本發(fā)明涉及一種螺旋錐齒輪凹模齒面設(shè)計(jì)方法及螺旋錐齒輪加工方法。

背景技術(shù)：

螺旋錐齒輪廣泛應(yīng)用在工業(yè)，農(nóng)業(yè)，國防等重要機(jī)械傳動(dòng)領(lǐng)域，其承載能力和傳動(dòng)平穩(wěn)性能大大優(yōu)于直齒錐齒輪，能很好地滿足高速重載傳動(dòng)要求，其優(yōu)良的性能也促使了研究人員對(duì)其設(shè)計(jì)與加工技術(shù)的深入研究。隨著直齒錐齒輪的精鍛技術(shù)的成熟及推廣應(yīng)用，螺旋錐齒輪的精密成形加工日益受到人們的重視。傳統(tǒng)的齒輪切削加工方式破壞了金屬纖維流線組織，降低了齒輪的齒根彎曲疲勞強(qiáng)度、齒面耐磨性等，同時(shí)，生產(chǎn)效率低，材料利用率低，生產(chǎn)成本高。因此，以精密鍛造取代現(xiàn)行的銑削加工是必然趨勢(shì)。

對(duì)于螺旋錐齒輪來說，其嚙合特性，包括接觸印痕大小、位置、接觸跡線的方向、傳動(dòng)誤差曲線形狀等會(huì)對(duì)齒輪副的傳動(dòng)性能影響較大。目前，螺旋錐齒輪的加工一般先根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)直接加工出其大輪和小輪，對(duì)于螺旋錐齒輪的小輪，由于其螺旋角較大，其精鍛制造尚無法進(jìn)行，目前的螺旋錐齒輪精鍛主要是針對(duì)大輪進(jìn)行，由于大輪精鍛后齒面的變形，齒面接觸區(qū)，齒面嚙合跡線等接觸性能無法滿足預(yù)先設(shè)計(jì)，需要對(duì)小輪齒面重新進(jìn)行二次修整加工。同時(shí)，由于小輪齒面相對(duì)于大輪齒面本身就較為復(fù)雜，大輪鍛造后的變形使小輪的修整比較繁瑣，因此造成二次修整后也難以滿足預(yù)定的設(shè)計(jì)要求，造成傳動(dòng)時(shí)振動(dòng)和噪聲較大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種無需對(duì)小輪進(jìn)行二次修整即可滿足嚙合傳動(dòng)要求的螺旋錐齒輪凹模齒面設(shè)計(jì)方法；本發(fā)明的目的還在于提供一種螺旋錐齒輪加工方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的螺旋錐齒輪凹模齒面設(shè)計(jì)方法的技術(shù)方案是：

1)以實(shí)際加工出的小輪的齒面參數(shù)為基準(zhǔn)參數(shù)，結(jié)合大輪與小輪的傳動(dòng)關(guān)系以及齒面接觸性能、大輪齒面鍛造后的變形量，計(jì)算出大輪齒面的參數(shù)；

2)根據(jù)該大輪齒面的三維坐標(biāo)點(diǎn)得到用于鍛造大輪齒面的凹模齒面的三維坐標(biāo)點(diǎn)。

過程1)具體包括以下步驟：

第一步，根據(jù)機(jī)床加工的小輪齒面的實(shí)際參數(shù)，推導(dǎo)具有一定傳動(dòng)比關(guān)系的共軛大輪齒面π0，大輪和小輪的一對(duì)嚙合齒從嚙入點(diǎn)到嚙出點(diǎn)的傳動(dòng)比關(guān)系表示如下：其中φ2表示大輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，φ1表小輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，c1,c2…,cn表示傳動(dòng)系數(shù)；

第二步，將共軛大輪齒面π0繞其軸線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)投影，得到齒面的投影面，對(duì)該平面齒面進(jìn)行離散化，建立齒面的離散坐標(biāo)系xoy，齒面上每個(gè)離散點(diǎn)的坐標(biāo)記為p0^ij(xp，yp)；

第三步，將共軛大輪齒面π0作為基準(zhǔn)面，根據(jù)傳動(dòng)性能要求建立相對(duì)于共軛大輪齒面的二次偏差曲面，二次偏差曲面點(diǎn)p0^ij(xp，yp)的偏差表示為：δ^ij＝a(xpcosβ-ypsinβ-b)，其中，a表示修形量大小，β表示嚙合跡線與x軸的夾角，b表示嚙合跡線的位置；

第四步，根據(jù)大輪輪齒的精鍛的齒面變形規(guī)律，對(duì)變形后的大輪齒面進(jìn)行曲面擬合，獲得對(duì)應(yīng)齒面點(diǎn)p0^ij(xp，yp)的變形量數(shù)值δ^ij；

第五步，將齒面的偏差和變形量與大輪共軛齒面π0進(jìn)行疊加，得到最終的適合大輪精鍛的目標(biāo)齒面∑2，目標(biāo)齒面上任一點(diǎn)p2^ij的坐標(biāo)表示為r2^ij＝r0^ij+n0^ij(δ^ij+δ^ij)。

螺旋錐齒輪凹模齒面設(shè)計(jì)方法所針對(duì)的螺旋錐齒輪為格里森制或奧利康制齒輪。

本發(fā)明的螺旋錐齒輪加工方法的技術(shù)方案是：

1)根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)加工出小輪；

2)以實(shí)際加工出的小輪的齒面參數(shù)為基準(zhǔn)參數(shù)，結(jié)合大輪與小輪的傳動(dòng)關(guān)系以及齒面接觸性能、大輪齒面鍛造后的變形量，計(jì)算出大輪齒面點(diǎn)的三維坐標(biāo)；

3)根據(jù)該大輪齒面的參數(shù)得到用于鍛造大輪齒面的凹模齒面點(diǎn)的三維坐標(biāo)；

4)根據(jù)大輪齒面的凹模齒面的參數(shù)加工出凹模，并使用凹模鍛造加工出大輪。

過程2)具體包括以下步驟：

第一步，根據(jù)機(jī)床加工的小輪齒面的實(shí)際參數(shù)，推導(dǎo)具有一定傳動(dòng)比關(guān)系的共軛大輪齒面π0，大輪和小輪的一對(duì)嚙合齒從嚙入點(diǎn)到嚙出點(diǎn)的傳動(dòng)比關(guān)系表示如下：其中φ2表示大輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，φ1表小輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，c1,c2…,cn表示傳動(dòng)系數(shù)；

第二步，將共軛大輪齒面п0繞其軸線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)投影，得到齒面的投影面，對(duì)該平面齒面進(jìn)行離散化，建立齒面的離散坐標(biāo)系xoy，齒面上每個(gè)離散點(diǎn)的坐標(biāo)記為p0^ij(xp，yp)；

第三步，將共軛大輪齒面π0作為基準(zhǔn)面，根據(jù)傳動(dòng)性能要求建立相對(duì)于共軛大輪齒面的二次偏差曲面，二次偏差曲面點(diǎn)p0^ij(xp，yp)的偏差表示為：δ^ij＝a(xpcosβ-ypsinβ-b)，其中，a表示修形量大小，β表示嚙合跡線與x軸的夾角，b表示嚙合跡線的位置；

第四步，根據(jù)大輪輪齒的精鍛的齒面變形規(guī)律，對(duì)變形后的大輪齒面進(jìn)行曲面擬合，獲得對(duì)應(yīng)齒面點(diǎn)p0^ij(xp，yp)的變形量數(shù)值δ^ij；

第五步，將齒面的偏差和變形量與大輪共軛齒面∏0進(jìn)行疊加，得到最終的適合大輪精鍛的目標(biāo)齒面∑2，目標(biāo)齒面上點(diǎn)p2^ij的坐標(biāo)表示為r2^ij＝r0^ij+n0^ij(δ^ij+δi^j)。

螺旋錐齒輪凹模齒面設(shè)計(jì)方法所針對(duì)的螺旋錐齒輪為格里森制或奧利康制齒輪。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提出了一種適合螺旋錐齒輪加工的加工方法，其包括螺旋錐齒輪凹模齒面設(shè)計(jì)方法，以實(shí)際加工出的小輪的齒面參數(shù)為基準(zhǔn)參數(shù)，結(jié)合大輪與小輪的傳動(dòng)關(guān)系以及齒面接觸性能、大輪齒面鍛造后的變形量，計(jì)算出大輪齒面的參數(shù)，根據(jù)該大輪齒面的參數(shù)得到用于鍛造大輪齒面的凹模齒面的參數(shù)，使鍛造后大輪齒面與小輪齒面滿足預(yù)定的嚙合性能，避免了重新對(duì)小輪齒面進(jìn)行修配的二次加工，簡化了螺旋錐齒輪的加工工序，提高了加工效率，而且加工出的螺旋錐齒輪質(zhì)量高，大輪與小輪之間嚙合傳動(dòng)時(shí)振動(dòng)和噪音小。

附圖說明

圖1為螺旋錐齒輪共軛大輪的旋轉(zhuǎn)投影示意圖；

圖2為接觸跡線的位置和方向示意圖；

圖3為二次偏差曲面的示意圖；

圖4為齒面變形圖；

圖5為接觸分析結(jié)果示意圖；

圖中：1-齒根，2-齒頂，3-預(yù)定接觸跡線，a-計(jì)算數(shù)據(jù)，b-預(yù)置曲線，c-大輪轉(zhuǎn)角誤差，d-小輪轉(zhuǎn)角。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式作進(jìn)一步說明。

本發(fā)明的格里森制的螺旋錐齒輪加工方法的具體實(shí)施例，如圖1至圖5所示，包括如下步驟：首先根據(jù)小輪的設(shè)計(jì)參數(shù)加工出小輪，然后通過螺旋錐齒輪凹模齒面設(shè)計(jì)方法得到大輪齒面對(duì)應(yīng)的凹模齒面的參數(shù)，也即是得到目標(biāo)齒面上任意點(diǎn)的坐標(biāo)，最后根據(jù)大輪齒面的凹模齒面的參數(shù)就可以在數(shù)控加工中心上，將用于螺旋錐齒輪大輪精鍛的凹模(齒模)加工出來，然后使用凹模鍛造加工出大輪。

其中，通過螺旋錐齒輪凹模齒面設(shè)計(jì)方法得到大輪齒面對(duì)應(yīng)的凹模齒面的參數(shù)的具體步驟如下：

(1)根據(jù)機(jī)床銑削加工的小輪齒面的實(shí)際參數(shù)，推導(dǎo)具有一定傳動(dòng)比關(guān)系的共軛大輪齒面∏0。

輪坯參數(shù)和小輪的加工參數(shù)如表所示：

根據(jù)嚙合原理，含預(yù)定傳動(dòng)關(guān)系的大輪共軛齒面∏0可根據(jù)下式得到：

式中小輪齒面表示為r1(up,θp)，π0的齒面方程表示為r0(up,θp)，m01是小輪齒面到大輪齒面的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，v⁰¹是二者在嚙合點(diǎn)處的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。小輪和大輪之間的傳動(dòng)關(guān)系表示為：其中φ2表示大輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，φ1表小輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

c1,c2…,cn表示傳動(dòng)系數(shù)，根據(jù)傳動(dòng)關(guān)系和位置矢量可以求出嚙合點(diǎn)處的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度v⁰¹。

(2)將共軛大輪齒面π0繞其軸線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)投影，得到大輪齒面的投影面γ0，對(duì)該平面齒面離散化，進(jìn)行行、列網(wǎng)格劃分，建立齒面的離散坐標(biāo)系xoy，齒面上每離散點(diǎn)的坐標(biāo)記為p0^ij(xp，yp)，i，j表示點(diǎn)的行、列數(shù)。

(3)將共軛大輪齒面∑0作為基準(zhǔn)面，對(duì)共軛大輪齒面進(jìn)行修形，沿接觸跡線方向不修形，對(duì)大輪齒面其他區(qū)域進(jìn)行修形，修形量的多少根據(jù)接觸橢圓的大小和方向決定。根據(jù)傳動(dòng)性能要求建立相對(duì)于共軛大輪齒面的二次偏差曲面∑δ，p0^ij(xp，yp)的偏差表示為：

δ^ij＝a(xpcosβ-ypsinβ-b)

其中，a表示修形量大小，取0.000755，β表示嚙合跡線與x軸的夾角，取為40度，b表示嚙合跡線的位置，取-2mm。

(4)根據(jù)大輪輪齒的精鍛的齒面變形規(guī)律，對(duì)變形后的大輪齒面進(jìn)行曲面擬合,得到擬合齒面∑δ，獲得對(duì)應(yīng)齒面p0^ij(xp，yp)點(diǎn)的變形量數(shù)值δ^ij。

(5)將大輪齒面的偏差和變形量與大輪共軛齒面π0進(jìn)行疊加，得到最終的適合大輪精鍛的目標(biāo)齒面參數(shù)∑2。目標(biāo)齒面上點(diǎn)p2^ij的坐標(biāo)表示為r2^ij＝r0^ij+n0^ij(δ^ij+δ^ij)，因此可得到目標(biāo)齒面上任意點(diǎn)的坐標(biāo)。

以上實(shí)施例僅用于幫助理解本發(fā)明的核心思想，不能以此限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員，凡是依據(jù)本發(fā)明的思想，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行修改或者等同替換，在具體實(shí)施方式及應(yīng)用范圍上所做的任何改動(dòng)，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

本發(fā)明的螺旋錐齒輪加工方法不僅可用于格里森制的螺旋錐齒輪，也可用于奧利康制的，或者其他齒形的螺旋錐齒輪。

本發(fā)明的螺旋錐齒輪凹模齒面設(shè)計(jì)方法與本發(fā)明的螺旋錐齒輪加工方法的實(shí)施例中的螺旋錐齒輪凹模齒面設(shè)計(jì)方法的相同，不再贅述。