CN108488353A - 用于直齿锥齿轮的修形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于直齿锥齿轮的修形方法，包括以下步骤：建立直齿锥齿轮副的原始三维数学模型；在所述原始三维数学模型的每个齿的表面构建网格点阵，所述网格点阵包括多个网格点；确定每个所述网格点的初级修形量，得到初级修形三维数学模型；有限元分析：对所述初级修形三维数学模型施加相应的载荷约束条件，进行应力分析，得到所述直齿锥齿轮副的最大接触应力值；根据应力分析结果，重置所述初级修形量，再次进行所述有限元分析，得到最佳修形量；根据所述最佳修形量，对所述直齿锥齿轮进行修形加工。本发明通过构建三维模型和有限元分析，能够验证修形量的有效性，具有较强的实用性，操作简单，效率高。

Description

用于直齿锥齿轮的修形方法

技术领域

本发明涉及齿轮加工技术领域，尤其涉及一种用于直齿锥齿轮的修形方法。

背景技术

常用标准齿轮的齿面为标准渐开线。但由于齿轮传动时产生的受力变形、齿轮高速旋转时离心力导致齿轮膨胀、摩擦等生热导致的热变形以及加工制造与装配等一系列误差，会导致标准齿轮副在运行过程中齿面接触不良、承载能力下降、传动不平稳以及振动噪音大，从而降低使用寿命，增加成本。通过对标准齿轮的齿面进行修形，将齿面修形为鼓形，中间部分凸起，上下左右两侧凹陷的形状，能够有效增大齿轮副啮合时的接触面积，减小振动，提高可靠性。

目前，对于齿轮的修形方法不多，并且存在步骤多且复杂，方法有效性没有实例验证等一系列问题。公开号CN106695265A的专利公开了一种齿轮修形方法，从选材、粗加工、热处理和精加工等一系列步骤对齿轮进行修形。但是该方法操作步骤多且复杂，没有通过实例对该方法进行有效性验证。公开号CN106704544A专利公开的降低齿轮噪音及异响的修形方法只是确定了齿轮修形的区域，但是没有给出具体的修形量，此外没有通过实例对该方法的有效性进行验证。

因此，有必要提出了一种用于直齿锥齿轮的修形方法，操作简单、效率高，能验证有效性，实用性强。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于直齿锥齿轮的修形方法，操作简单、效率高，能验证有效性，实用性强。

本发明的技术方案提供一种用于直齿锥齿轮的修形方法，包括以下步骤：

建立直齿锥齿轮副的原始三维数学模型；

在所述原始三维数学模型的每个齿的表面构建网格点阵，所述网格点阵包括多个网格点；

确定每个所述网格点的初级修形量，得到初级修形三维数学模型；

有限元分析：对所述初级修形三维数学模型施加相应的载荷约束条件，进行应力分析，得到所述直齿锥齿轮副的最大接触应力值；

根据应力分析结果，重置所述初级修形量，再次进行所述有限元分析，得到最佳修形量；

根据所述最佳修形量，对所述直齿锥齿轮进行修形加工。

进一步地，所述在所述原始三维数学模型的每个齿的表面构建网格点阵的步骤，进一步包括：

获取每个齿的长度a和高度h；

沿长度和高度方向将齿面划为10*10的网格，相邻所述网格点之间的横向间距为a₁，纵向间距为h₁，a₁＝0.85ga/9，h₁＝0.85gh/9。

进一步地，

长度方向上，以所述齿的大端为横向基线；

高度方向上，以所述齿的齿顶为纵向基线；

长度方向上第一根网格线距所述横向基线的距离为0.5mm，高度方向上第一根网格线距所述纵向基线的距离为0.05mm。

进一步地，所述初级修形量的确定包括：

每根网格线上所述网格点的修形量均是中间小，逐渐向两边增加；

靠近齿顶的所述网格点的修形量比靠近齿根的所述网格点的修形量要大5μm；

相邻所述网格点间的修形量差值不超过2μm，单个所述网格点的修形量不超过15μm。

进一步地，还包括以下步骤：

齿廓误差检测：对修形加工后的所述直齿锥齿轮进行齿廓误差检测，判断加工出来的所述直齿锥齿轮是否合格，如不合格需要重新加工制造；

实验测试：对齿廓误差检测合格的所述直齿锥齿轮进行齿轮耐久实验和接触斑点实验。

进一步地，所述齿廓误差检测进一步包括：

选定待检测齿；

在所述待检测齿的表面构建网格点阵，检测所述待检测齿的网格点位置与设计零件的网格点位置的误差值；

设定阈值，如果所述误差值超过所述阈值，则认为齿轮误差大，需要重新加工制造；若所述误差值在所述阈值内，则齿轮合格。

进一步地，根据尺寸公差、零件加工精度确定所述阈值，所述阈值取尺寸公差的10％与5μ_m中两者较小的值。

进一步地，所述选定待检测齿的步骤进一步包括：

采用十字交叉法，确定所述直齿锥齿轮上需要检测的齿，分别是12点、3点、6点和9点钟位置处四个齿；

如果某个位置处没有齿就检测领近的一个齿。

采用上述技术方案后，具有如下有益效果：

本发明通过构建三维模型和有限元分析，能够验证修形量的有效性，具有较强的实用性。根据得到最佳修形量，可以直接用于加工直齿锥齿轮，操作简单，效率高。

附图说明

参见附图，本发明的公开内容将变得更易理解。应当理解：这些附图仅仅用于说明的目的，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：

图1是本发明一实施例中用于直齿锥齿轮的修形方法的流程图；

图2是本发明一实施例中齿轮1的最佳修形量的分布图；

图3是本发明一实施例中齿轮2的最佳修形量的分布图；

图4是本发明一实施例中齿廓误差检测的流程图。

具体实施方式

下面结合附图来进一步说明本发明的具体实施方式。

容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明实质精神下，本领域的一般技术人员可相互替换的多种结构方式以及实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或视为对发明技术方案的限定或限制。

在本说明书中提到或者可能提到的上、下、左、右、前、后、正面、背面、顶部、底部等方位用语是相对于各附图中所示的构造进行定义的，它们是相对的概念，因此有可能会根据其所处不同位置、不同使用状态而进行相应地变化。所以，也不应当将这些或者其他的方位用语解释为限制性用语。

如图1所示，图1为本发明一实施例中用于直齿锥齿轮的修形方法的流程图。

用于直齿锥齿轮的修形方法，包括以下步骤：

步骤S101：建立直齿锥齿轮副的原始三维数学模型；

根据直齿锥齿轮参数，运用UG三维建模软件绘制出标准渐开线的直齿锥齿轮副的原始三维数学模型。具体齿轮部分参数如下表所示：

表1 直齿锥齿轮副参数

步骤S102：在所述原始三维数学模型的每个齿的表面构建网格点阵，所述网格点阵包括多个网格点；

步骤S102进一步包括：

获取每个齿的长度a和高度h；

沿长度和高度方向将齿面划为10*10的网格，相邻所述网格点之间的横向间距为a₁，纵向间距为h₁，a₁＝0.85ga/9，h₁＝0.85gh/9；

长度方向上，以所述齿的大端为横向基线；

高度方向上，以所述齿的齿顶为纵向基线；

如图2-3所示，左侧为齿的小端，右侧为齿的大端，上侧为齿的齿顶，下侧为齿的齿根。

长度方向上第一根网格线距所述横向基线的距离为0.5mm，高度方向上第一根网格线距所述纵向基线的距离为0.05mm。因为齿的大端处有倒棱，所以要避开，因此留有0.5mm距离；在齿顶处有倒角，所以要留0.05mm。

出现超出零件部分的网格点忽略不计，只保留处于齿轮零件表面上的网格点。

步骤S103：确定每个所述网格点的初级修形量，得到初级修形三维数学模型；

其中，所述初级修形量的确定包括：

每根网格线上所述网格点的修形量均是中间小，逐渐向两边增加；

靠近齿顶的所述网格点的修形量比靠近齿根的所述网格点的修形量要大5μm；由于齿顶修形量要大5μm，可以避免与对手件齿轮的齿根干涉，导致应力集中，降低齿面应力。

相邻所述网格点间的修形量差值不超过2μm，单个所述网格点的修形量不超过15μm。如果超过会导致齿轮运转时，不平稳，噪音变大。

另外，在长度方向及高度方向上的每根网格线上的网格点修形量尽量是对称的。

例如：如图2-3所示，长度方向从上往下第四根网格线，中间两个网格点的修形量是0，左右相邻两个网格点的修形量为-2，再往外延伸的左右侧的网格点的修形量为-4、-6、-8。高度方向同理。

然后根据实际经验和上述关系给出初级修形量。

步骤S104：有限元分析：对所述初级修形三维数学模型施加相应的载荷约束条件，进行应力分析，得到所述直齿锥齿轮副的最大接触应力值；

具体为，将初级修形三维模型输入到ANSYS有限元分析软件中，施加相应的载荷约束条件进行应力分析，得到直齿锥齿轮副最大接触应力值c。

步骤S105：根据应力分析结果，重置所述初级修形量，再次进行所述有限元分析，得到最佳修形量；

具体为，根据应力分析结果，重置所述初级修形量，重复步骤S104，找到直齿锥齿轮副最大接触应力值c最小时的修形量即为最优修形量。本实施例中齿轮1与齿轮2的最终修形量如图2和图3所示。

步骤S106：根据所述最佳修形量，对所述直齿锥齿轮进行修形加工。

将用最优修形量修行后的直齿锥齿轮副的三维模型输入到数控机床中加工制造。得到修形后的直齿锥齿轮零件。

步骤S107：齿廓误差检测：对修形加工后的所述直齿锥齿轮进行齿廓误差检测，判断加工出来的所述直齿锥齿轮是否合格，如不合格需要重新加工制造；

如图4所示，为本发明一实施例中齿廓误差检测的流程图。

所述齿廓误差检测进一步包括：

步骤S401：选定待检测齿；

所述选定待检测齿的步骤进一步包括：

采用十字交叉法，确定所述直齿锥齿轮上需要检测的齿，分别是12点、3点、6点和9点钟位置处四个齿；

如果某个位置处没有齿就检测领近的一个齿。

步骤S402：在所述待检测齿的表面构建网格点阵，检测所述待检测齿的网格点位置与设计零件的网格点位置的误差值；

网格点阵的构建方法同步骤S102相同。出现超出零件部分的网格点忽略不计，只保留处于齿轮零件表面上的网格点。

采用三坐标测量仪对上述步骤S105中确定的最佳修形量的网格点位置处进行检测，最后终能得到在网格点位置处实际零件与设计零件的误差值。误差值为正数表示该网格点位置相对于设计模型凸起，误差值为负数表示该网格点相对于设计模型凹陷。

步骤S403：设定阈值，如果所述误差值超过所述阈值，则认为齿轮误差大，需要重新加工制造；若所述误差值在所述阈值内，则齿轮合格。

进一步地，根据尺寸公差、零件加工精度确定所述阈值，所述阈值取尺寸公差的10％与5μ_m中两者较小的值。

步骤S108：实验测试：对齿廓误差检测合格的所述直齿锥齿轮进行齿轮耐久实验和接触斑点实验。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明能够按直齿锥齿轮齿轮实际承受的载荷确定最优的修形量。以直齿锥齿轮不同受载荷情况为条件，直齿锥齿轮副啮合时的最大应力值保持最小为目标，确定出该齿轮副的最优修形量。并且修形量是随着齿轮的受载荷变化而变化。

(2)本发明提出的齿轮齿廓误差检测方法效率高，简单有效。

(3)本发明提出的方法实用性高。通过有限元仿真及实物验证了本发明提出的方法的有效性，具有很强的实际应用价值。

以上所述的仅是本发明的原理和较佳的实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在本发明原理的基础上，还可以做出若干其它变型，也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于直齿锥齿轮的修形方法，其特征在于，包括以下步骤：

建立直齿锥齿轮副的原始三维数学模型；

在所述原始三维数学模型的每个齿的表面构建网格点阵，所述网格点阵包括多个网格点；

确定每个所述网格点的初级修形量，得到初级修形三维数学模型；

有限元分析：对所述初级修形三维数学模型施加相应的载荷约束条件，进行应力分析，得到所述直齿锥齿轮副的最大接触应力值；

根据应力分析结果，重置所述初级修形量，再次进行所述有限元分析，得到最佳修形量；

根据所述最佳修形量，对所述直齿锥齿轮进行修形加工。

2.根据权利要求1所述的用于直齿锥齿轮的修形方法，其特征在于，所述在所述原始三维数学模型的每个齿的表面构建网格点阵的步骤，进一步包括：

获取每个齿的长度a和高度h；

沿长度和高度方向将齿面划为10*10的网格，相邻所述网格点之间的横向间距为a₁，纵向间距为h₁，a₁＝0.85ga/9，h₁＝0.85gh/9。

3.根据权利要求2所述的用于直齿锥齿轮的修形方法，其特征在于，

长度方向上，以所述齿的大端为横向基线；

高度方向上，以所述齿的齿顶为纵向基线；

长度方向上第一根网格线距所述横向基线的距离为0.5mm，高度方向上第一根网格线距所述纵向基线的距离为0.05mm。

4.根据权利要求1所述的用于直齿锥齿轮的修形方法，其特征在于，所述初级修形量的确定包括：

每根网格线上所述网格点的修形量均是中间小，逐渐向两边增加；

靠近齿顶的所述网格点的修形量比靠近齿根的所述网格点的修形量要大5μm；

相邻所述网格点间的修形量差值不超过2μm，单个所述网格点的修形量不超过15μm。

5.根据权利要求1所述的用于直齿锥齿轮的修形方法，其特征在于，还包括以下步骤：

齿廓误差检测：对修形加工后的所述直齿锥齿轮进行齿廓误差检测，判断加工出来的所述直齿锥齿轮是否合格，如不合格需要重新加工制造；

实验测试：对齿廓误差检测合格的所述直齿锥齿轮进行齿轮耐久实验和接触斑点实验。

6.根据权利要求5所述的用于直齿锥齿轮的修形方法，其特征在于，所述齿廓误差检测进一步包括：

选定待检测齿；

在所述待检测齿的表面构建网格点阵，检测所述待检测齿的网格点位置与设计零件的网格点位置的误差值；

设定阈值，如果所述误差值超过所述阈值，则认为齿轮误差大，需要重新加工制造；若所述误差值在所述阈值内，则齿轮合格。

7.根据权利要求6所述的用于直齿锥齿轮的修形方法，其特征在于，根据尺寸公差、零件加工精度确定所述阈值，所述阈值取尺寸公差的10％与5μ_m中两者较小的值。

8.根据权利要求6所述的用于直齿锥齿轮的修形方法，其特征在于，所述选定待检测齿的步骤进一步包括：

采用十字交叉法，确定所述直齿锥齿轮上需要检测的齿，分别是12点、3点、6点和9点钟位置处四个齿；

如果某个位置处没有齿就检测领近的一个齿。