梁德軍,彭先龍
(1.合肥江淮鑄造有限責(zé)任公司 產(chǎn)品研發(fā)部,合肥 231137;2.西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院,西安 710072)
應(yīng)用無進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的大盤形砂輪磨齒加工面齒輪具有磨齒效率高、機(jī)床傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn),應(yīng)用國內(nèi)現(xiàn)有的制造裝備即可磨齒加工面齒輪。然而這種磨齒方法加工的面齒輪具有近似齒面,與標(biāo)準(zhǔn)的漸開線圓柱齒輪,或與有齒面修形的圓柱齒輪的嚙合性能不夠理想[1]。
為了確定弧齒錐齒輪,準(zhǔn)雙曲面齒輪和端面蝸桿的機(jī)床調(diào)整參數(shù)并改善這些齒輪傳動(dòng)的嚙合性能,Litvin[2-3]提出了局部綜合法,但是局部綜合法只能預(yù)控參考點(diǎn)附近的嚙合性能,因此吳訓(xùn)成、曹雪梅等[4-5]在局部綜合法的基礎(chǔ)上提出了主動(dòng)設(shè)計(jì)法。具有近似齒面的面齒輪傳動(dòng)中,無論是小齒輪還是面齒輪的機(jī)床調(diào)整參數(shù)都較少,研究證明即使人為添加一些調(diào)整參數(shù),對近似面齒輪傳動(dòng)的嚙合性能改變也是有限的,故局部綜合法或主動(dòng)設(shè)計(jì)法不適宜于近似面齒輪傳動(dòng)的嚙合性能設(shè)計(jì)。Kolivand、Yi-Pei Shih[6-7]通過預(yù)設(shè)的嚙合性能來構(gòu)造準(zhǔn)雙曲面、弧齒錐齒輪傳動(dòng)的小輪拓?fù)湫扌锡X面,最后用敏感性系數(shù)矩陣確定小齒輪加工規(guī)律,達(dá)到改善嚙合性能的目的。
由于齒面加工方面的差異,該方法還不能直接用于近似面齒輪傳動(dòng)的齒面設(shè)計(jì)中。本文主要論述如何通過構(gòu)造小輪拓?fù)湫扌锡X面對近似面齒輪傳動(dòng)進(jìn)行主動(dòng)設(shè)計(jì),以控制其嚙合性能。
采用不做齒向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的盤形砂輪磨削面齒輪的原理與方法可參考文獻(xiàn)[1],且這里的盤形砂輪與該文獻(xiàn)的碟形砂輪屬同一概念。為節(jié)省篇幅,此處僅給出面齒輪的近似齒面Σa相對理論齒面的誤差圖如圖1,該誤差圖及計(jì)算實(shí)例的參數(shù)如表1 所示。齒面誤差的計(jì)算方法為:式中,n2,R2分別為面齒輪理論齒面的單位法矢、位矢。并設(shè)面齒輪近似齒面Σa的位矢和法矢分別為:Ra(us,θs)、na(us,θs)。us、θs為面齒輪近似齒面Σa的曲面參數(shù)。
圖1 面齒輪近似齒面Σa 的齒面誤差
為了使得小輪齒面Σ1與Σa共軛,將面齒輪近似齒面Σa(詳見文獻(xiàn)[1]中R2的推導(dǎo))看作為展成加工小輪齒面Σ1的刀具。Σ1的展成坐標(biāo)系如圖2 所示。坐標(biāo)系S2與Σa固聯(lián),坐標(biāo)系S1與Σ1固聯(lián),Sp、Sm是與機(jī)架固聯(lián)的輔助坐標(biāo)系。
表1 面齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)參數(shù)
圖2 與Σa 共軛的小輪齒面展成坐標(biāo)系
γm是小輪與面齒輪的軸線夾角,L0=(L1+L2)/2,ψ1、ψ2是小輪和面齒輪各自的轉(zhuǎn)角,ψ1、ψ2滿足如下關(guān)系:
式中:ψ20=m21·ψ10和ψ10為選定參考點(diǎn)處插齒刀和面齒輪的轉(zhuǎn)角,滿足理論傳動(dòng)比m21=N1/N2,N1、N2分別為小輪和面齒輪的齒數(shù);a1…an-1為二階到n 階傳動(dòng)誤差的系數(shù),根據(jù)傳動(dòng)誤差設(shè)計(jì)要求確定。
傳動(dòng)誤差是影響齒輪傳動(dòng)動(dòng)態(tài)性能和振動(dòng)的重要因素。由于二次拋物線傳動(dòng)誤差可以吸收裝配誤差引起的線性誤差[8],并保持誤差曲線的形狀不變,因此通常將傳動(dòng)誤差設(shè)計(jì)為拋物線,但是有些情況下,傳動(dòng)誤差會設(shè)計(jì)為高階函數(shù)[9]。
通過S2到S1的坐標(biāo)變換和嚙合方程可確定小輪齒面Σ1的位矢R1和法矢n1,分別為:
式中M12是坐標(biāo)變換矩陣,Σa與Σ1間的嚙合方程由下式表示:式中是表示在坐標(biāo)系S2中的兩輪相對速度。
由于Σa存在齒面誤差,且在小輪齒面展成過程中有關(guān)系式(2),因此Σ1相對標(biāo)準(zhǔn)漸開線圓柱齒輪將存在齒面偏差(偏差的計(jì)算方法與式(1)類同),圖3 所示為a1…an-1均為零時(shí),齒面Σ1的偏差。文中將Σ1簡稱為小輪(與面齒輪近似齒面Σa的)共軛齒面。
圖3 Σ1 相對標(biāo)準(zhǔn)漸開線齒面的偏差(a1=…=an-1=0)
齒面印痕的形狀(包括接觸路徑的方向、位置和接觸橢圓的長度)對齒輪的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)、使用壽命和噪聲有重要影響。例如接觸路徑的方向會影響重合度的大?。?0],影響齒輪副運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性,因此通常將接觸路徑設(shè)計(jì)為傾斜的,一方面可增大重合度,提高齒輪傳動(dòng)的平穩(wěn)性,另一方面可以減小邊緣接觸的可能性。
圖4 是Σa在其旋轉(zhuǎn)投影面上的投影,預(yù)設(shè)的接觸路徑在旋轉(zhuǎn)投影面上為直線M1M2m-1,它與水平線的夾角為θ,由θ 可確定接觸路徑的方向,根據(jù)嚙合性能的設(shè)計(jì)要求選擇。圖4 中的Mi(i=m)是選定的參考點(diǎn),滿足方程式(6)。式中LMm、rMm為在面齒輪旋轉(zhuǎn)投影面上點(diǎn)Mm到原點(diǎn)O 的距離,是參考點(diǎn)Mm的選定值,點(diǎn)Mm可以沿齒高和齒長方向移動(dòng),以獲得具有對稱性的傳動(dòng)誤差。當(dāng)LMm、rMm確定后,解方程(6)即可解得ψ20和ψ10。
圖4 預(yù)設(shè)的接觸路徑
預(yù)設(shè)接觸路徑M1M2m-1上的其他點(diǎn)Mi(im,i=1…2m-1)滿足式(2)和下述方程:
式中rMi是接觸點(diǎn)Mi的齒高,按給定的等步長變化。式(7)中第一式即直線M1M2m-1的方程。解方程式(7)即可解出usi、θsi和ψ2i,可得到小齒輪上的接觸路徑P1P2m-1。據(jù)上可知參考點(diǎn)Mm在旋轉(zhuǎn)投影面上的坐標(biāo)、夾角θ分別確定接觸路徑的位置和方向。
接觸橢圓長半軸的長度a 會對齒輪的潤滑、齒面接觸應(yīng)力、齒根彎曲應(yīng)力等產(chǎn)生影響,因此獲得合適的接觸橢圓長度是齒面設(shè)計(jì)的重要任務(wù)。接觸橢圓長半軸的長度一般取0.15~0.20 倍的齒寬。
由于Σ1與Σa完全共軛,因此Σ1與Σa在每一瞬時(shí)將是線接觸的,實(shí)際應(yīng)用中的齒輪傳動(dòng)要求是點(diǎn)接觸的,以降低對安裝誤差的敏感性,為此以Σ1作為基準(zhǔn)曲面,構(gòu)造小輪的拓?fù)湫扌锡X面Σp。
圖5 表示的是在小輪旋轉(zhuǎn)投影面上拓?fù)湫扌锡X面的構(gòu)造過程,a 是接觸橢圓長半軸的長度,根據(jù)嚙合性能的設(shè)計(jì)要求選擇。直線bi1、bi2(圖中粗實(shí)線)與接觸路徑的交點(diǎn)為Pi1、Pi2(圖中沒有表示),長度為接觸點(diǎn)Pi1、Pi2處接觸橢圓長半軸的長度a,并且直線bi1、bi2與Pi1、Pi2處接觸橢圓長半軸重合,直線bi1、bi2與接觸點(diǎn)Pi所在的網(wǎng)格線交點(diǎn) 為Pi3、Pi4。接 觸 路 徑P1P2i-1兩 側(cè) 點(diǎn)Pi3、Pi4成 區(qū) 域A1A2A4A3,該區(qū)域內(nèi)的齒面需要精確設(shè)計(jì),而該區(qū)域外的齒面則可以看作為區(qū)域A1A2A4A3的延伸。接觸路徑P1P2m-1上的點(diǎn)的齒面修形量為0,即在齒面Σ1上。而bi1、bi2與網(wǎng)格線的交點(diǎn)Pi3、Pi4處的齒面修形量為δ(δ 一般取0.006 35 mm),即彈性變形量。最后用修形曲線替代直線Pi3PiPi4,構(gòu)成新設(shè)計(jì)的小輪拓?fù)湫扌锡X面。
圖5 小輪拓?fù)湫扌锡X面Σp 的構(gòu)造
點(diǎn)Pi3、Pi4在Σ1上的齒面坐標(biāo)計(jì)算步驟為:
1)計(jì)算面齒輪的主曲率與主方向、Σ1的主曲率與主方向;
2)在小輪坐標(biāo)系S1中計(jì)算任意接觸點(diǎn)的接觸橢圓長軸及其方向(設(shè)該方向向量為e);
3)點(diǎn)Pi3、Pi4在它們接觸點(diǎn)Pi1、Pi2處的切平面上的坐標(biāo)滿足式(2)和下式:
式中:R1t為接觸點(diǎn)Pi1、Pi2處接觸橢圓長軸上到點(diǎn)Pi1、Pi2的距離為a 的點(diǎn)的位置矢量;式中±分別對應(yīng)點(diǎn)Pi3和Pi4。rpi是Pi所在的網(wǎng)格線上Σ1的齒高。接觸點(diǎn)Pi1、Pi2位于預(yù)設(shè)接觸路徑上且對應(yīng)面齒輪上的點(diǎn),因此有式(8)中的第3、第4 式。聯(lián)立求解式(8)和式(2)得到點(diǎn)Pi3、Pi4在接觸點(diǎn)Pi1、Pi2處切平面上的坐標(biāo),記為Rti3、Rti4,對應(yīng)切平面上的點(diǎn)ti3、ti4,如圖6 所示。
圖6 接觸橢圓長軸與接觸線的間隙δp
圖6 所示為接觸點(diǎn)Pi1、直線bi1、切平面Π、點(diǎn)ti3、點(diǎn)Pi3、Σ1與Σa的接觸線L21表示在齒面Σ1上的相互之間的關(guān)系。點(diǎn)ti3到點(diǎn)Pi3的法向距離為δp。
4)點(diǎn)Pi3在Σ1上的齒面坐標(biāo)可按式(9)求解(點(diǎn)Pi4與點(diǎn)Pi3相同)。
式中n1i1是接觸點(diǎn)Pi1處的單位法矢,R1i3(us,θs,Ψ2)是點(diǎn)Pi3在Σ1上的齒面坐標(biāo)。
在小輪拓?fù)湫扌锡X面Σp上點(diǎn)Pi、Pi3、Pi4的齒面位置矢量為
式(10)在小輪拓?fù)湫扌锡X面Σp上定義了3×(2m-1)個(gè)點(diǎn),通過這些點(diǎn)和下文的“小輪拓?fù)湫扌锡X面Σp的加工”可以確定完整的齒面Σp。
由上述推導(dǎo)可知拓?fù)湫扌锡X面Σp上接觸路徑P1P2m-1上的點(diǎn)修形量為0,而接觸路徑兩側(cè)的點(diǎn)Pi3、Pi4的修形量大于0,由圖5 可以看出頂點(diǎn)C、D 處的齒面修形量最大,另外兩個(gè)頂點(diǎn)E、F 處的齒面修形量最小,因此采用具有漸開線齒廓的盤形砂輪磨齒加工小輪拓?fù)湫扌锡X面,如圖7 所示。
圖7 中坐標(biāo)系Sg、Sp、Sv分別與盤形砂輪、小齒輪和插齒刀V 固聯(lián),Sn為固定坐標(biāo)系,Sv與Sn間沒有相對運(yùn)動(dòng),St與砂輪中心固聯(lián),為輔助坐標(biāo)系。rp1、rpv分別為小齒輪和插齒刀的分度圓半徑。圖示為某一瞬時(shí)各輪的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)。砂輪的齒廓由插齒刀的齒廓確定,即在xgyg平面內(nèi)砂輪的工作齒面的截面與虛擬插齒刀的軸截面輪齒齒廓相同(此時(shí)Eg=0)??紤]到具有漸開線的盤形砂輪與小齒輪拓?fù)湫扌锡X面Σp為點(diǎn)接觸,在加工過程中磨損較快,因此采用大直徑砂輪,減小砂輪磨損的速度。從而插齒刀的齒數(shù)多于小齒輪的齒數(shù)才能定義砂輪的工作曲面。
圖7 小齒輪齒面Σp 展成加工坐標(biāo)系
小齒輪繞其自身軸線zp旋轉(zhuǎn)φp,盤形砂輪繞軸線zt旋轉(zhuǎn)φg,轉(zhuǎn)速之比為小齒輪與插齒刀的齒數(shù)之比,這兩個(gè)運(yùn)動(dòng)即構(gòu)成小輪加工的展成運(yùn)動(dòng)。砂輪繞其自身軸線xg做切削運(yùn)動(dòng)。砂輪中心做與插齒刀軸線平行的直線運(yùn)動(dòng)Lg,為進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。這樣加工的小齒輪為標(biāo)準(zhǔn)漸開線齒面,不能滿足嚙合性能的設(shè)計(jì)要求。為了能夠加工出由圖5 所示構(gòu)造的小輪拓?fù)湫扌锡X面Σp,砂輪中心還必須在yvzv平面內(nèi)做拋物線運(yùn)動(dòng)Eg,砂輪中心在yv方向的偏移量Eg或該拋物線的參數(shù)由齒面Σp上的點(diǎn)Pi3、Pi和Pi4的齒面坐標(biāo)確定。因此有2m-1 條不同的拋物線,最后將這些拋物線的參數(shù)擬合為旋轉(zhuǎn)φg的轉(zhuǎn)角函數(shù)。
由圖7 可知通過將插齒刀v 的軸截面齒廓繞xv旋轉(zhuǎn)(此時(shí)Eg=0)可得砂輪的工作齒面,設(shè)砂輪工作齒面的位矢和法矢分別為Rg(θg,θv)、ng(θg,θv),其中θg、θv為其曲面參數(shù)。
小齒輪拓?fù)湫扌锡X面Σp展成加工的詳細(xì)坐標(biāo)系如圖7 所示。設(shè)Eg的表達(dá)式如下:
式中,c1、c2和c3待確定,并可由式(12)表示。式(12)中qji(j=1,2,3,i=1…2m-1)待確定,本文采用多項(xiàng)式擬合確定,若要提高精度,也可用最小二乘法。
通過坐標(biāo)變換導(dǎo)出小輪的齒面位矢為:
式中:φp=φgNv/N1,Nv、N1分別為插齒刀v 和小齒輪的齒數(shù);M1n~tg是坐標(biāo)變換矩陣。由于運(yùn)動(dòng)參數(shù)Lg和φg相互獨(dú)立,因此嚙合方程如下:
據(jù)上述可知已由式(10)確定了齒面Σp在點(diǎn)Pi、Pi3和Pi4處的齒面坐標(biāo),由式(13)確定的小輪齒面方程包含未知數(shù)c1i~c3i,式(13)表示的小輪齒面必須過Pi3、Pi4和Pi,則有如下方程:
式中,φ1gi-3gi、L1gi-3gi是砂輪加工齒面Σp上的點(diǎn)Pi3、Pi和Pi4時(shí)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。上式3 個(gè)矢量方程每個(gè)有3 個(gè)分量,共9個(gè)方程和9 個(gè)未知數(shù),因此c1i~c3i具有唯一解。
為了確定qji,例如對于cj,由上式求解出了cji,而要求解qji,可建立如下線性方程:
由于φ2gi是點(diǎn)Pi(修形量為0)處砂輪的運(yùn)動(dòng)參數(shù),與φ1gi和φ3gi相比,誤差較小,因此用φ2gi求解多項(xiàng)式系數(shù)qji更可取,實(shí)際上在下述計(jì)算實(shí)例中,取φ1gi和φ3gi都使上式求解不收斂。
預(yù)設(shè)面齒輪傳動(dòng)的嚙合性能為:接觸路徑方向θ=89.7°;接觸橢圓長半軸長度a=0.15×(L2-L1)=12 mm;傳動(dòng)誤差參數(shù)為(a1=-0.006,a2…an-1=0)。面齒輪傳動(dòng)的基本參數(shù)如表1 所示。
圖8 Σp 與Σa 嚙合的傳動(dòng)誤差
圖9 Σp 與Σa 嚙合的接觸印痕
小齒輪的加工規(guī)律可用qjk表示,qjk各個(gè)元素如表2所示,其中m=4。小齒輪加工參數(shù)的擬合精度如圖10 所示,其中標(biāo)記▽、〇、□分別為c3i、c1i和c2i的數(shù)據(jù)點(diǎn),虛線、細(xì)實(shí)線和點(diǎn)劃線是擬合曲線,這些擬合曲線都通過了對應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn),擬合精度較高,因此采用式(17)的擬合方法即可確定小齒輪的加工參數(shù)cj。
表2 小齒輪加工參數(shù)cj 的多項(xiàng)式系數(shù)qji
圖10 小輪加工參數(shù)cj 的擬合
圖11 小輪齒面Σp 相對標(biāo)準(zhǔn)漸開線齒面的修形量
圖11 為小輪拓?fù)湫扌锡X面Σp相對標(biāo)準(zhǔn)漸開線齒面的修形量,該修形量還包括圖3 所示的齒面偏差。比較圖3 和圖11 可知,Σp相對標(biāo)準(zhǔn)漸開線齒面既有齒向修形,又有齒廓修形,修形量為負(fù)表示的意義是在標(biāo)準(zhǔn)漸開線齒面上去除材料。
總之小齒輪拓?fù)湫扌锡X面的修形量由預(yù)設(shè)的傳動(dòng)誤差、選定的參考點(diǎn)Mm、接觸路徑方向θ、接觸橢圓的長度a 決定。
實(shí)例1 是用本文的主動(dòng)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)拋物線傳動(dòng)誤差,本文的主動(dòng)設(shè)計(jì)方法還可用來設(shè)計(jì)高階傳動(dòng)誤差,如本實(shí)例四階傳動(dòng)誤差及接觸路徑傾斜的設(shè)計(jì)。
預(yù)設(shè)面齒輪傳動(dòng)的嚙合性能為:接觸路徑方向θ=13°;接觸橢圓長半軸長度a=0.2×(L2-L1)=16 mm;傳動(dòng)誤差參數(shù)為(a1=0.000 5,a2=0,a3=-0.02,a4…an-1=0)。其它參數(shù)與表1 相同。
預(yù)設(shè)的傳動(dòng)誤差和接觸路徑如圖12 和圖13 所示,圖13 以標(biāo)記的點(diǎn)為設(shè)計(jì)參考點(diǎn)。由圖12 和圖13 可以看出預(yù)設(shè)的嚙合性能與TCA 模擬結(jié)果幾乎相同。這里的參考點(diǎn)Mm的坐標(biāo)是LMm=530 mm、rMm=-89.6 mm。接觸橢圓半軸長度與預(yù)設(shè)長度的最大誤差為1.35 mm,位于面齒輪的齒根,最小誤差為0.71 mm,位于面齒輪的齒頂。這些結(jié)果與預(yù)設(shè)嚙合性能基本一致。
圖12 Σp 與Σa 嚙合的傳動(dòng)誤差
圖13 Σp 與Σa 嚙合的接觸印痕
1)基于構(gòu)造拓?fù)湫扌锡X面的方法,提出了近似面齒輪傳動(dòng)的主動(dòng)設(shè)計(jì),因此齒面設(shè)計(jì)、嚙合性能的控制不再局限于齒面修形技術(shù)。
2)由于小齒輪拓?fù)湫扌锡X面結(jié)構(gòu)的特殊性,采用局部點(diǎn)接觸法磨齒加工,論述了該齒面的加工原理,確定了小齒輪拓?fù)湫扌锡X面的加工參數(shù),計(jì)算實(shí)例表明該加工方法是可行的。
3)通過計(jì)算實(shí)例,可以看出主動(dòng)設(shè)計(jì)后Σp與Σa的嚙合性能與預(yù)先給定的嚙合特性能非常吻合,說明了基于齒面拓?fù)湫扌蔚闹鲃?dòng)設(shè)計(jì)在控制近似面齒輪傳動(dòng)嚙合性能方面的優(yōu)勢。
4)需要指出的是:該方法可以主動(dòng)地和定量地控制接觸橢圓長度,接觸印痕的位置、方向和傳動(dòng)誤差。
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