专利名称：一种便于实现参数化的渐开线直齿锥齿轮变曲率精确修鼓方法
技术领域：
本发明涉及一种齿轮制造方法，尤其是涉及一种便于实现参数化的渐开线直齿锥齿轮变曲率精确修鼓方法。
背景技术：
由于渐开线直齿锥齿轮副在实际工作中受复杂载荷的影响，使得齿轮系统产生各种弹性变形、热变形，加之齿轮的安装制造误差等因素的影响会导致齿轮的实际工作状态偏离理论工作状态，齿轮副出现严重的振动、冲击及噪声和“端啮”现象，针对于此，需要对轮齿进行修形设计以改善上述现象，而传统的对称等半径圆弧修鼓虽然能在一定程度上改善以上现象，但是由于实际工作中的齿轮两端载荷分布并非完全相同，误差也不完全按圆弧鼓形分布，因此其在复杂的工况下不能获得最优的修形效果，所以需要针对具体的工况对齿轮进行目标变曲率鼓形修形，然而由于变曲率鼓形修形的复杂性，利用常规空间球面渐开线拉伸扫掠标准齿轮模型齿面去除材料的方法已经不能满足精确变曲率鼓形修形建模的要求，同时这种方法不能实现变曲率鼓形修形的参数化建模。传统的渐开线直齿圆锥齿轮的加工方法主要有刨齿法、双刀盘铣销法和圆拉法，但是这些方法必须需配有相应后续加工才能实现锥齿轮修形，增加了齿轮制造成本。公开号CN1480291A的齿轮修形方法应用在直齿圆柱齿轮上，该方法先加工出理论齿轮零件，然后采用滚、剃或者磨的方法在已加工出的零件的基础上进行修鼓。公开号CN85102760B则是对已加工出的谐波齿轮零件进行电化学腐蚀修形。公开号CN1614526的齿轮修形方法则是采用数控机床加工出修形齿轮，不需要再对齿轮进行后续加工。这种方法对两齿轮同时进行齿向修形，增加了修形齿轮的设计和加工难度，齿廓修形方面，采用了样条曲线拟合作为齿廓修形曲线。公开号CN1932707是对标准直齿锥齿轮进行去除材料的方法获得修形锥齿轮模型，且对齿向采用的是中心对称等半径圆弧修鼓的方法，不能获得适用于具体工况的最优修形效果。公开号CN1936749A将两条理论渐开线分别绕齿轮中性轴旋转，将两条理论渐开线旋转后的曲线的起始端点连成等半径圆弧，作为扫描轨迹线，从而形成齿向修形曲线为等半径圆弧的齿端修形锥齿轮模型，然而当啮合歪斜度大时会产生严重的“端啮”应力集中。公开号CN101937211A的发明专利提供了一种技术方案，该方案为渐开线直齿圆锥齿轮修形方法，其主要步骤包括确定齿向修形位置、修形量，齿廓修形量；求解空间球面渐开线笛卡尔坐标方程；在三维造型软件中生成球面渐开线，经曲面填充形成球面渐开面，基于球面渐开面实现直齿锥齿轮实体造型；在轮齿中心截面上做出齿向修形廓形，将廓形向齿面等距拉伸实现齿向等距修形；齿廓进行齿顶圆弧修形；将修形齿轮模型转化为数控代码导入数控机床实现修形锥齿轮的加工。该发明通过控制等距修形的位置和修形量，也可较好地控制轮齿的应力分布，补偿轮齿的变形；降低锥齿轮副对误差、载荷变化的敏感性；从而锥齿轮副传动精度提高，振动、噪声降低，齿轮寿命延长。综上所述，由于齿轮的形状不同和齿轮修形的目的不同，有关齿轮的修形的技术方案差别也较大，但是普遍存在的问题一是没有实现适用于具体工况的便于参数化的变曲率修鼓齿轮模型的精确建模，这对提高修形锥齿轮模型的精确度及后续有限元模拟的精度作用甚小；二是无论是主动齿轮，还是从动齿轮均需要修形，增加了修形齿轮的设计和加工难度；三是目前的Solidworks、PR0/E及UG等虽然是强大的用于机械设计的三维实体造型工具，但其由曲面方程来生成曲面的功能较弱，因而这限制了其在变曲率鼓形修形齿轮三维实体造型上的应用，而数学工具Matlab虽然能方便的绘制与处理复杂的曲面，但是它生成的图形不能直接用于机械设计，这些问题限制了在齿轮修形方面的应用。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明方法提供了一种便于实现参数化的渐开线直齿锥齿轮变曲率精确修鼓方法，可以通过数控技术直接实现修形直齿锥齿轮产品或模具电极的加工；针对直齿锥齿轮副，只对主动齿轮进行变曲率修形，从动齿轮不修形。本发明解决其技术问题所采取的技术方案是一种便于实现参数化的渐开线直齿锥齿轮变曲率精确修鼓方法，包括以下步骤(I)调整三维实体造型工具Solidworks、有限元分析工具ANSYS的坐标系使其一致，利用ANSYS网格划分技术提取齿面上具有代表性的节锥处节点坐标，并将其导入至Solidworks中画出齿面上沿齿宽方向的节锥处的所有节点；(2)只对主动齿轮进行修形，被动齿轮不修形；基于ANSYS/LS-DYNA动态接触有限元分析技术，得到齿轮副轮齿节锥线上节点的弹性变形量，在Solidworks中建立未修形主动齿轮模型节锥处的齿面法向基准面，由变形量沿齿面的法向向轮齿内画出节锥处所有节点变形后的位置，并提取节点坐标；(3)把步骤(2)中得到的齿面上节锥处的节点弹性变形后的坐标导入Matlab中进行非线性拟合，得出主动齿轮轮齿节锥处法向基准面上的变曲率修鼓曲线方程；(4)基于标准空间球面渐开线方程，由鼓形齿形成原理结合在节锥处拟合出的变曲率修鼓曲线方程推导出修形齿面参数方程，这同时能为实现变曲率鼓形齿面的参数化建模提供理论基础；(5)根据修形齿面参数方程，利用Matlab绘制变曲率鼓形修形齿面，并提取该齿面上点的坐标，保存成格式文件以便导入到Imageware中进行拟合曲面；(6)把步骤(5)保存的格式文件导入至Imageware中进行反求建立修形齿面,然后再导入Solidworks中完成修形齿轮的三维实体模型的建立；(7)将完成修形齿轮的三维实体模型转化为数控代码导入至数控机床，直接实现修形直齿锥齿轮产品或模具电极的加工。在上述步骤(5)中所述的格式文件为.Pts格式。在上述步骤(6)中对得到的反求建立修形齿面使用高光线法检测曲面，直到达到曲面要求的光顺度和精度。为了进一步完善本技术方案，本发明的渐开线直齿圆锥齿轮修形方法，特别之处还在于所述标准空间球面渐开线方程为
权利要求
1.一种便于实现参数化的渐开线直齿锥齿轮变曲率精确修鼓方法，包括以下步骤(1)调整三维实体造型工具Solidworks、有限元分析工具ANSYS的坐标系使其一致，利用ANSYS网格划分技术提取齿面上具有代表性的节锥处节点坐标，并将其导入至 Solidworks中画出齿面上沿齿宽方向的节锥处的所有节点；(2)只对主动齿轮进行修形，被动齿轮不修形；基于ANSYS/LS-DYNA动态接触有限元分析技术，得到齿轮副轮齿节锥线上节点的弹性变形量，在Solidworks中建立未修形主动齿轮模型节锥处的齿面法向基准面，由变形量沿齿面的法向向轮齿内画出节锥处所有节点变形后的位置，并提取节点坐标；(3)把步骤(2)中得到的齿面上节锥处的节点弹性变形后的坐标导入Matlab中进行非线性拟合，得出主动齿轮轮齿节锥处法向基准面上的变曲率修鼓曲线方程；(4)基于标准空间球面渐开线方程，由鼓形齿形成原理结合在节锥处拟合出的变曲率修鼓曲线方程推导出修形齿面参数方程，这同时能为实现变曲率鼓形齿面的参数化建模提供理论基础；(5)根据修形齿面参数方程，利用Matlab绘制变曲率鼓形修形齿面，并提取该齿面上点的坐标，保存成格式文件以便导入到Imageware中进行拟合曲面；(6)把步骤(5)保存的格式文件导入至Imageware中进行反求建立修形齿面，然后再导入Solidworks中完成修形齿轮的三维实体模型的建立；(7)将完成修形齿轮的三维实体模型转化为数控代码导入至数控机床，直接实现修形直齿锥齿轮产品或模具电极的加工。
2.根据权利要求1所述的便于实现参数化的渐开线直齿锥齿轮变曲率鼓形修形方法， 其特征是，上述步骤(5)中所述的格式文件为.Pts格式。
3.根据权利要求1所述的便于实现参数化的渐开线直齿锥齿轮变曲率鼓形修形方法， 其特征是，在上述步骤(6)中对得到的反求建立修形齿面使用高光线法检测曲面，直到达到曲面要求的光顺度和精度。
4.根据权利要求1所述的便于实现参数化的渐开线直齿锥齿轮变曲率鼓形修形方法， 其特征是，所述锥齿轮的标准空间球面渐开线方程为
5.根据权利要求1或2或3或4任何之一所述的便于实现参数化的渐开线直齿锥齿轮变曲率鼓形修形方法，其特征是，所用的三维实体造型工具是Solidworks，有限元分析工具是ANSYS/LS-DYNA，数学工具是Matlab，反求建模工具是Imageware。
全文摘要
一种便于实现参数化的渐开线直齿锥齿轮变曲率精确修鼓方法,属于齿轮制造领域，本方案充分利用ANSYS/LS-DYNA、Imageware、Matlab及Solidworks，实现了变曲率鼓形修形直齿锥齿轮模型的精确的造型，同时也可以由本发明所推导的变曲率鼓形齿面方程，基于均匀B样条曲面方程理论编制程序以实现变曲率修鼓齿面的参数化建模，提高了修形锥齿轮模型的精确度及后续有限元模拟的精度，通过数控技术直接实现修形直齿锥齿轮产品或模具电极的加工；针对直齿锥齿轮副，只对主动齿轮进行变曲率修形，从动齿轮不修形，降低了修形齿轮的设计和加工难度。
文档编号G06F17/50GK103034751SQ20121044587
公开日2013年4月10日 申请日期2012年11月9日 优先权日2012年11月9日
发明者崔焕勇, 张方友, 田希杰 申请人:济南大学