直齿轮齿面的修形设计方法与流程

本发明涉及一种直齿轮齿面的修形设计方法。

背景技术

直齿圆柱齿轮是实际生产和使用当中最常见齿轮之一，而当前直齿轮的齿面设计模型主要可以分为两种：一种是标准齿面；另一种是在标准齿面的基础上进行修形得到的齿面，称为修形齿面。理论上，标准齿面的传动误差为零，工作性能是理想的，但实际情况中由于安装误差及受力变形等因素的存在，使得标准齿面的适应性差，导致工作性能不好，故需要通过对齿面进行修形来得到合适的齿面模型，从而最终提高实际使用中的工作性能。

当前对于直齿轮的修形方法有齿廓修形、齿向修形及综合两种方式的综合修形。修形的具体措施是在标准齿面的基础上，将原有齿廓、齿向线进行改变，使得修改后的齿廓、径向线相对于原有的齿廓、齿向线的偏差量满足一定的函数关系，该函数一般称为修形函数。相应的函数有多种，常用的包括直线、抛物线、圆弧曲线、幂指数曲线等。这使得目前修形方法存在以下问题：

1)修形函数种类较多，因为没有统一的模型，使得设计者将修形函数从一种改为另一种的过程比较繁琐。

2)修形起点的连续性不好，使得啮合性能下降。如对齿廓修形函数采用直线，则一阶导不连续，如果采用抛物线则二阶不连续。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种通用性好，设计变量多，设计更灵活，能实现二阶连续的直齿轮齿面的修形设计方法。

本发明提供的这种直齿轮齿面的修形设计方法，包括如下步骤：

s1、在原有标准齿面的齿廓线上离散出一系列的齿廓采样点，将各齿廓采样点沿渐开线的法线方向进行偏移得到齿廓控制点，将各齿廓控制点连接成齿廓样条曲线；

s2、在原有标准齿面的齿向线上离散出一系列的齿向采样点，将各齿向采样点沿其法线方向进行偏移得到齿向控制点，将各齿向控制点连接成齿向样条曲线；

s3、将s1中的齿廓样条曲线沿s2中的齿向样条曲线扫掠得到光滑曲面，即修形后的齿面。

优选地，在所述步骤s1中，离散出齿廓采样点的过程如下：

(1)、以直齿轮的端平面与齿轮轴线的交点为原点建立三维坐标系og-xgygzg，以齿轮轴线为zg轴，yg轴和xg轴在端平面内，xg轴、yg轴和zg轴两两垂直；

(2)、在yg轴上，将齿顶圆与基圆之间的线段设为工作线，在该工作线选取一系列的齿廓离散点，其中，齿顶圆、节圆与基圆处各对应一个齿廓离散点，齿顶圆与节圆之间的齿廓离散点等距分布，节圆与基圆之间的齿廓离散点等距分布，工作线上节圆两侧的齿廓离散点个数相等；

(3)、将各齿廓离散点绕zg轴旋转，投影到标准齿面的齿廓线上，得到齿廓采样点；

优选地，在所述步骤s1中，将各齿廓采样点沿其对应处的渐开线法线方向进行偏移得到齿廓控制点p，设为[xpyp0]；

优选地，在所述步骤s1中，通过插值法或拟合法将各齿廓控制点构建成一条样条曲线，即齿廓样条线。

优选地，在所述步骤s2中，离散出齿向采样点的过程如下：

(1)、将原有标准齿面的齿向线平移到三维坐标系og-xgygzg中，齿向线的端点位于直齿轮的前端面及后端面上；

(2)、在齿向线上离散选取出一系列的等距分布的齿向采样点，其中，直齿轮的前端面及后端面各对应一个齿向采样点；

优选地，在所述步骤s2中，将各齿向采样点沿其法向即yg轴方向进行偏移得到齿向控制点w，设为[0ywzw]。

优选地，在所述步骤s2中，通过插值法或拟合法将各齿向控制点构建成一条样条曲线，即齿向样条线。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)由于样条曲线相对于其它曲线是一种更通用的曲线表达形式，直线、抛物线、圆弧及幂指数曲线均可视为样条曲线的特例，故对于采用样条曲线来表达齿廓、齿向后得到的齿面模型，可以视为一种包括其它齿面模型在内的通用齿面模型。

2)由于样条曲线是通过插值(拟合)控制点得到，通过调整控制点的位置即可调整齿面模型，设计方便；加之，由于控制点的数目较多，使得齿面设计更灵活。

3)样条曲线的连续性表现好，样条曲线的连续性与其基函数的次数及其控制点的数目(需大于基函数的次数)相关，当采用四次基函数时，即能实现二阶连续，相应地，整个齿面内部点都为二阶连续。

附图说明

图1为本发明中构建齿廓样条曲线的结构示意图。

图2为本发明中构建齿向样条曲线的结构示意图。

图3为本发明中构建修形后齿面的结构示意图。

图中示出的标记及所对应的构件名称为：

a、工作线；b、齿廓离散点；c、齿廓采样点；d、齿廓样条线；e、齿向线；f、齿向采样点；g、齿向样条线；p、齿廓控制点；w、齿向控制点。

具体实施方式

本发明这种直齿轮齿面的修形设计方法，包括如下步骤：

s1、在原有标准齿面的齿廓线上离散出一系列的齿廓采样点，将各齿廓采样点沿渐开线的法线方向进行偏移得到齿廓控制点，将各齿廓控制点连接成齿廓样条曲线；

s2、在原有标准齿面的齿向线上离散出一系列的齿向采样点，将各齿向采样点沿其法线方向进行偏移得到齿向控制点，将各齿向控制点连接成齿向样条曲线；

s3、将s1中的齿廓样条曲线沿s2中的齿向样条曲线扫掠得到光滑曲面，即修形后的齿面。

从图1可以看出，本发明步骤s1的具体过程如下：

1、在原有标准齿面的齿廓线上离散出一系列的齿廓采样点c，其过程如下：

(1)、如图1所示，以直齿轮的端平面与齿轮轴线的交点为原点建立三维坐标系og-xgygzg，以齿轮轴线为zg轴，yg轴和xg轴在端平面内，xg轴、yg轴和zg轴两两垂直；

(2)、在yg轴上，将齿顶圆与基圆之间的线段设为工作线a，该工作线a的长度等于齿顶圆半径ra与基圆半径rb之差，在工作线a上选取若干个齿廓离散点b，齿廓离散点b的数目由n表示，n的数值为奇数且由齿根向齿顶方向依次变大，如图1所示，n＝7；

其中，齿顶圆、节圆与基圆处各对应一个齿廓离散点b，齿顶圆与节圆之间的齿廓离散点b等距分布，节圆与基圆之间的齿廓离散点b等距分布，工作线上节圆两侧的齿廓离散点b个数相等；

(3)、将各齿廓离散点b绕zg轴旋转，投影到标准齿面的齿廓线上，得到齿廓采样点c，

2、将各齿廓采样点c沿其对应处的渐开线法线方向进行偏移得到齿廓控制点p，设为[xpyp0]；

3、通过插值法或拟合法将各齿廓控制点p构建成一条样条曲线，即齿廓样条线d。

从图2可以看出，本发明步骤s2的具体过程如下：

1、在原有标准齿面的齿向线上离散出一系列的齿向采样点e，其过程如下：

(1)、将原有标准齿面的齿向线e平移到三维坐标系og-xgygzg中，齿向线的端点位于直齿轮的前端面及后端面上，齿向线的宽度等于齿宽；

(2)、在齿向线e上离散选取出选取若干个等距分布的齿向采样点f，其中，直齿轮的前端面及后端面各对应一个齿向采样点f；

齿向采样点f的数目由m表示，m的数值沿由zg轴依次变大，如图2所示，m＝7；

2、将各齿向采样点f沿其法向即yg轴方向进行偏移得到齿向控制点w，设为[0ywzw]；

3、通过插值法或拟合法，将各齿向控制点w构建成一条样条曲线，即齿向样条线g。

从图3可以看出，本发明步骤s3的具体过程如下：

1、在三维建模软件中，画出步骤s1与步骤s2得的到齿廓样条线d及齿向样条线g；

2、由于齿面为齿廓样条线沿齿向样条线扫掠得到，故将齿廓样条线d平移到齿向样条线g的不同位置处，即得到一系列的齿向样条线g；

3、在三维建模软件中，连接所有齿向样条线g即可以得到修形后的齿面模型。

在本发明中，齿廓离散点b的数目建议通常9个左右即可，齿向采样点f的数目建议通常9个左右即可。