高減速比準(zhǔn)雙曲面齒輪設(shè)計與切齒試驗

魏冰陽，仝昂鑫，張 輝，鄧效忠

（河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南洛陽 471003）

高減速比準(zhǔn)雙曲面齒輪設(shè)計與切齒試驗

魏冰陽，仝昂鑫，張 輝，鄧效忠

（河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南洛陽 471003）

高減速比準(zhǔn)雙曲面齒輪的設(shè)計重點在節(jié)錐的確定和輪齒幾何系數(shù)的選取。本文給出了少齒輪數(shù)準(zhǔn)雙曲面齒輪設(shè)計的幾何限制條件，節(jié)錐設(shè)計新的收斂條件。以小輪體積最大為目標(biāo)，通過優(yōu)化求解的方法，確定了大、小輪的節(jié)錐。運(yùn)用Matlab和UG軟件對齒數(shù)比為3∶60的準(zhǔn)雙曲面齒輪進(jìn)行了三維仿真，最后在GH-35機(jī)床上完成了切齒試驗，驗證了少齒數(shù)高減速比準(zhǔn)雙曲面齒輪在理論和實踐上的可行性。

準(zhǔn)雙曲面齒輪；節(jié)錐；少齒數(shù)；仿真

0 引言

機(jī)器人、機(jī)電一體化集成技術(shù)的發(fā)展對齒輪傳動裝置的功率密度提出了很高的要求，為少齒數(shù)大減速比準(zhǔn)雙曲面齒輪提供了廣闊的發(fā)展空間。準(zhǔn)雙曲面齒輪重合度大、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、承載能力強(qiáng)、空間配置靈活，尤其在高減速比傳動時仍能保持較高的傳動效率，同等條件下，其傳動效率比普通蝸桿傳動高15%以上［1］，且制造工藝優(yōu)良，大小輪均可采用硬齒面磨削工藝制造，故能保持長期的嚙合精度。目前，國外一些精密分度、數(shù)控機(jī)床伺服、機(jī)電一體化設(shè)備中開始采用少齒數(shù)大減速比準(zhǔn)雙曲面齒輪替代蝸輪或行星齒輪傳動［1］。文獻(xiàn)［2］利用節(jié)錐變位的方法，通過三維仿真分析了大速比準(zhǔn)雙曲面齒輪傳動的可行性。文獻(xiàn)［3－4］在分析小輪齒形異變和嚙合限制條件的基礎(chǔ)上，完成了齒數(shù)比為4∶41的準(zhǔn)雙曲面齒輪的三維仿真和切齒。本文在上述研究的基礎(chǔ)上，提出了準(zhǔn)雙曲面齒輪節(jié)錐設(shè)計新的收斂條件，利用綜合變位、優(yōu)化設(shè)計的方法，給出了齒數(shù)比為3∶60的準(zhǔn)雙曲面齒輪的幾何參數(shù)，完成了三維仿真和切齒試驗。

1 節(jié)錐設(shè)計

1.1 幾何限制條件

對于準(zhǔn)雙曲面齒輪，美國齒輪精度標(biāo)準(zhǔn)（AGMA）對齒數(shù)有一定限制，小輪的齒數(shù)不得小于5，小輪與大輪的齒數(shù)和不應(yīng)小于40。當(dāng)小輪齒數(shù)減小到5個以下時，必須考慮的因素有：嚙合限制條件、切削條件、強(qiáng)度平衡條件。

1.1.1 二類嚙合界限點限制條件

準(zhǔn)雙曲面齒輪存在二類嚙合界限點，為避免齒面出現(xiàn)二類嚙合界限點，可通過限制極限壓力角的辦法來解決［5］。限制極限壓力角計算公式為：

式中，符號的意義見文獻(xiàn)［6］，下同。本例限制極限壓力角α＜8°。

1.1.2 極限曲率半徑

在準(zhǔn)雙曲面齒輪設(shè)計上，為了保證輪齒兩側(cè)相同的嚙合特性，要求極限曲率半徑rlim為：

極限曲率半徑等于刀盤半徑rc作為節(jié)錐設(shè)計的收斂條件。為了提高工作側(cè)的嚙合強(qiáng)度，現(xiàn)在新的設(shè)計理念有意采用非對稱設(shè)計。因此，高減速比的準(zhǔn)雙曲面齒輪不再把此作為必須的收斂條件，而僅把其作為一個設(shè)計約束，即

1.1.3 切削限制條件

當(dāng)齒數(shù)比達(dá)到一定數(shù)值后，大輪的節(jié)錐角將接近90°，切削時大輪面錐將會與刀盤發(fā)生干涉，因此，應(yīng)限制大輪的節(jié)錐角：

因小輪的齒數(shù)很少，為避免其根切，同時防止其強(qiáng)度與大輪差別太大，根據(jù)傳動比的大小限制其當(dāng)量齒數(shù)：

本例限制小輪當(dāng)量齒數(shù)不少于50齒。

1.1.4 幾何限制條件

小輪的偏置距應(yīng)在合適的范圍內(nèi)，要求：

為了避免軸向力過大，限制大輪的螺旋角：

對于給定的傳動比，準(zhǔn)雙曲面齒輪的節(jié)錐并不唯一。要唯一的確定一對節(jié)錐，經(jīng)典的設(shè)計方法給出了諸多的限制條件，這在沒有計算機(jī)的年代當(dāng)然是有意義的。對于高減速比設(shè)計，對極限曲率半徑與刀盤半徑之間的關(guān)系不再作嚴(yán)格的限制。

1.2 新設(shè)計的收斂條件

為保證小輪的強(qiáng)度，以準(zhǔn)雙曲面齒輪的小輪加大因數(shù)取最大值為目標(biāo)求解。加大因數(shù)的計算公式如下［6］：

式（8）說明當(dāng)大輪或小輪的某一螺旋角為定值時，按照該條件準(zhǔn)雙曲面齒輪的小輪的體積可達(dá)到最大。

根據(jù)式（1）～式（8），可確定大小輪的節(jié)錐參數(shù)為：大小輪螺旋角、大小輪節(jié)錐角、節(jié)錐頂點到交叉點的距離。

2 輪齒幾何設(shè)計

輪齒的幾何設(shè)計主要根據(jù)大輪中點的參數(shù)確定大、小輪的齒頂高、工作齒高、齒根角、根錐、面錐等參數(shù)［6］。這一部分主要在于選取合適的齒高系數(shù)和齒頂高系數(shù)，避免齒頂變尖，同時通過綜合變位有意增大小輪的外徑。

2.1 小輪齒頂厚的限制

小輪的齒頂寬受徑向和切向變位系數(shù)的影響。本文設(shè)計的少齒數(shù)準(zhǔn)雙曲面齒輪的大輪采用成形法加工，故可以通過大輪精切的刀頂距來調(diào)整小輪的齒頂寬。大輪的刀頂距W2的計算公式為：

中點法向弧齒厚：

式中：α為中點平均壓力角；pn為中點齒距，pn＝πmn；kt為齒厚系數(shù)；ha1、ha2分別為小輪和大輪的齒根高；mn為小輪中點模數(shù)。

小輪的齒頂寬為：

式中：ra1為小輪齒頂圓半徑；r1為小輪分度圓半徑；αau、αav分別為小輪左側(cè)和右側(cè)齒頂壓力角；αu、αv分別為小輪左側(cè)和右側(cè)節(jié)點處壓力角。

式（10）的值一般不應(yīng)小于0.4倍的中點法向模數(shù)，即0.4mn。

2.2 最小齒槽寬的限制

要確保齒輪加工時良好的切削條件，小輪內(nèi)端的最小齒底槽寬應(yīng)做出一定的限制，不能太小，否則會給刀具的制造及切齒造成困難。該值一般也限定為0.4mn。其計算公式為：

式中：jmin為法向側(cè)隙；pin為內(nèi)端處的法向周節(jié)，

3 幾何參數(shù)的計算

3.1 選擇基本參數(shù)

一般情況下，需給定的基本參數(shù)為：大小輪齒數(shù)（z2，z1）、大輪節(jié)圓半徑（r2）、軸夾角（∑）、偏置距（E2）、刀盤半徑（rc）。

這些基本參數(shù)可根據(jù)用途、結(jié)構(gòu)、經(jīng)驗或優(yōu)化方法確定［6］。

3.2 節(jié)錐設(shè)計

以式（1）～式（7）為約束，以式（8）為目標(biāo)，優(yōu)化求解大小輪的節(jié)錐參數(shù)：小輪節(jié)錐參數(shù)δ1、β1、tz1，大輪節(jié)錐參數(shù)δ2、β2、tz2。

3.3 輪齒幾何參數(shù)計算

根據(jù)式（10）和式（11）的限定條件，選取合適的齒高系數(shù)、齒頂高系數(shù)和弧齒厚修正系數(shù)。計算輪齒的幾何參數(shù)：大小輪齒頂高、工作齒高、齒根角、根錐、面錐等參數(shù)［6］。根據(jù)上述過程，利用MatLab編程計算得到3∶60準(zhǔn)雙曲面齒輪的幾何參數(shù)，如表1所示。

表1 齒輪的幾何參數(shù)

4 輪齒的三維仿真與切齒試驗

4.1 輪齒的三維仿真

大輪節(jié)錐角大于75°時都采用成形法加工，而本例的大輪節(jié)錐角達(dá)到了85°，所以其更接近于冠輪的形狀，其理論齒廓也更接近于直線廓形。利用Matlab軟件編程計算出三維離散坐標(biāo)點［5］，然后導(dǎo)入到UG軟件中進(jìn)行三維實體造型［7］，得到成形法60個齒的大輪形狀，如圖1所示。然后，利用大輪包絡(luò)小輪的原理，仿真小輪的實體模型，小輪的實際加工模型與全共軛模型齒面會有幾到幾十微米修形量的差別，不影響對輪齒形狀的判斷。小輪的三維模型如圖2所示。在大輪和小輪的實體建模過程中，沒有考慮輪齒的嚙合側(cè)隙，這不影響對輪齒幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、齒頂變尖、根切的判斷［8］。由圖2可看出：小輪齒數(shù)減小到3個齒后，齒形沒有發(fā)生異變，說明所選取的螺旋角、變位系數(shù)合適［9］。當(dāng)減速比達(dá)到20時，3齒小輪的方案是可行的。

圖1 成形法60齒大輪

圖2 準(zhǔn)雙曲面3齒的小輪

4.2 切齒試驗

為了進(jìn)一步檢驗齒數(shù)比為3∶60準(zhǔn)雙曲面齒輪的設(shè)計，在GH-35銑齒機(jī)上進(jìn)行了切齒試驗。大輪利用成形加工，大輪面錐與刀盤沒有干涉現(xiàn)象發(fā)生［10］。在大輪切齒過程中發(fā)現(xiàn)85°幾乎是大輪面錐的極限值，否則刀盤將與其干涉，破壞齒的切削。

圖3 3∶60齒的準(zhǔn)雙曲面齒輪

由于所選齒輪模數(shù)小，小輪利用普通滾切法雙面加工。切制出的大、小輪如圖3所示，其輪齒形狀與前述所建立的三維實體模型（見圖1和圖2）外形上一致［11］，驗證了本文關(guān)于少齒輪大速比準(zhǔn)雙曲面齒輪設(shè)計方法的可行性。

由于所選算例齒輪尺寸小，而本次試驗重點在研究高減速比準(zhǔn)雙曲面齒輪的齒形變化，所以沒有進(jìn)行滾檢試驗。下一步研究工作的重點將在控制其接觸質(zhì)量上。

5 結(jié)論

（1）高減速比準(zhǔn)雙曲面齒輪設(shè)計的關(guān)鍵在節(jié)錐的確定和輪齒幾何系數(shù)的選取，恰當(dāng)?shù)墓?jié)錐參數(shù)、輪齒參數(shù)可避免輪坯干涉和小輪的齒形異變。

（2）對于接觸質(zhì)量要求不是很高的小模數(shù)高減速比準(zhǔn)雙曲面齒輪可以利用雙面法加工。

（3）對于傳動比到達(dá)20的準(zhǔn)雙曲面齒輪，在幾何設(shè)計和加工上仍然是可行的。

［1］Hermann S.Tribology Aspects in Angular Transmission Systems Part VIII：Super-Reduction Hypoid Gears［J］.Gear Technology，2011（8）：42－48.

［2］ 張金良，方宗德，鄧效忠.大速比準(zhǔn)雙曲面齒輪的設(shè)計與分析［J］.機(jī)床與液壓，2007，35（4）：13－15.

［3］ 魏冰陽，張輝，仝昂鑫，等.少齒數(shù)大速比準(zhǔn)雙曲面齒輪的三維仿真與試驗［J］.機(jī)械傳動，2014，38（10）：155－157.

［4］ 張輝.少齒數(shù)大減速比準(zhǔn)雙曲面齒輪的三維仿真與實驗［D］.洛陽：河南科技大學(xué)，2014.

［5］ Litvin F L.Gear Geometry and Applied Theory［M］.New Jersey：Prentice Hall，1994.

［6］ 鄧效忠，魏冰陽.錐齒輪設(shè)計的新方法［M］.北京：科學(xué)出版社，2012：54－55.

［7］ 王利環(huán)，魏冰陽.準(zhǔn)雙曲面齒輪節(jié)錐參數(shù)設(shè)計的新方法［J］.河南科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2008，29（2）：25－27.

［8］ 楊建軍，魏冰陽，周彥偉，等.準(zhǔn)雙曲面齒輪設(shè)計加工集成系統(tǒng)的開發(fā)［J］.河南科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2004，25（25）：17－20.

［9］ 陳武營.準(zhǔn)雙曲面齒輪三維接觸橢圓的可視化［J］.機(jī)械傳動，2008，32（2）：27－29.

［10］ 劉芳，吳訓(xùn)成，張欽超.準(zhǔn)雙曲面齒輪副幾何參數(shù)設(shè)計研究現(xiàn)狀與展望［J］.上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2010，24（2）：127－129.

［11］ 王紅芳.基于Excel、Matlab與UG的準(zhǔn)雙曲面齒輪精確建模研究［J］.現(xiàn)代機(jī)械，2010（5）：11－12，49.

TH132

A

1672－6871（2015）05－0015－04

國家自然科學(xué)基金項目（51375144）

魏冰陽（1966－），男，河南嵩縣人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事齒輪嚙合理論及先進(jìn)制造技術(shù)方面的研究.

2015－01－23