劉順 張國(guó)政

摘要：指出了螺旋錐齒輪廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、航空、船舶等眾多交通、運(yùn)輸和其他機(jī)械行業(yè)中。螺旋錐齒輪由于結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜、幾何參數(shù)多，給其設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)、修正等各個(gè)環(huán)節(jié)帶來(lái)了困擾。根據(jù)螺旋錐齒輪成形原理，建立了螺旋錐齒輪及其數(shù)控銑削設(shè)備三維數(shù)字模型，為準(zhǔn)雙曲面齒輪基于數(shù)字模型的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)、虛擬制造技術(shù)、虛擬仿真系統(tǒng)、數(shù)控高速銑削加工參數(shù)合理選擇以及機(jī)床參數(shù)調(diào)整與齒輪加工誤差補(bǔ)償提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：螺旋錐齒輪;雙曲面齒輪;汽車(chē)差速器

中圖分類(lèi)號(hào)：V463

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-9944（2018）4-0234-02

1 概述

準(zhǔn)雙曲面齒輪是一種可以按固定傳動(dòng)比平穩(wěn)、低噪音傳動(dòng)的傳動(dòng)元件，不僅傳動(dòng)效率高，傳動(dòng)比穩(wěn)定，圓弧重疊系數(shù)大，承載能力高，傳動(dòng)平穩(wěn)平順，工作可靠，噪音小，耐磨損，壽命長(zhǎng)，而且準(zhǔn)雙曲面齒輪結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)能省料，安裝節(jié)省空間。為此，準(zhǔn)雙曲面齒輪在機(jī)械傳動(dòng)中應(yīng)用十分廣泛。在不同的應(yīng)用場(chǎng)合具有不同的名稱(chēng)，如螺旋傘齒輪、螺傘錐齒輪、弧齒傘齒輪、弧齒錐齒輪、圓弧錐齒輪等。雖然準(zhǔn)雙曲面齒輪具有眾多優(yōu)點(diǎn)，但其齒形的特點(diǎn)與漸開(kāi)線圓柱齒輪不一樣，它沒(méi)有基準(zhǔn)面，故其齒形不能用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)公式來(lái)表示，而是依賴(lài)著加工機(jī)床及其設(shè)定參數(shù)。

螺旋錐齒輪[1-3]建模的方法主要有兩種[5]：一種是在三維軟件中，通過(guò)齒面方程得到齒面上的離散點(diǎn)，擬合成螺旋錐齒輪曲面，此方法的工作量繁瑣，最大的缺點(diǎn)是其重復(fù)利用率低，參數(shù)一旦改變時(shí)，就必須從頭開(kāi)始;另一種方法是通過(guò)仿真加工，模擬機(jī)床加工原理和實(shí)際加工過(guò)程，通過(guò)加工刀盤(pán)和齒坯的干涉和布爾運(yùn)算，去除齒坯上的原材料，最終刀盤(pán)離散的“軌跡”包絡(luò)成螺旋錐齒輪的齒面。文獻(xiàn)[6]在PRO/E軟件平臺(tái)二次開(kāi)發(fā)接口對(duì)漸開(kāi)線齒輪進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)[7]用PRO/E軟件建立了精確的圓柱螺旋轉(zhuǎn)子齒輪模型，通過(guò)PROlE的NC模塊自動(dòng)生成了數(shù)控程序，并在兩兩聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床上采用普通球頭銑刀完成加工，驗(yàn)證了參數(shù)化建模與仿真的正確性;文獻(xiàn)[4]利用AutoCAD內(nèi)嵌的Visual Basic Application二次開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，開(kāi)發(fā)了基于數(shù)控機(jī)床五軸聯(lián)動(dòng)的仿真制造系統(tǒng)，通過(guò)仿真制造系統(tǒng)中齒坯和刀盤(pán)的參數(shù)輸入實(shí)現(xiàn)了螺旋錐齒輪的建模;文獻(xiàn)[8]是基于penGL圖形函數(shù)庫(kù)的圖形繪制技術(shù)，結(jié)合VCJ++6.0軟件開(kāi)發(fā)出了螺旋錐齒輪離散切齒加工系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了螺旋錐齒輪的設(shè)計(jì)、切齒加工調(diào)整的可視化;文獻(xiàn)[9]基于CATIA平臺(tái)下使用VB6.0開(kāi)發(fā)出仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)能自動(dòng)生成加工后的螺旋錐齒輪三維模型;以及文獻(xiàn)[10，11]提出的基于加工方法和嚙合理論的螺旋錐齒輪精確齒面的實(shí)體造型方法和基于離散點(diǎn)求解的螺旋錐齒輪建模方法等。

2 總體方法

準(zhǔn)雙曲面齒輪的建模都是基于切齒原理以其設(shè)計(jì)參數(shù)和三維軟件造型功能實(shí)現(xiàn)，或借助于圖形軟件平臺(tái)結(jié)合計(jì)算機(jī)高級(jí)程序語(yǔ)言二次開(kāi)發(fā)出仿真系統(tǒng)，由仿真系統(tǒng)加工后實(shí)現(xiàn)數(shù)字模型。

3 建模步驟

本研究基于真實(shí)齒面的準(zhǔn)雙曲面齒輪進(jìn)行逆向建模方法，從真實(shí)齒輪設(shè)計(jì)參數(shù)建立數(shù)字模型與真實(shí)齒面數(shù)字檢測(cè)模型對(duì)比，從而分析研究螺旋錐齒輪精確建模的方法。

以汽車(chē)用差速器裝置中準(zhǔn)雙曲面齒輪為對(duì)象。首先，通過(guò)準(zhǔn)雙曲面齒輪原有設(shè)計(jì)參數(shù)運(yùn)用三維軟件建立實(shí)體模型;其次，通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)準(zhǔn)雙曲面真實(shí)齒面進(jìn)行檢測(cè)（圖1），從而逆向形成螺旋弧輪齒;利用螺旋錐齒輪切齒原理，建立切齒精確刀盤(pán)模型，模擬切齒運(yùn)動(dòng)過(guò)程，進(jìn)而形成準(zhǔn)雙曲面齒輪輪齒;比較三種準(zhǔn)雙曲面齒輪建模方法，確定三種方法建模的作用和意義，為汽車(chē)用復(fù)雜齒輪零部件制造業(yè)工件設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)制造技術(shù)和理論指導(dǎo)。

（1）通過(guò)分析準(zhǔn)雙曲面齒輪設(shè)計(jì)參數(shù)，在UG軟件中建立模型（圖2）。

（2）基于切齒加工原理，根據(jù)齒廓方程利用MAT-LAB的數(shù)值計(jì)算功能得出齒輪齒廓的離散點(diǎn)坐標(biāo)值方法，在UG軟件中建立螺旋錐齒輪三維實(shí)體數(shù)字模型（圖3）。

（3）虛擬仿真制造試驗(yàn)先用UG軟件建立的刀具和齒坯模型，采用干涉和布爾運(yùn)算方法，去除齒坯上的原材料，包絡(luò)成螺旋錐齒輪的齒面;再利用VERICUT軟件進(jìn)行機(jī)床運(yùn)動(dòng)仿真和刀具軌跡的驗(yàn)證，方法是利用UG造型軟件建立齒坯模型，保存為STL文件導(dǎo)入到VERICUT軟件，運(yùn)用VERICUT自身功能構(gòu)建刀具模型，然后基于傳統(tǒng)機(jī)械型機(jī)床和數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換原理構(gòu)建機(jī)床模型，并計(jì)算出數(shù)控加工時(shí)各坐標(biāo)軸的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)位置，編制數(shù)控加工主程序和子程序加載到軟件中進(jìn)行虛擬加工，驗(yàn)證刀路軌跡、干涉及齒面成形的正確性，兩種方法相結(jié)合驗(yàn)證螺旋錐齒輪建模正確性。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)真實(shí)齒面，得出齒面數(shù)據(jù)點(diǎn)，將其導(dǎo)人到UG軟件中，用樣條曲線擬合數(shù)據(jù)點(diǎn)，形成齒面，將其齒面與前面方法所建立的模型進(jìn)行比較分析，進(jìn)而修正準(zhǔn)雙曲面齒輪齒面，進(jìn)而修正齒廓和齒向誤差。

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