基于三维软件操作的通用齿面接触分析方法与流程

【技术领域】

本申请涉及齿轮传动技术领域，尤其涉及基于三维软件操作的通用齿面接触分析方法。

背景技术：

齿面接触分析能够对齿轮副传动过程中的啮合质量进行全面评估，对于缩短产品试制周期、降低试制成本、提高产品质量具有重要的意义。齿面接触分析是根据齿轮副的装配、齿面几何信息得到齿轮副在啮合过程中的齿轮转角及齿面接触椭圆(或接触区域)的参数，难点是确定接触椭圆中心点(接触点)位置和接触椭圆参数。

传统的齿面接触分析方法有理论计算、有限元分析和滚检试验。采用理论计算方法，操作者需要掌握齿轮齿面的数学模型，并通过求解啮合方程来得到分析结果，对于不同的齿轮副，齿面数学模型不同，且对复杂齿面齿轮，容易出现求解不稳定，计算复杂的情况，从而对操作者的理论基础要求比较高；采用有限元分析方法，需要在获得齿轮三维模型的基础上，通过专业的有限元软件进行网格划分，建立有限元分析模型，然后通过有限元求解器进行求解，操作步骤及涉及的软件较多，耗费时间长，且操作者需具备较深的有限元方面的知识；采用滚检试验，滚检试验需完成齿轮副的实际加工，使用专用的滚检试验机进行试验，成本高，时间长。

技术实现要素：

本发明针对上述现有的齿面接触分析方法十分复杂、不易操作的问题做出改进，提供基于三维软件操作的通用齿面接触分析方法。

为解决上述技术问题，基于三维软件操作的通用齿面接触分析方法，包括如下步骤：

s1：在三维软件里导入齿轮副三维模型并对齿轮副三维模型进行定位装配，使主动轮与从动轮齿面不存在干涉现象，完成齿轮副的初始装配；

s2：齿轮副划分主动轮和从动轮，主动轮绕其转轴转动角度∠1，从动轮绕其轴转动角度∠2，∠2＝∠1*n1/n2，n1与n2分别是主动轮和从动轮的齿数，此时，主动轮与从动轮为初始状态；

s3：步骤s2中，若主动轮与从动轮发生干涉，则从动轮向其在步骤s2中转动方向的反方向转动若干个微小角度△x,直至主动轮与从动轮不发生干涉；

s4：步骤s2中，若主动轮与从动轮不发生干涉，则从动轮向其在步骤s2中转动方向的同向转动一个微小角度△x；在主动轮与从动轮发生干涉前，从动轮重复转动△x，直至从动轮首次与主动轮相交产生干涉，此时从动轮停止转动，此时主动轮与从动轮为微干涉状态；

s5:在微干涉状态下，记录从动轮由初始装配状态转动至微干涉状态的转动角度和以图片形式保存微干涉状态下主动轮和从动轮的齿面求交图；

s6：在步骤s4出现微干涉状态后，重复s2-s5的步骤，直至齿面的啮合过程结束。

作为上述基于三维软件操作的通用齿面接触分析方法的一种改进，步骤s1包括：

s11：在三维软件中导入齿轮副三维模型；

s12：在完成齿轮副的轴线定位装配的基础上，固定主动轮，旋转从动轮，使从动轮与主动轮齿面不干涉。

作为上述基于三维软件操作的通用齿面接触分析方法的一种改进，把主动轮从初始状态到齿面的啮合过程结束的整个过程转动的角度设为θ，把一对齿面的啮合过程的离散份数设为n，∠1＝θ/n。

作为上述基于三维软件操作的通用齿面接触分析方法的一种改进，0°<△x<0.03°。

作为上述基于三维软件操作的通用齿面接触分析方法的一种改进，利用三维软件的“测量”命令，当测量的距离等于零时，主动轮与从动轮为干涉，当测量的距离大于零时，主动轮与从动轮为不干涉。

作为上述基于三维软件操作的通用齿面接触分析方法的一种改进，主动轮与从动轮外啮合，在步骤s2中，主动轮转动角度∠1时与从动轮转动角度∠2时转向相反。

作为上述基于三维软件操作的通用齿面接触分析方法的一种改进，主动轮与从动轮内啮合，在步骤s2中，主动轮转动角度∠1时与从动轮转动角度∠2时转向相同。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明基于三维软件操作的通用齿面接触分析方法，将已有的齿轮副三维模型导入三维软件中进行简单的几何操作，得到齿轮啮合时的微干涉状态，并将微干涉状态下主、从动轮干涉产生的交线视为接触椭圆。整个啮合过程中产生的所有微干涉状态下主、从动轮干涉产生的交线形成了齿轮啮合过程中的接触区域，分析接触区域是否产生边缘接触，当接触区域发生在齿面边缘的时认为发生边缘接触。综上可知，操作者只需在软件里进行简单操作即可得到接触区域，并可直观地判断是否产生边缘接触，直观地分析评价齿轮的啮合性能，无需具备求解啮合方程的理论知识，也不涉及复杂的有限元分析工作，克服了现有的齿面接触分析方法十分复杂、不易操作的问题。

【附图说明】

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本申请基于三维软件操作的通用齿面接触分析方法中主动轮和从动轮干涉状态图；

图2为本申请基于三维软件操作的通用齿面接触分析方法中主动轮和从动轮干不涉状态图；

图3为本申请基于三维软件操作的通用齿面接触分析方法中主动轮和从动轮啮合过程中的一个求交图，图中椭圆为接触椭圆；

图4为本申请基于三维软件操作的通用齿面接触分析方法中主动轮和从动轮啮合过程中多个求交分析图的合并，图中的接触椭圆组成接触区域。

【具体实施方式】

为了使本申请所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

基于三维软件操作的通用齿面接触分析方法，包括如下步骤：

s1：在三维软件里导入齿轮副三维模型并对齿轮副三维模型进行定位装配，使主动轮与从动轮齿面不存在干涉现象，完成齿轮副的初始装配；

其中，步骤s1又包括：

s11：在三维软件中导入齿轮副三维模型；

s12：在完成齿轮副的轴线定位装配的基础上，固定主动轮，旋转从动轮，使从动轮与主动轮齿面不干涉，如图2所示；

在三维软件中可通过“平移”命令，“相和”命令等命令，实现主动轮与从动轮的轴线定位装配；然后固定主动轮，从动轮绕其轴线转动，使主动轮和从动轮呈啮合状，利用三维软件的“距离测量”命令，当测量的距离等于零时，主动轮与从动轮产生了干涉，此时需转动调节从动轮的位置，最终使主动轮与从动轮不干涉，即测量的距离大于零。此时为初始装配状态；

s2：齿轮副划分主动轮和从动轮，主动轮绕其转轴转动角度∠1，从动轮绕其轴转动角度∠2，∠2＝∠1*n1/n2，n1与n2分别是主动轮和从动轮的齿数，此时，主动轮与从动轮为初始状态；

其中，若主、从动轮外啮合时，主、从动轮的齿轮转向相反，即∠1和∠2逆向转动；若主、从动轮内啮合时，主、从动轮的齿轮转向相同，即∠1和∠2同向转动；

把主动轮从初始状态到齿面的啮合过程结束的整个过程转动的角度设为θ，把齿面的啮合过程的离散采样份数设为n，∠1＝θ/n。理论上，θ＝360°/n1，n1为主动轮的齿数，n为自定义量(即采样数)。

∠1的大小设定与针对一对齿面的啮合过程的采样数量相关。在一对齿面的啮合过程中，为了描述整个啮合过程中的齿面接触情况，我们把整个啮合过程分为一系列不同的瞬间，并对每个瞬间的接触情况进行分析，最终综合所有瞬时的接触情况来得到整个啮合过程中的接触情况。具体地，假设在整个啮合过程中对应主动轮的转角由0°转动到θ，将啮合过程分成100等份，即采样数量n＝100，那对应∠1＝θ/100。显然，采样数量越大，∠1越小，分析结果更准确，但相应的计算量也越大；对于常用的工业应用实例，离散20份左右即可；

s3：步骤s2中，若主动轮与从动轮发生干涉，如图1所示，则从动轮向其在步骤s2中转动方向的反方向转动若干个微小角度△x,直至主动轮与从动轮不发生干涉；

s4：步骤s2中，若主动轮与从动轮不发生干涉，则从动轮向其在步骤s2中转动方向的同向转动一个微小角度△x；在主动轮与从动轮发生干涉前，从动轮重复转动△x，直至从动轮首次与主动轮相交产生干涉，此时从动轮停止转动，此时主动轮与从动轮为微干涉状态；

角度△x的大小决定了分析结果的精度，即△x越小精度越高，耗时越长；0°<△x<0.03°，优选地，△x＝0.001°；

s5:在微干涉状态下，记录从动轮由初始装配状态转动至微干涉状态的转动角度和以图片形式保存微干涉状态下主动轮和从动轮的齿面求交图；

齿面啮合过程中，理论上对应的是主、从动轮的齿面相切，实际上在对应每个采样时刻很难找绝对相切的状态，我们通过重复转动从动轮一个很小的角度△x，找到再转动一个角度△x即发生干涉的临界干涉的状态，对应的相切状态必然在即将干涉与干涉这两个时刻之间发生，当角度△x足够小时，就可把此时对应干涉的状态作为理论相切的相切状态；此时，从动轮首次与主动轮相交产生干涉形成的交线可视为接触椭圆，如图3所示；干涉状态可以通过三维建模软件的干涉检查功能、求交功能或者距离功能直接判断得到；

其中，由初始装配状态转动至微干涉状态的转动角度主要用于计算齿轮的传动误差；

s6：在步骤s4出现微干涉状态后，重复s2-s5的步骤，直至齿面的啮合过程结束。

整个啮合过程中产生的所有微干涉状态下主、从动轮干涉产生的交线形成了齿轮啮合过程中的接触区域，如图4所示。

综上所述，本发明通过将已有的齿轮副三维模型导入三维软件中进行简单的几何操作，可得到接触区域和转动角度，通过接触区域可以直观地分析齿轮是否产生了边缘接触(当接触区域发生在齿面边缘的时认为发生边缘接触，边缘接触会导致齿轮容易破坏)；通过转动角度可以计算出齿轮的传动误差，传动误差为实际的传动比与理想传动比之差(或者从动轮的实际转角与理想转角之差)。以上两个指标都是判断啮合性能的重要指标，根据以上两个指标的数值可判断齿轮的啮合性能。

本方案只需在软件里进行简单操作即可直观地分析评价齿轮的啮合性能，无需具备求解啮合方程的理论知识，也不涉及复杂的有限元分析工作，克服了现有的齿面接触分析方法十分复杂、不易操作的问题。

应当理解的是，本申请中采用术语“第一”、“第二”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语，这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，“第一”信息也可以被称为“第二”信息，类似的，“第二”信息也可以被称为“第一”信息。此外，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

如上所述是结合具体内容提供的一种或多种实施方式，并不认定本申请的具体实施只局限于这些说明。凡与本申请的方法、结构等近似、雷同，或是对于本申请构思前提下做出若干技术推演，或替换都应当视为本申请的保护范围。