【正文】 面齒輪實驗方案設(shè)計與實驗畢業(yè)論文目錄 第一章 緒論 1 選題背景 1 面齒輪傳動的特點 1 面齒輪傳動研究的歷史與現(xiàn)狀 2 本文的研究意義 3 本文的研究內(nèi)容 4 第二章 實驗方案設(shè)計與試驗件初步設(shè)計 5 分扭—并車傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特點 5 分扭—并車傳動系統(tǒng) 5 分扭—并車傳動系統(tǒng)特點 5 齒輪的初步設(shè)計 6 齒形及齒輪精度 6 齒輪幾何尺寸的確定 7 齒輪寬度的確定 8 齒輪的校核 9 傳動軸的初步設(shè)計 12 傳動系統(tǒng)相關(guān)傳動參數(shù)的計算 12 輸入軸的設(shè)計計算 13 中間軸8的設(shè)計計算 15 中間軸9的設(shè)計計算 16 輸出軸10的設(shè)計計算 17 本章小結(jié) 18 第三章 實驗箱的設(shè)計與三維建模 19 ProE的軟件概述 19 ProE的簡介 19 ProE功能和特點介紹 19 齒輪以及軸的三維建模 20 圓柱直齒輪的參數(shù)化建模 20 面齒輪的建模 23 軸的建模 24 箱體的設(shè)計與三維建模 25 左箱體的設(shè)計與建模 25 主體體的設(shè)計與建模 27 右箱體的設(shè)計與建模 27 模型的裝配 28 各個子箱體的裝配 28 箱體總裝配圖 29 本章小結(jié) 30 第四章 關(guān)重件靜力學(xué)分析和模態(tài)分析 33 ANSYS的軟件介紹 33 ANSYS簡介 33 ANSYS的應(yīng)用 33 ANSYS分析問題的基本過程 34 齒輪的模態(tài)分析 35 模態(tài)分析概述 35 面齒輪3的模態(tài)分析 35 齒輪6的模態(tài)分析 38 軸的靜力分析 40 靜力分析概述 40 軸的靜力學(xué)分析 40 本章小結(jié) 43 第五章 總結(jié)與展望 45 總結(jié) 45 展望 45 參考文獻 47 致謝 49 畢業(yè)設(shè)計小結(jié) 51II1 第一章 緒論 選題背景面齒輪傳動（Face Gear Drive）是一種圓柱齒輪和面齒輪相嚙合的傳動。主要用來傳遞軸與軸包含一個交角的運動。面齒輪可以看作錐齒輪的一種特殊型式。根據(jù)面齒輪上輪齒的形狀不同可以把面齒輪分為直齒、斜齒和弧齒三種。根據(jù)面齒輪傳動的兩個軸之間的相互位置關(guān)系分為相交和交錯兩種情況。面齒輪傳動具有裝置體積小、傳動比大的特點，一般大于 、重量輕和振動噪聲小等優(yōu)點，在航天領(lǐng)域有著不可比擬的優(yōu)勢，也因此引起各國學(xué)者的研究興趣。面齒輪在國外已得到實際應(yīng)用，成功的應(yīng)用到直升機傳動系統(tǒng)中。隨著國內(nèi)對面齒輪的重視，南航和西工大等高校都對其展開了研究，并取得不少成果[1]。 面齒輪傳動的特點面齒輪傳動與錐齒輪傳動一樣,都是傳遞包含一定交角的運動。通過對比這兩種傳遞方式的優(yōu)缺點,就可以了解面齒輪的傳動特點。相對于錐齒輪傳動，面齒輪傳動具有以下幾方面的優(yōu)點[25]:(1)面齒輪傳動是通過面齒輪與圓柱齒輪的相互嚙合來實現(xiàn)傳動。由于小齒輪為圓柱齒輪,其軸向移動產(chǎn)生的誤差對傳動性能幾乎沒有影響。而在錐齒輪傳動過程中,兩錐齒輪的錐頂要重合。如果產(chǎn)生軸向誤差,將會引起嚴(yán)重的偏載現(xiàn)象。因此,在一些重要的錐齒輪傳動中,要專門進行防位錯(防止錐頂分離)設(shè)計。同時,由于面齒輪傳動的小齒輪是直齒圓柱齒輪,無軸向作用力可以簡化支撐,減輕系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)重量,這對于航空工業(yè)中空間受限和要求輕量化的場合非常有利。(2)雖然面齒輪傳動仍然屬于點接觸傳動,但在理論上仍然能夠保證定傳動比傳動,因此面齒輪傳動的振動和噪聲較低。而點接觸錐齒輪傳動從原理上已不能保證定傳動比傳動,其傳動比會在一定范圍內(nèi)波動。(3)由于錐齒輪在制作過程中很多都是采用配對制造,即在制造過程中,首先加工出小齒輪,然后根據(jù)小齒輪的齒面加工出與之配套使用的大齒輪。因此,一對錐齒輪在使用過程中不能像圓柱齒輪那樣具有互換性。由于小齒輪更容易磨損,失效更快,因此在更換時只能同時更換一對錐齒輪。而面齒輪傳動的小齒輪是直齒圓柱齒輪,因此面齒輪傳動的振動和噪聲較低。(4)由于錐齒輪(特別是弧齒錐齒輪)的齒面形狀比較復(fù)雜,在制造過程中,齒面的形狀也不統(tǒng)一,因此由不同廠家生產(chǎn)的錐齒輪通常齒面形狀不一樣,參數(shù)也不同(如格里森制、奧利康制錐齒輪),這對于錐齒輪的加工制造、檢測及維修造成了很大麻煩。而面齒輪則具有統(tǒng)一的理論齒面。(5)與錐齒輪傳動相比, ,而重合度大對于提高承載能力和增加傳動的平穩(wěn)性很重要。(6)與錐齒輪傳動相比,面齒輪傳動的振動和噪聲較低。這一特點對于重量限制要求較高的航空工業(yè)特別重要。 面齒輪傳動研究的歷史與現(xiàn)狀 面齒輪傳動(Face Gear Drive)和傳統(tǒng)齒輪傳動不盡相同，它由圓柱齒輪和圓錐齒輪組成。面齒輪是一個具有一定錐度的錐齒輪，其錐度的大小由兩傳動軸之間的交角決定。當(dāng)傳動軸之間的夾角等于90176。 時，圓錐齒輪的節(jié)錐成為平面輪齒在此平面上均勻分布，故稱其為面齒輪。當(dāng)傳動軸之間的夾角不等于90176。時習(xí)慣上依然把圓柱齒輪和錐齒輪的傳動稱為面齒輪傳動。早在上世紀(jì)40年代,已有研究面齒輪傳動的文獻。Buckingham采用投影幾何方法研究了面齒輪的變化特點，其基本思想是：將面齒輪的輪齒看作是變壓力角和變齒距的齒條。即把面齒輪嚙合看作是在圓柱齒輪的不同軸截面上齒輪與齒條的嚙合，據(jù)此可以畫出不同位置處齒輪的近似齒形。1955 年，在面齒輪方面，Emilio 有兩篇很重要的文章，第一篇是他和Dornig共同寫作的，論文主要集中在幾何和運動學(xué)方面。第二篇文章中主要集中在根切方面的研究。但是這兩篇文章中的研究分析都僅僅局限于正交軸線和標(biāo)準(zhǔn)漸開線齒輪。在1954 和1960 發(fā)表的兩篇文章中，提出了一種面齒輪和螺紋狀的圓柱或是圓錐蝸桿的傳動。這對面齒輪的發(fā)展是一個很大的貢獻。這種傳動方式的最大優(yōu)點是重合度大。這種齒輪在嚙合過程中，同時有多對齒輪接觸。這種面齒輪傳動在上世紀(jì)末本世紀(jì)初得到了進一步的研究，其中Goldfarb 于1999年和2000 年，Dudas 于2000 年發(fā)表的文章最有代表性。Litvin 和他的研究機構(gòu)對面齒輪的研究做出了重要的貢獻。Litvin 對面齒輪傳動的嚙合作了研究，一方面根據(jù)微分幾何和嚙合原理獲得了根切和齒頂變尖的條件，另一方面發(fā)展了點接觸面齒輪。隨著計算機模擬仿真的發(fā)展，這兩方面的研究得到了進一步的發(fā)展。通過計算機模擬面嚙合傳動，表明裝配誤差會引起接觸點的偏移，而不會影響傳動誤差。在面齒輪加工中，如果加工面齒輪的齒輪插刀與實際嚙合的圓柱齒輪相同，那么加工的過程是模擬實際的嚙合運動，則由此法加工的面齒輪在理論上，它的嚙合傳動是線接觸的。但是事實上，這種線接觸的情況是不會發(fā)生的。由于各種誤差的影響，齒輪軸線會發(fā)生一定的偏移，從而使實際的接觸狀態(tài)由線接觸轉(zhuǎn)為邊緣接觸。為了防止出現(xiàn)這種不利的情形，Litvin 提出在確定圓柱齒輪插刀的齒數(shù)時，應(yīng)使其齒數(shù)大于實際嚙合的圓柱齒輪的齒數(shù)，他推薦采用13 個較為合適，因為這樣可使實際的嚙合狀態(tài)由線接觸轉(zhuǎn)變?yōu)辄c接觸，從而可以有效地防止因安裝、加工和使用導(dǎo)致的齒輪相對位置的變動而產(chǎn)生的邊緣接觸。Litvin 通過對面齒輪點接觸和齒面的修形實現(xiàn)了限制傳動誤差、減小噪音和振動的目的。 歐洲很多國家也開始對面齒輪展開研究,如意大利的FACET正交面齒輪插齒加工仿真和磨齒原理研究計劃,該計劃由意大利阿古斯塔(Agusta)公司從1998年開始進行,主要研究面齒輪在航空傳動系統(tǒng)中的應(yīng)用,內(nèi)容包括面齒輪傳動的結(jié)構(gòu)設(shè)計、初步理論研究、全尺寸實驗研究和設(shè)計改進等。 面齒輪的研究在國內(nèi)開展較晚。南京航空航天大學(xué)朱如鵬博士等人對面齒輪的嚙合理論做了大量研究，主要集中于面齒輪的齒面生成、面齒輪齒寬的限制條件、無安裝誤差及有安裝誤差的齒接觸分析、運動誤差、重合度齒面曲率和齒面速度等方面。他們推導(dǎo)了齒面接觸軌跡方程；實現(xiàn)了接觸軌跡的可視化分析了主要傳動參數(shù)及各類誤差對接觸軌跡的影響；推導(dǎo)了運動角度誤差和運動角速度比誤差的計算公式；建立了無安裝誤差和有安裝誤差的面齒輪傳動和重合度分析方法。這些研究對在國內(nèi)進一步開展研究奠定了理論基礎(chǔ)。西北工業(yè)大學(xué)方宗德教授及其團隊在面齒輪的加工以及數(shù)值仿真方面也做了大量研究工作[67]。 本文的研究意義面齒輪作為一種新型齒輪，雖然有諸多優(yōu)點，包括軸向移動產(chǎn)生的誤差對傳動性能幾乎沒有影響；面齒輪的互換性很高；而且面齒輪傳動的重合度高，這極大提高了傳動平穩(wěn)性和承載能力；此外，面齒輪傳動的振動和噪聲較低，這些特點使得面齒輪傳動在限制較多的航空領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用具有無可比擬的優(yōu)勢。但是面齒輪作為一種新型齒輪，發(fā)展起點較晚，國內(nèi)關(guān)于面齒輪的研究較國外而言更是落后好幾十年。而且國外對中國面齒輪傳動技術(shù)的發(fā)展也采取技術(shù)封鎖，因此面齒輪的發(fā)展得靠國內(nèi)的科研人員自己獨立探索鉆研。本文基于分扭—并車傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，在充分考慮安裝的前提下，研究設(shè)計實驗箱。只有設(shè)計一個合適的實驗箱，才能試驗整個傳動系統(tǒng)的性能，才能在此基礎(chǔ)上不斷改進傳動系統(tǒng)，進而將面齒輪“分扭—并車”傳動的理念實際應(yīng)用到直升機的傳動系統(tǒng)中去，這對提升直升機的性能具有重要意義。因此，設(shè)計此實驗箱，對于“分扭—并車”傳動理念的發(fā)展和中國面齒輪的發(fā)展都具有一定的現(xiàn)實意義。 本文的研究內(nèi)容本課題是在給定相關(guān)參數(shù)（齒輪模數(shù)，齒數(shù)，壓力角，功率和輸入轉(zhuǎn)速），設(shè)計傳動系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)方案和試驗件，并利用Proe軟件進行了實體建模和裝配仿真，通過ANSYS對關(guān)重件進行靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，根據(jù)分析結(jié)果再去完善之前的設(shè)計，最后用AutoCAD繪制試驗箱與試驗件的工程圖紙。各章節(jié)的具體研究內(nèi)容如下：第一章：緒論 第二章：實驗方案設(shè)計與試驗件初步設(shè)計。查閱相關(guān)論文，期刊，了解“分扭—并車”傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點、應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，根據(jù)給定的傳動系統(tǒng)參數(shù)，先確定齒輪的尺寸，然后根據(jù)傳動方案，考慮到布置合理，設(shè)計各軸的結(jié)構(gòu)。 第三章：實驗箱箱體與關(guān)重件的三維建模。根據(jù)之前設(shè)計的內(nèi)容，來合理地設(shè)計整個實驗箱，這也是本次畢業(yè)設(shè)計的重要內(nèi)容，同時將設(shè)計好的關(guān)重件、箱體以及其他所有零件的三維模型利用ProE建出來，并完成裝配，看有沒有干涉。第四章：關(guān)重件靜力分析和模態(tài)分析。本章利用ANSYS軟件，分析了第四章建的一些關(guān)重件的模型，主要是面齒輪2和齒輪6的模態(tài)分析，以及輸入軸7的靜力分析。通過對齒輪的模態(tài)分析，來得到它的固有頻率，將其與嚙合頻率比較，保證嚙合頻率很好的避開固有頻率；通過對軸的靜力分析，來得到軸的應(yīng)力和應(yīng)變云圖。第五章：總結(jié)與展望2 第二章 實驗方案設(shè)計與試驗件初步設(shè)計 分扭—并車傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特點 分扭—并車傳動系統(tǒng)題目要求如圖21所示為一正交面齒輪“分扭—并車”傳動系統(tǒng)圖,電動機功率通過輸入軸7上的小齒輪1將功率分為兩分支進行傳遞由最后一級齒輪匯流輸出。面齒輪“分扭—并車”傳動系統(tǒng)示意圖中，1為輸入級小齒輪,2和3為分扭級面齒輪, 4和5為并車級小齒輪 ,6為輸出級大齒輪,7為輸入 軸,8,9為 中間軸, 10為輸出軸。注：整個結(jié)構(gòu)應(yīng)該是對稱的，即另一邊還有個輸入級和分扭級，最終統(tǒng)一并車到輸出級大齒輪[5]。 圖21 分扭—并車傳動系統(tǒng)特點傳動系統(tǒng)的性能直接影響著直升機的整體性能,而傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)又是影響傳動系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素，因此，一個好的傳動結(jié)構(gòu)將決定直升機的整體性能。而傳統(tǒng)的直升機行星齒輪傳動系統(tǒng)已經(jīng)嚴(yán)重制約直升機性能的提高,分扭傳動系統(tǒng)具有質(zhì)量輕、傳動比大、性能可靠等優(yōu)點,成為直升機傳動系統(tǒng)發(fā)展的方向,當(dāng)使用面齒輪分扭傳動時，只需要兩級就能夠?qū)崿F(xiàn)換向與減速的功能,這一優(yōu)勢也使得面齒輪分扭傳動成為分扭傳動系統(tǒng)的一個重要分支。直升機分扭傳動系統(tǒng)的研究工作從20世紀(jì)已經(jīng)開始 ，并有一部分應(yīng)用到產(chǎn)品上 ，其中面齒輪分扭以其特有的兩級實現(xiàn)傳動換向、減速功能受到明顯關(guān)注,20世紀(jì),美國的麥道公司將面齒輪分扭傳動系統(tǒng)與傳統(tǒng)行星齒輪傳動系統(tǒng)相結(jié)合,使新的直升機傳動系統(tǒng)質(zhì)量減輕40%左右,由此可見，面齒輪分扭傳動系統(tǒng)的質(zhì)量優(yōu)勢非常明顯。 齒輪的初步設(shè)計 齒形及齒輪精度1）齒形選擇根據(jù)面齒輪上輪齒走向的不同，可將面齒輪傳動分為直齒面齒輪、斜齒面齒輪和弧齒面齒輪三種類型；又根據(jù)面齒輪傳動中軸線之間的相互位置，可將面齒輪傳動分為相交和相錯兩種情形[813]。如果面齒輪傳動是通過面齒輪與圓柱齒輪的相互嚙合來實現(xiàn)傳動。由于小齒輪為圓柱直齒輪齒輪,其軸向移動產(chǎn)生的誤差對傳動性能幾乎沒有影響。同時,由于面齒輪傳動的小齒輪是直齒圓柱齒輪,無軸向作用力可以簡化支撐,減輕系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)重量,這對于航空工業(yè)中空間受限和要求輕量化的場合非常有利。因此面齒輪和所有圓柱齒輪都采用直齒齒形，這樣可以忽略軸向移動產(chǎn)生的影響，提升傳動的性能。此外考慮到箱體的形狀，將輸入軸和中間軸的布置定位相交的，即對心的。2）齒輪精度查閱參考文獻[16]，可得表21。表21 各類機器所用齒輪傳動的精度等級范圍機器類型精度等級范圍汽輪機36金屬切削機床38航空發(fā)動機48輕型