面齿轮实验方案设计与实验毕业论文.docx

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1、面齿轮实验方案设计与实验毕业论文目录第一章绪论11.1 选题背景11.2 面齿轮传动的特点11.3 面齿轮传动研究的历史与现状21.4 本文的研究意义31.5 本文的研究内容4第二章实验方案设计与试验件初步设计52.1 分扭一并车传动系统结构及特点52.1.1 分扭一并车传动系统52.1.2 分扭一并车传动系统特点52.2 齿轮的初步设计62.2.1 齿形及齿轮精度62.2.2 齿轮几何尺寸的确定72.2.3 齿轮宽度的确定82.2.4 齿轮的校核92.3 传动轴的初步设计122.3.1 传动系统相关传动参数的计算122.3.2 输入轴的设计计算132.3.3 中间轴8的设计计算142.3.4

2、 中间轴9的设计计算162.3.5 输出轴10的设计计算162.4 本章小结17第三章 实验箱的设计与三维建模183.1 PRO-E的软件概述183.1.1 Pro-E 的简介183.1.2 Pro-E功能和特点介绍183.2 齿轮以及轴的三维建模193.2.1 圆柱直齿轮的参数化建模193.2.2 面齿轮的建模223.2.3 轴的建模223.3 箱体的设计与三维建模233.3.1 左箱体的设计与建模243.3.2 主体体的设计与建模253.3.3 右箱体的设计与建模263.4 模型的装配263.4.1 各个子箱体的装配273.4.2 箱体总装配图283.5 本章小结28第四章 关重件静力学分

3、析和模态分析314.1 ANSYS的软件介绍314.1.1 ANSYS 简介314.1.2 ANSYS 的应用314.1.3 ANSYS分析问题的基本过程324.2 齿轮的模态分析334.2.1 模态分析概述334.2.2 面齿轮3的模态分析334.2.3 齿轮6的模态分析364.3 轴的静力分析384.3.1 静力分析概述384.3.2 轴的静力学分析384.4 本章小结40第五章总结与展望415.1 总结415.2 展望41参考文献43致谢45毕业设计小结47#第一章绪论1.1 选题背景面齿轮传动(Face Gear Drive)是一种圆柱齿轮和面齿轮相啮合的传动。主要用来传递轴与轴包含一

4、个交角的运动。面齿轮可以看作锥齿轮的一种特殊型式。根据面齿轮上轮齿的形状不同可以把面齿轮分为直齿、斜齿和弧齿三种。根据面齿轮传动的两个轴之间的相互位置关系分为相交和交错两种情况。面齿轮传动具有装置体积小、传动比大的特点，一般大于3.5以上、重量轻和振动噪声小等优点，在航天领域有着不可比拟的优势，也因此引起各国学者的研究兴趣。面齿轮在国外已得到实际应用，成功的应用到直升机传动系统中。随着国内对面齿轮的重视，南航和西工大等高校都对其展开了研究，并取得不少成果。1.2 面齿轮传动的特点面齿轮传动与锥齿轮传动一样，都是传递包含一定交角的运动。通过对比这两种传递方式的优缺点，就可以了解面齿轮的传动特点。

5、相对于锥齿轮传动，面齿轮传动具有以下几方面的优点55：(1)面齿轮传动是通过面齿轮与圆柱齿轮的相互啮合来实现传动。由于小齿轮为圆柱齿轮，其轴向移动产生的误差对传动性能几乎没有影响。而在锥齿轮传动过程中，两锥齿轮的锥顶要重合。如果产生轴向误差，将会引起严重的偏载现象。因此,在一些重要的锥齿轮传动中，要专门进行防位错(防止锥顶分离)设计。同时，由于面齿轮传动的小齿轮是直齿圆柱齿轮，无轴向作用力可以简化支撑，减轻系统的结构重量，这对于航空工业中空间受限和要求轻量化的场合非常有利。(2)虽然面齿轮传动仍然属于点接触传动,但在理论上仍然能够保证定传动比传动，因此面齿轮传动的振动和噪声较低。而点接触锥齿轮

6、传动从原理上已不能保证定传动比传动，其传动比会在一定范围内波动。(3)由于锥齿轮在制作过程中很多都是采用配对制造，即在制造过程中，首先加工出小齿轮，然后根据小齿轮的齿面加工出与之配套使用的大齿轮。因此，一对锥齿轮在使用过程中不能像圆柱齿轮那样具有互换性。由于小齿轮更容易磨损，失效更快,因此在更换时只能同时更换一对锥齿轮。而面齿轮传动的小齿轮是直齿圆柱齿轮，因此面齿轮传动的振动和噪声较低。(4)由于锥齿轮(特别是弧齿锥齿轮)的齿面形状比较复杂，在制造过程中，齿面的形状也不统一，因此由不同厂家生产的锥齿轮通常齿面形状不一样，参数也不同(如格里森制、奥利康制锥齿轮),这对于锥齿轮的加工制造、检测及维

7、修造成了很大麻烦。而面齿轮则具有统一的理论齿面。(5)与锥齿轮传动相比，面齿轮的重合度可以达到2.0以上，而重合度大对于提高承载能力和增加传动的平稳性很重要。(6)与锥齿轮传动相比，面齿轮传动的振动和噪声较低。这一特点对于重量限制要求较高的航空工业特别重要。1.3 面齿轮传动研究的历史与现状面齿轮传动(Face Gear Drive)和传统齿轮传动不尽相同，它由圆柱齿轮和圆锥齿轮组成。面齿轮是一个具有一定锥度的锥齿轮，其锥度的大小由两传动轴之间的交角决定。当传动轴之间的夹角等于90。时，圆锥齿轮的节锥成为平面轮齿在此平面上均匀分布，故称其为面齿轮。当传动轴之间的夹角不等于90。时习惯上依然把圆

8、柱齿轮和锥齿轮的传动称为面齿轮传动。早在上世纪40年代，已有研究面齿轮传动的文献。Buckingham采用投影几何方法研究了面齿轮的变化特点，其基本思想是：将面齿轮的轮齿看作是变压力角和变齿距的齿条。即把面齿轮啮合看作是在圆柱齿轮的不同轴截面上齿轮与齿条的啮合，据此可以画出不同位置处齿轮的近似齿形。1955年，在面齿轮方面，Emilio有两篇很重要的文章，第一篇是他和Domig共同写作的，论文主要集中在几何和运动学方面。第二篇文章中主要集中在根切方面的研究。但是这两篇文章中的研究分析都仅仅局限于正交轴线和标准渐开线齿轮。在1954和1960年Saari.O.E发表的两篇文章中，提出了一种面齿轮

9、和螺纹状的圆柱或是圆锥蜗杆的传动。这对面齿轮的发展是一个很大的贡献。这种传动方式的最大优点是重合度大。这种齿轮在啮合过程中，同时有多对齿轮接触。这种面齿轮传动在上世纪末本世纪初得到了进一步的研究，其中Goldfarb于1999年和2000年，Dudas于2000年发表的文章最有代表性。Litvin和他的研究机构对面齿轮的研究做出了重要的贡献。Litvin对面齿轮传动的啮合作了研究，一方面根据微分几何和啮合原理获得了根切和齿顶变尖的条件，另一方面发展了点接触面齿轮。随着计算机模拟仿真的发展，这两方面的研究得到了进一步的发展。通过计算机模拟面啮合传动，表明装配误差会引起接触点的偏移，而不会影响传动

10、误差。在面齿轮加工中，如果加工面齿轮的齿轮插刀与实际啮合的圆柱齿轮相同，那么加工的过程是模拟实际的啮合运动，则由此法加工的面齿轮在理论上，它的啮合传动是线接触的。但是事实上，这种线接触的情况是不会发生的。由于各种误差的影响，齿轮轴线会发生一定的偏移，从而使实际的接触状态由线接触转为边缘接触。为了防止出现这种不利的情形，Litvin提出在确定圆柱齿轮插刀的齿数时，应使其齿数大于实际啮合的圆柱齿轮的齿数,他推荐采用1-3个较为合适，因为这样可使实际的啮合状态由线接触转变为点接触，从而可以有效地防止因安装、加工和使用导致的齿轮相对位置的变动而产生的边缘接触。Litvin通过对面齿轮点接触和齿面的修形

11、实现了限制传动误差、减小噪音和振动的目的。欧洲很多国家也开始对面齿轮展开研究，如意大利的FACET正交面齿轮插齿加工仿真和磨齿原理研究计划，该计划由意大利阿古斯塔(Agusta)公司从1998年开始进行，主要研究面齿轮在航空传动系统中的应用,内容包括面齿轮传动的结构设计、初步理论研究、全尺寸实验研究和设计改进等。面齿轮的研究在国内开展较晚。南京航空航天大学朱如鹏博士等人对面齿轮的啮合理论做了大量研究，主要集中于面齿轮的齿面生成、面齿轮齿宽的限制条件、无安装误差及有安装误差的齿接触分析、运动误差、重合度齿面曲率和齿面速度等方面。他们推导了齿面接触轨迹方程；实现了接触轨迹的可视化分析了主要传动参数

12、及各类误差对接触轨迹的影响；推导了运动角度误差和运动角速度比误差的计算公式；建立了无安装误差和有安装误差的面齿轮传动和重合度分析方法。这些研究对在国内进一步开展研究奠定了理论基础。西北工业大学方宗德教授及其团队在面齿轮的加工以及数值仿真方面也做了大量研究工作571。1.4 本文的研究意义面齿轮作为一种新型齿轮，虽然有诸多优点，包括轴向移动产生的误差对传动性能几乎没有影响；面齿轮的互换性很高；而且面齿轮传动的重合度高，这极大提高了传动平稳性和承载能力；此外，面齿轮传动的振动和噪声较低，这些特点使得面齿轮传动在限制较多的航空领域的发展与应用具有无可比拟的优势。但是面齿轮作为一种新型齿轮，发展起点较

13、晚，国内关于面齿轮的研究较国外而言更是落后好几十年。而且国外对中国面齿轮传动技术的发展也采取技术封锁，因此面齿轮的发展得靠国内的科研人员自己独立探索钻研。本文基于分扭一并车传动系统的结构，在充分考虑安装的前提下，研究设计实验箱。只有设计一个合适的实验箱，才能试验整个传动系统的性能，才能在此基础上不断改进传动系统，进而将面齿轮“分扭一并车”传动的理念实际应用到直升机的传动系统中去，这对提升直升机的性能具有重要意义。因此，设计此实验箱，对于“分扭一并车”传动理念的发展和中国面齿轮的发展都具有一定的现实意义。1.5 本文的研究内容本课题是在给定相关参数（齿轮模数，齿数，压力角，功率和输入转速），设计

14、传动系统的总体结构方案和试验件，并利用Pro-e软件进行了实体建模和装配仿真，通过ANSYS对关重件进行静力学分析和模态分析，根据分析结果再去完善之前的设计，最后用AutoCAD绘制试验箱与试验件的工程图纸。各章节的具体研究内容如下：第一章：绪论第二章：实验方案设计与试验件初步设计。查阅相关论文，期刊，了解“分扭一并车”传动系统的结构特点、应用现状和发展趋势，根据给定的传动系统参数，先确定齿轮的尺寸，然后根据传动方案，考虑到布置合理，设计各轴的结构。第三章：实验箱箱体与关重件的三维建模。根据之前设计的内容，来合理地设计整个实验箱，这也是本次毕业设计的重要内容，同时将设计好的关重件、箱体以及其他

15、所有零件的三维模型利用ProE建出来,并完成装配，看有没有干涉。第四章：关重件静力分析和模态分析。本章利用ANSYS软件，分析了第四章建的一些关重件的模型，主要是面齿轮2和齿轮6的模态分析，以及输入轴7的静力分析。通过对齿轮的模态分析，来得到它的固有频率，将其与啮合频率比较，保证啮合频率很好的避开固有频率；通过对轴的静力分析，来得到轴的应力和应变云图。第五章：总结与展望31第二章实验方案设计与试验件初步设计2.1 分扭一并车传动系统结构及特点2.1.1 分扭一并车传动系统题目要求如图2-1所示为一正交面齿轮“分扭一并车”传动系统图，电动机功率通过输入轴7上的小齿轮1将功率分为两分支进行传递由最后一级齿轮汇流输出。面齿轮“分扭一并车”传动系统示意图中，1为输入级小齿轮,2和3为分扭级面齿轮,4和5为并车级小齿轮，6为输出级大齿轮,7为输入轴