一种渐开线式圆柱直齿轮转动惯量的计算方法
技术领域
本发明属于机械传动的技术领域,尤其涉及一种渐开线式圆柱直齿轮转动惯量的计算方法。
背景技术
齿轮传动是指由齿轮副传递运动和动力的装置,是现代各种设备中应用最广泛的一种机械传动方式。它的传动比较准确,效率高,结构紧凑,工作可靠,寿命长。
转动惯量是反映刚体转动时惯性的量度,在进行齿轮传动动力学分析时,齿轮的转动惯量广泛出现在动力学分析的方程中,为获取准确的齿轮传动动力学特性,齿轮转动惯量的准确计算是非常必要的。
齿轮中最常用的便是渐开线式圆柱直齿轮,对于渐开线圆柱直齿轮,由于其复杂的齿廓形状,计算轮齿部分的转动惯量时,轮齿部分的质量和回转半径通常都是近似的,故轮齿部分的转动惯量的结果也是近似的。
目前存在的计算渐开线圆柱直齿轮转动惯量的方法误差较大,在精度要求较低的时候,将圆柱直齿轮等效为以分度圆为底面,以齿宽为长度的圆柱体。通过经验公式(m表示整个齿轮的质量(单位:kg),r表示齿轮的分度圆半径(单位:m))计算得到圆柱直齿轮的转动惯量。
在《Machine Design》中的经验公式提供了计算轮齿部分的回转半径和齿形面积更为精确的方法,但是这些公式对径节小于1的齿轮来说计算足够准确,将径节换算成公制模数,即这些公式对于计算模数大于25.4的齿轮的转动惯量来说较为准确。此经验公式具有局限性,只是更加准确地计算了模数轮齿部分的回转半径和齿形面积,通过计算得到轮齿部分的转动惯量,不足之处就是还没有对轮齿部分的转动惯量做到精确计算。
分析了现有计算圆柱直齿轮转动惯量的方法后,发现对于计算渐开线式圆柱直齿轮转动惯量更加通用、更加精确的公式是十分有必要的。。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述存在的问题,提供一种渐开线式圆柱直齿轮转动惯量的计算方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是:一种渐开线式圆柱直齿轮转动惯量的计算方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1)设定假定条件;假设渐开线式圆柱直齿轮是均质材料,各点处的密度均相同;
S2)计算比较随齿数变化时,圆柱直齿轮基圆半径rb与齿根圆半径rf的大小关系,如下式:
z=41.45
考虑到根切的原因,故17≤z≤41时,rb>rf;z≥42时,rf>rb,
式中m为齿轮的模数,z为齿轮的齿数,α为压力角,ha*=1为齿顶高系数,c*=0.25为齿顶间隙系数;
S3)建立基圆直径小于齿根圆直径的渐开线式圆柱直齿轮模型;
S4)基圆直径大于齿根圆直径时,由于基圆内的轮廓不参与啮合,故将渐开线轮廓与基圆的交点至齿根圆这一段长度等效为过齿轮中心点O的直线段,建立基圆直径大于齿根圆直径的渐开线圆柱直齿轮模型;
S5)建立以齿轮中心O为圆心,以R为半径的任意圆的单齿模型,其中r≤R≤ra,r为分度圆半径,ra为齿顶圆半径;
S6)建立以齿轮中心O为圆心,以R为半径的任意圆的单齿模型,其中rf≤R<r;
S7)计算步骤S5中以R为半径的圆弧与单齿两侧渐开线的交点C11、C12以及点O形成的夹角∠C11OC12;
S8)计算S6中以R为半径的圆弧与单齿两侧渐开线的交点C211、C22以及点O形成的夹角∠C21OC22;
S9)计算步骤S3建立的模型的单齿的转动惯量J1(1);
S10)计算步骤S4建立的模型的单齿的转动惯量J1(2);
S11)计算步骤S3建立的模型中以齿轮安装孔半径R1为内径,rf为外径的空心圆柱的转动惯量J2(1);
S12)计算步骤S4建立的模型中以R1为内径,rf为外径的空心圆柱的转动惯量J2(2);
S13)计算步骤S4建立的模型中z个部分圆环的转动惯量J2(3);
S14)计算步骤S3建立的模型中整个齿轮的转动惯量J1;
S15)计算步骤S4建立的模型中整个齿轮的转动惯量J2。
按上述方案,步骤S7中所述夹角∠C11OC12的计算如下:
θi=invαi=tanαi-αi
θ=invα=tanα-α
其中B、B1为齿轮渐开线齿廓与分度圆的交点,θi为渐开线轮廓上任意一点的展角,αi为渐开线轮廓上任意一点的压力角,θ为分度圆展角,α为分度圆压力角,δi1为∠C11OC12的弧度值,b为齿轮的齿宽,s为齿厚。
按上述方案,步骤S7中所述夹角∠C21OC22的计算如下:
其中δi2为∠C21OC22的弧度值,综合δi1和δi2的结果,以R为半径的圆弧与单齿两侧渐开线的交点以及点O形成的夹角弧度值δi为:
按上述方案,步骤S9中所述J1(1)计算公式如下:
其中ρ为齿轮材料的密度,b为齿轮的齿宽。
按上述方案,步骤S10中所述J1(2)计算公式如下:
按上述方案,步骤S11中所述J2(1)计算公式如下:
dm=ρdv=ρbrdθdr
按上述方案,步骤S12中所述J2(2)计算公式如下:
按上述方案,步骤S13中所述J2(3)计算公式如下:
其中sb为基圆齿厚。
按上述方案,步骤S14中所述J1计算公式如下:
J1=zJ1(1)+J2(1)
按上述方案,步骤S14中所述J1计算公式如下:
J1=zJ1(1)+J2(1)
本发明的有益效果是:提供一种渐开线式圆柱直齿轮转动惯量的计算方法,考虑了圆柱直齿轮基圆直径与齿根圆直径的大小关系,通过计算确定齿数界限,通过理论推导,得到轮齿部分转动惯量的积分公式,最后分别得到两种情况下渐开线式圆柱直齿轮转动惯量的计算公式,运用数值积分,能够精确地计算渐开线式圆柱直齿轮的转动惯量。。
附图说明
图1为本发明一个实施例的基圆直径小于齿根圆直径的渐开线式圆柱直齿轮模型图。
图2为本发明一个实施例的基圆直径大于齿根圆直径的渐开线式圆柱直齿轮模型图。
图3为本发明一个实施例的以齿轮中心O为圆心,以R(r≤R≤ra)为半径的任意圆的单齿模型图。
图4为本发明一个实施例的以齿轮中心O为圆心,以R(rf≤R<r)为半径的任意圆的单齿模型图。
具体实施方式
为更好地理解本发明,下面结合附图和实施例对本发明进一步的描述。
如图1-4所示,计算渐开线式圆柱直齿轮转动惯量的方法,齿轮的基圆直径与齿根圆直径的大小关系与齿轮齿数有关,当齿轮压力角为20°时,通过计算确定齿数界限为41.45。当齿数z≥42时,齿根圆直径大于基圆直径,考虑到齿轮根切的情况,当17≤z≤41时,基圆直径大于齿根圆直径。由于转动惯量具有可加性,当z≥42时,将整个齿轮体划分为空心圆柱部分和z个轮齿部分。当17≤z≤41时,将整个齿轮体划分为空心圆柱部分、z个轮齿部分和z个部分圆环部分。其中形状最为复杂的是轮齿部分,通过理论推导,得到轮齿部分转动惯量的积分公式,最后分别得到两种情况下渐开线式圆柱直齿轮转动惯量的计算公式,运用数值积分,能够精确地计算渐开线式圆柱直齿轮的转动惯量。
具体步骤如下:
步骤一:设定假定条件;假设渐开线式圆柱直齿轮是均质材料,各点处的密度均相同;
步骤二:计算比较随齿数变化时圆柱直齿轮基圆半径rb与齿根圆半径rf的大小关系;
z=41.45
考虑到根切的原因,故17≤z≤41时,rb>rf;z≥42时,rf>rb。
式中m为齿轮的模数,z为齿轮的齿数,α为压力角,ha*=1为齿顶高系数,c*=0.25为齿顶间隙系数。
步骤三:建立基圆直径小于齿根圆直径的渐开线式圆柱直齿轮模型;
步骤四:基圆直径大于齿根圆直径时,由于基圆内的轮廓不参与啮合,故将渐开线轮廓与基圆的交点至齿根圆这一段长度等效为过点O的直线段,建立基圆直径大于齿根圆直径的渐开线圆柱直齿轮模型;
步骤五:建立以齿轮中心O为圆心,以R(r≤R≤ra)为半径的任意圆的单齿模型;
步骤六:建立以齿轮中心O为圆心,以R(rf≤R<r)为半径的任意圆的单齿模型;
步骤七:计算步骤五中以R为半径的圆弧与单齿两侧渐开线的交点C11、C12以及点O形成的夹角∠C11OC12;
θi=invαi=tanαi-αi
θ=invα=tanα-α
其中B、B1为齿轮渐开线齿廓与分度圆的交点,θi为渐开线轮廓上任意一点的展角,αi为渐开线轮廓上任意一点的压力角,θ为分度圆展角,α为分度圆压力角,δi1为∠C11OC12的弧度值,b为齿轮的齿宽,s为齿厚。
步骤八:计算步骤四中以R为半径的圆弧与单齿两侧渐开线的交点C21、C22以及点O形成的夹角∠C21OC22;
δi2为∠C21OC22的弧度值。
综合δi1和δi2的结果,以R为半径的圆弧与单齿两侧渐开线的交点以及点O形成的夹角弧度值δi为:
步骤九:计算步骤二建立的模型的单齿的转动惯量;
式中ρ为齿轮材料的密度,b为齿轮的齿宽。
步骤十:计算步骤三建立的模型的单齿的转动惯量;
步骤十一:计算步骤二建立的模型中以R1为内径,rf为外径的空心圆柱的转动惯量;
dm=ρdv=ρbrdθdr
步骤十二:计算步骤三建立的模型中以R1为内径,rf为外径的空心圆柱的转动惯量;
步骤十三:计算步骤三建立的模型中z个部分圆环的转动惯量;
其中:式中sb为基圆齿厚;
步骤十四:计算步骤二建立的模型中整个齿轮的转动惯量;
J1=zJ1(1)+J2(1)
步骤十五:计算步骤三建立的模型中整个齿轮的转动惯量;
J2=zJ1(2)+J2(2)+J2(3)
其中r为分度圆半径,ra为齿顶圆半径,rf为齿根圆半径,rb为基圆半径,z为齿数,R1为齿轮安装孔半径。
实施例一
在此以齿轮1和齿轮2为例进行计算,齿轮1和齿轮2的具体参数如表1所示;
表1齿轮1和齿轮2的具体参数
步骤一:假设渐开线式圆柱直齿轮是均质材料,各点处的密度均相同;
步骤二:比较齿轮1、2基圆与齿根圆直径的大小关系;齿轮1的齿数大于42,故齿轮1的齿根圆直径大于基圆直径,齿轮2的齿数小于41,故齿轮2的齿根圆直径小于基圆直径;
步骤三:计算齿轮1的单齿的转动惯量;
J1(1)=2.67×10-5kg·m2
步骤四:计算齿轮2的单齿的转动惯量;
J1(2)=9.5×10-6kg·m2
步骤五:计算齿轮1中空心圆柱的转动惯量;
J2(1)=4.9×10-3kg·m2
步骤六:计算齿轮2中空心圆柱的转动惯量;
J2(2)=8.6×10-4kg·m2
步骤七:计算齿轮2中z个部分圆环(如图2阴影部分)的转动惯量;
J2(3)=5.7×10-5kg·m2
步骤八:计算齿轮1的总转动惯量;
J1=6.1×10-3kg.m2
步骤九:计算齿轮2的总转动惯量;
J2=1.2×10-3kg.m2
以上的仅为本发明的较佳实施例而已,当然不能以此来限定本发明之权利范围,因此依本发明申请专利范围所做的等效变化,仍属本发明的保护范围。