮传动技术领域,特别涉及一种基于高阶传动误差的螺旋锥齿轮加工方法。
背景技术
传动误差是影响螺旋锥齿轮啮合质量和振动噪声的重要因素。二阶抛物线传动误差能够自动吸收由安装误差产生的线性误差,降低齿轮副的振动和冲击;在一个啮合周期内,二阶抛物线传动误差的一阶导数在啮入和啮出的符号是相反的,加速度在啮合转换点处形成冲击,严重影响了齿轮副的动态特性。高阶传动误差的一阶、二阶甚至更高阶都是连续可导的,通过合理设计啮合转换点处的夹角,使得啮合齿对间能够转换平稳,改善了加速度冲击;另外,齿轮副的实际重合度大,在一定载荷范围内传动误差波动较小,明显削弱了作为振动激励的传动误差的周期性,降低了传动误差的低阶谱幅值,故可以有效地改善振动和噪声。
美国格里森公司Stadtfeld在文献“The Ultimate Motion Graph.Journal ofMechanical Design,2000,122(9);17~22”中首次提出了四阶传动误差的概念,通过齿面研磨的方法,获得传动误差曲线,但未提及设计方法,加工效率低,齿轮精度不能保证。
发明专利CN102661381A中,在Stadtfeld的基础上提出了一种性能更加优越的四阶传动误差曲线及其设计方法,传动误差的阶次是四阶,通过最小二乘优化获得多项式系数,但是该方法存在着阶次受限、优化效率低,不涉及加工实现方法等问题。
发明专利CN106369139A中设计高阶传动误差依然为四阶,通过对小轮修形齿面的反求获小轮加工参数的四阶变性系数,同样存在着传动误差的阶次受限,不能满足更高性能要求,并且反求算法实际上是一种优化,计算效率和精度都不理想。
发明内容
发明目的为了克服上述现有技术的不足,本发明的目的是提供一种基于高阶传动误差的螺旋锥齿轮加工方法,根据啮合关键点的几何约束条件,确定传动误差阶次,求解线性方程组获得高阶传动误差的多项式系数,在保证原有啮合性能的基础上,大、小轮均采用高阶变性法,即所谓的双重高阶变性法。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案是:
一种基于高阶传动误差的螺旋锥齿轮加工方法,包括以下步骤:
(1)利用局部综合法确定螺旋锥齿轮副的初始加工参数,确定参考点、啮入点和啮出点的小轮转角;调整局部综合参数,直至获得对称二阶抛物线型传动误差;
(2)计算参考点、啮入点和啮出点的传动误差值,确定啮入转换点和啮出转换点的小轮转角及传动误差值;
(3)预置啮入点、啮入转换点、参考点、啮出转换点和啮出点处的传动误差值及其一阶导数值,根据这5个关键点的几何约束条件,建立线性方程组并求解,得到高阶传动误差的多项式系数;
(4)预置螺旋锥齿轮副的大、小轮在加工过程中滚比的高阶表达式,其余加工参数保持不变,推导含高阶变性系数的大、小轮齿面方程,建立齿面接触分析模型;
(5)根据啮入点、啮入转换点、参考点、啮出转换点和啮出点处的齿面接触分析方程、几何约束条件、传动误差值及其一阶导数等条件,建立非线性方程组;
(6)求解步骤(5)中的非线性方程组,获得大、小轮的高阶变性系数,将其作为齿轮副的加工参数,输入到螺旋锥齿轮数控机床上,实现螺旋锥齿轮副的双重高阶变性法加工。
作为本发明的进一步改进,步骤(1)具体步骤如下:
给定参考点的局部综合参数,包括参考点处接触迹线的切线与根锥线夹角η2、传动比的一阶导数m21′、沿节锥方向移动量Δx、齿高方向移动量Δy和接触椭圆长半轴a,根据局部综合法确定螺旋锥齿轮副的初始加工参数,推导大、小轮的齿面方程;根据在啮合点连续相切条件,建立齿面接触分析模型;根据参考点的传动比条件、大轮齿顶啮合和小轮齿顶啮合的几何条件,确定齿轮副在参考点、啮入点和啮出点的小轮转角,分别为和通过调整η2,直至获得啮入点和啮出点关于参考点对称,获得相应的大、小轮机床调整参数。
作为本发明的进一步改进,对称传动误差应满足:
作为本发明的进一步改进,步骤(2)中,传动误差的计算公式为:
式中分别为小轮和大轮的转角,分别为设计参考点处小、大的初始转角,z1、z2分别为小轮和大轮的齿数。
作为本发明的进一步改进,步骤(2)中,根据齿面接触分析,计算出参考点、啮入点和啮出点的传动误差值,分别为δA0、δC0和δE0;啮入转换点的小轮转角啮出转换点的小轮转角与设计参考点的小轮转角关系:
Tm=2π/z1为啮合周期,z1为小轮齿数;
同理,根据齿面接触分析计算出啮入转换点和啮出转换点的传动误差值,分别为δB0和δD0。
作为本发明的进一步改进,步骤(3)具体步骤如下:
预置啮入点、啮入转换点、设计参考点、啮出转换点和啮合出点的传动误差值为δA、δB、δC、δD和δE、一阶导数分别为δA′、δB′、δC′、δD′和δE′;假设高阶传动误差的多项式为, 根据5个关键点处的传动误差值和一阶导数条件,列出如下线性方程组:
利用求解非线性方程组的方法,求得高阶传动误差的多项式系数。
作为本发明的进一步改进,步骤(4)具体步骤如下:
在螺旋锥齿轮加工中,大轮滚比的表达式为 小轮滚比的表达式为 式中Ra10和Ra20分别为步骤(1)所求加工参数中小轮、大轮的滚比,b1、b2、b3、b4、b5、b6为大轮的高阶变性系数,c1、c2、c3、c4、c5、c6为小轮的高阶变性系数;
根据坐标变换和啮合原理,推导出含高阶变性系数的大、小齿面方程;将大、小轮齿面转换到固定坐标系中,根据两齿面在接触点处连续相切条件,建立大、小轮含高阶变性系数的齿面接触分析模型。
作为本发明的进一步改进,步骤(5)具体步骤如下:
在某一啮入点啮合时,需同时满足该点处的齿面接触分析方程、大轮齿顶几何约束方程和预置的传动误差值及传动误差一阶导数;建立所有点对应的非线性方程组。
作为本发明的进一步改进,步骤(6)具体步骤如下:
取步骤(2)中进行齿面接触分析时的5个关键点齿面参数作为求解步骤(5)的齿面参数初值;小轮的变性系数取步骤(1)变性法中的二阶、三阶变性系数作为初值,大轮的变性系数取为0,采用牛顿-拉夫逊方法进行求解,求出大、小轮的高阶变性系数,作为齿轮副的加工参数,输入到螺旋锥齿轮数控机床的数控系统中,即实现具有高阶传动误差的螺旋锥齿轮的双重高阶变性法加工。
相对于现有技术,本发明具有以下有益效果:
本发明的一种基于高阶传动误差的螺旋锥齿轮加工方法,利用局部综合法确定螺旋锥齿轮副的初始加工参数,调整局部综合参数,直至获得啮入、啮出位置对称的二阶抛物线型传动误差。预置啮入点、啮入转换点、参考点、啮出转换点和啮出点处的传动误差值和一阶导数,获得高阶传动误差的多项式系数。预置大、小轮加工过程中滚比的高阶表达式,推导齿面方程,根据啮入点、啮入转换点、参考点、啮出转换点和啮合出点处的齿面接触分析方程、几何约束条件、传动误差值及其一阶导数等条件,求解大、小轮的高阶变性系数,将其作为齿轮副的加工参数输入到螺旋锥齿轮数控机床上,实现螺旋锥齿轮副的双重高阶变性法加工。本发明根据啮合关键点数、传动误差值及其一阶导数的设计要求,确定高阶传动误差的阶次,具有很大的灵活性,调整啮合转换点的传动误差值和一阶导数,可有效地减小承载传动误差和啮合冲击;大、小轮均采用高阶变性法,可保证齿轮副的实际传动误差与设计高阶传动误差基本一致;仅需改变大、小轮的高阶变性系数,而其余加工参数保持不变,就能够在螺旋锥齿轮数控机床上,实现高性能齿轮副的加工。
附图说明
图1是本发明的高阶传动误差设计及加工方法流程;
图2是本发明的局部综合法参数;
图3是本发明的二阶对称抛物线传动误差;
图4是本发明的一种高阶传动误差;
图5实际和设计高阶传动误差比较;
图6是本发明的大轮变性系数曲线;
图7是本发明的小轮变性系数曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明,所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明一种基于高阶传动误差的螺旋锥齿轮加工方法,包括以下步骤:
(1)给定参考点的局部综合参数,包括参考点处接触迹线的切线与根锥线夹角η2、传动比的一阶导数m21′、沿节锥方向移动量Δx、齿高方向移动量Δy和接触椭圆长半轴a,如图1所示;根据美国Litvin教授的局部综合法确定螺旋锥齿轮副的初始加工参数,推导大、小轮的齿面方程;根据在啮合点连续相切条件,建立齿面接触分析模型;根据参考点的传动比条件、大轮齿顶啮合和小轮齿顶啮合的几何条件,确定齿轮副在参考点、啮入点和啮出点的位置,分别为和通过调整η2,直至获得啮入点和啮出点关于参考点对称,如图2所示,对称传动误差应满足从而获得相应的大、小轮机床调整参数。
(2)传动误差的计算公式为式中分别为小轮和大轮的转角,分别为参考点处小、大轮的初始转角,z1、z2分别为小、大轮的齿数。根据齿面接触分析,计算出参考点、啮入点和啮出点的传动误差值,分别为δA0、δC0和δE0;啮入转换点的位置啮出转换点与参考点的位置关系:Tm=2π/z1为啮合周期,z1小轮齿数;同理,根据齿面接触分析计算出啮入转换点和啮出转换点的传动误差值,分别为δB0和δD0。
(3)预置啮入点、啮入转换点、参考点、啮出转换点和啮出点的传动误差值为δA、δB、δC、δD和δE、一阶导数分别为δA′、δB′、δC′、δD′和δE′。假设高阶传动误差的多项式为, 根据5个关键点处的传动误差值和一阶导数条件,列出如下线性方程组:
利用求解线性方程组的方法,求得高阶传动误差的多项式系数。
(4)在螺旋锥齿轮加工中,大轮滚比的表达式为 小轮滚比的表达式为 式中Ra10和Ra20分别为步骤(1)所求加工参数中小轮、大轮的滚比,b1、b2、b3、b4、b5、b6为大轮的高阶变性系数,c1、c2、c3、c4、c5、c6为小轮的高阶变性系数。
步骤(1)中的其余加工参数保持不变,根据坐标变换和啮合原理,推导出含高阶变性系数的大、小齿面方程。将大、小轮齿面转换到固定坐标系中,根据两齿面在接触点处连续相切条件,建立大、小轮含高阶变性系数的齿面接触分析模型,即大、小轮的位矢和法矢分别相等。
(5)在啮入点A啮合时,需同时满足该点处的齿面接触分析方程(5个方程)、大轮齿顶几何约束方程(1个方程)和预置的传动误差值及传动误差一阶导数(1个方程);在啮入转换点B啮合时,需同时满足该点处的轮齿接触分析方程(5个方程)和预置的传动误差值及传动误差一阶导数(1个方程);在参考点C啮合时,需同时满足该点处的轮齿接触分析方程(5个方程)、传动误差值为零和传动误差一阶导数为零(1个方程);在啮出转换点D啮合时,需同时满足该点处的轮齿接触分析方程(5个方程)和预置的传动误差值及传动误差一阶导数(1个方程);在啮出点E啮合时,需同时满足该点处的轮齿接触分析方程(5个方程)、小轮齿顶几何约束方程(1个方程)和预置的传动误差值及传动误差一阶导数(1个方程),建立具有32个方程的非线性方程组。
(6)根据5个啮合点有20个齿面参数,大、小轮分别有6个高阶变性系数,共12个,未知数有32个。步骤(5)中共有32个方程,32个未知数,因此非线性方程组有解,取步骤(2)中进行齿面接触分析时的5个关键点齿面参数作为求解步骤(5)的齿面参数初值;小轮的变性系数取步骤(1)变性法中的二阶、三阶变性系数作为初值,大轮的变性系数取为0,采用牛顿-拉夫逊方程进行求解,求出大、小轮的高阶变性系数,作为齿轮副的加工参数,输入到螺旋锥齿轮数控机床的数控系统中,即可实现具有高阶传动误差的螺旋锥齿轮的双重高阶变性法加工。图4为设计与实际高阶传动误差的比较,两者非常接近,表明该方法的有效性。图5和图6分别为大、小轮的高阶变性系数曲线。
最后,需要说明的是,上述实施例仅用以说明本发明的技术方案,而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明思想和范围的前提下,可在上述说明的基础上进行其他不同形式的变化和改进,这些变化和改进应仍处于本发明创造的保护范围之中。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (9)
1.一种基于高阶传动误差的螺旋锥齿轮加工方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)利用局部综合法确定螺旋锥齿轮副的初始加工参数,确定参考点、啮入点和啮出点的小轮转角;调整局部综合参数,直至获得对称二阶抛物线型传动误差;
(2)计算参考点、啮入点和啮出点的传动误差值,确定啮入转换点和啮出转换点的小轮转角及传动误差值;
(3)预置啮入点、啮入转换点、参考点、啮出转换点和啮出点处的传动误差值及其一阶导数值,根据这5个关键点的几何约束条件,建立线性方程组并求解,得到高阶传动误差的多项式系数;
(4)预置螺旋锥齿轮副的大、小轮在加工过程中滚比的高阶表达式,其余加工参数保持不变,推导含高阶变性系数的大、小轮齿面方程,建立齿面接触分析模型;
(5)根据啮入点、啮入转换点、参考点、啮出转换点和啮出点处的齿面接触分析方程、几何约束条件、传动误差值及其一阶导数等条件,建立非线性方程组;
(6)求解步骤(5)中的非线性方程组,获得大、小轮的高阶变性系数,将其作为齿轮副的加工参数,输入到螺旋锥齿轮数控机床上,实现螺旋锥齿轮副的双重高阶变性法加工。
2.根据权利要求1所述的一种基于高阶传动误差的螺旋锥齿轮加工方法,其特征在于,步骤(1)具体步骤如下:
给定参考点的局部综合参数,包括参考点处接触迹线的切线与根锥线夹角η2、传动比的一阶导数m21′、沿节锥方向移动量Δx、齿高方向移动量Δy和接触椭圆长半轴a,根据局部综合法确定螺旋锥齿轮副的初始加工参数,推导大、小轮的齿面方程;根据啮合点处连续相切条件,建立齿面接触分析模型;根据参考点的传动比条件、大轮齿顶啮合和小轮齿顶啮合的几何条件,确定齿轮副在参考点、啮入点和啮出点的小轮转角,分别为和通过调整η2,直至获得啮入点和啮出点关于参考点对称,获得相应的大、小轮机床调整参数。
3.根据权利要求2所述的一种基于高阶传动误差的螺旋锥齿轮加工方法,其特征在于,对称传动误差应满足:
4.根据权利要求2所述的一种基于高阶传动误差的螺旋锥齿轮加工方法,其特征在于,步骤(2)中,传动误差的计算公式为:
式中分别为小轮和大轮的转角,分别为设计参考点处小、大的初始转角,z1、z2分别为小轮和大轮的齿数。
5.根据权利要求4所述的一种基于高阶传动误差的螺旋锥齿轮加工方法,其特征在于,步骤(2)中,根据齿面接触分析,计算出参考点、啮入点和啮出点的传动误差值,分别为δA0、δC0和δE0;啮入转换点的小轮转角啮出转换点的小轮转角与参考点的小轮转角之间的关系:
Tm=2π/z1为啮合周期,z1为小轮齿数;
同理,根据齿面接触分析计算出啮入转换点和啮出转换点的传动误差值,分别为δB0和δD0。
6.根据权利要求5所述的一种基于高阶传动误差的螺旋锥齿轮加工方法,其特征在于,步骤(3)具体步骤如下:
预置啮入点、啮入转换点、参考点、啮出转换点和啮合出点的传动误差值为δA、δB、δC、δD和δE、一阶导数分别为δA′、δB′、δC′、δD′和δE′;假设高阶传动误差的多项式为, 10;根据5个关键点处的传动误差值和一阶导数条件,列出如下线性方程组:
利用求解线性方程组的方法,求得高阶传动误差的多项式系数。
7.根据权利要求6所述的一种基于高阶传动误差的螺旋锥齿轮加工方法,其特征在于,步骤(4)具体步骤如下:
在螺旋锥齿轮加工中,大轮滚比的表达式为 小轮滚比的表达式为 式中Ra10和Ra20分别为步骤(1)所求加工参数中小轮、大轮的滚比,b1、b2、b3、b4、b5、b6为大轮的高阶变性系数,c1、c2、c3、c4、c5、c6为小轮的高阶变性系数;
根据坐标变换和啮合原理,推导出含高阶变性系数的大、小轮齿面方程;将大、小轮齿面转换到固定坐标系中,根据两齿面在接触点处连续相切条件,建立大、小轮含高阶变性系数的齿面接触分析模型。
8.根据权利要求1所述的一种基于高阶传动误差的螺旋锥齿轮加工方法,其特征在于,步骤(5)具体步骤如下:
在某一啮入点啮合时,需同时满足该点处的齿面接触分析方程、大轮齿顶几何约束方程和预置的传动误差值及传动误差一阶导数;建立所有点对应的非线性方程组。
9.根据权利要求1所述的一种基于高阶传动误差的螺旋锥齿轮加工方法,其特征在于,步骤(6)具体步骤如下:
取步骤(2)中进行齿面接触分析时的5个关键点的齿面参数作为求解步骤(5)的齿面参数初值;小轮的变性系数取步骤(1)变性法中的二阶、三阶变性系数作为初值,大轮的变性系数取为0,采用牛顿-拉夫逊方法进行求解,求出大、小轮的高阶变性系数,作为齿轮副的加工参数,输入到螺旋锥齿轮数控机床的数控系统中,即实现具有高阶传动误差的螺旋锥齿轮的双重高阶变性法加工。
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