摘要
小交错角齿轮传动一直是传动领域的技术难点。空间小交错角传动在高速船舶动力传动、四驱车辆动力分动以及直升机尾轴传动等领域具有不可替代的优势和广泛的应用前景。小交错角工况下，准双曲面齿轮与渐开线齿轮相比，结构紧凑、承载能力大、交角适用范围宽且可预置啮合特性，具有更好的综合传动特性。但交错角与偏置距等设计参数的极端变化导致其齿形演化与啮合机理几何关联不清楚，基于正交安装的准双曲面齿轮设计方法不适用，传统加工参数计算方法与刀盘半径选取方法无法通用，严重制约其推广应用。论文从上述技术难点出发，对节圆锥设计、加工参数计算、啮合特性分析等领域开展研究：建立小交错角准双曲面齿轮节圆锥数学模型；揭示小交错角工况下准双曲面齿轮齿形演化机理；提出基于啮合性能预置的长锥距准双曲面齿轮加工参数计算方法；创新了针对小交错角准双曲面齿轮的几何参数初值选取法则和齿形优化方法；探究不同外载荷以及安装参数对齿轮啮合特性的影响。研究成果对小交错角工况下的准双曲面齿轮传动啮合机理、齿形设计、加工方法以及齿面优化具有重要意义，也为相关领域技术人员提供理论支撑与参考。 论文主要内容如下： ①研究了配对节圆锥空间切触点与单叶双曲面瞬时轴线间距和大轮参考点螺旋角之间的变化规律，建立了小交错角节圆锥副数学模型，推导了交错轴齿轮副三大几何关系式以及齿坯几何参数表达式，揭示了弧齿锥齿轮极限法曲率与极限压力角间的几何关联，提出了针对任意交角准双曲面齿轮考虑大轮螺旋角与小轮辅助角为迭代变量，偏置距和极限法曲率为判定条件的通用节圆锥设计方法；标准收缩是满足小交错角准双曲面齿轮且不出现齿面缺陷的齿制。 ②建立了考虑假象刀盘空间位置的面铣准双曲面齿轮通用数学模型；利用二维投影法将齿面离散化成点云来记录齿面独有几何特征；推导了基于罗戈里德斯公式的成形法大轮主曲率主方向计算公式，提出了基于局部共轭点的齿面啮合特性参数预设方法，推导了与已知大轮配对的小轮机床加工参数通用设计公式；提出考虑机床根锥角迭代的“五刀法”准双曲面齿轮齿根平滑过渡优化方法；形成一套高收敛性、高计算效率的准双曲面齿轮副啮合特性控制流程。 ③建立了小交错角准双曲面齿轮小轮、大轮数学模型；针对小交错角准双曲面齿轮TCA方程收敛性差的问题，提出了基于Sheveleva离散思想的齿面接触分析模型，并通过齿面承载接触分析方法对上述计算结果进行了验证，结果显示：齿面接触印痕位置围绕共轭点均匀分布，接触印痕位置中心与预设共轭点位置一致，接触椭圆长度与给定值一致，传递误差峰峰值呈对称抛物线。 ④建立了考虑不同基本几何参数的小交错角准双曲面齿轮齿面几何形貌数学模型，探究了齿面根切、齿轮小端旋向改变、齿顶变尖以及齿根过渡段错层等齿面缺陷形成原因与规避方法。揭示了小交错角工况下不同基本设计参数对齿面几何形貌的影响规律，提出了针对小交错角准双曲面齿轮基本参数界限计算的技术路线与封闭图，建立了考虑安全系数的小交错角面铣准双曲面齿轮基本设计参数选取范围。 ⑤采用齿面理论接触分析与承载分析相结合的方法，探究了在不同外载荷、安装误差下小交错角准双曲面齿轮啮合特性变化规律。针对小交错角准双曲面齿轮首次提出了考虑大、小轮轴向位移补偿安装误差的方法，该方法通过齿面接触分析与承载分析验证，得出了大、小轮轴向位置误差可相互补偿，偏置距、轴交角误差可通过大、小轮轴向位移补偿等结论。 ⑥搭建了小交错角齿轮传动演示平台，提出了基于多轴联动数控技术的长节锥距弧齿锥齿轮加工数学模型，揭示了传统机械式机床与数控机床间加工参数对应关系，研究了长节锥距弧齿锥齿轮大、小轮加工参数与机床行程间的关系，对小交错角准双曲面齿轮进行了切齿加工。
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