[发明专利]一种面齿轮轮齿参数化建模方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种轮齿参数化建模的方法。

背景技术

面齿轮传动是一种新型齿轮传动，具有结构紧凑、单级传动比高、重合度大、扭矩分流精度高等许多独特的优点，适用于空间任意角度换向传动等场合，尤其对于高速重载情况，因此具有非常广阔的市场与发展前景。然而，面齿轮的齿面不是常见的渐开线或其它常见的齿面，其几何形状很复杂，尤其是斜齿面齿轮，其齿面方程无法用显性方程来表示，使用CAD/CAE等商业软件很难实现面齿轮轮齿的参数化建模。因此，目前关于面齿轮轮齿建模方法的报道很少。

近年来，在国家自然科学基金与航空科学基金的资助下，南京航空航天大学、西北工业大学等高校逐步展开了对面齿轮的静力、动力、接触应力等强度分析，插齿、滚齿、磨齿等加工方法的研究。其中与轮齿建模有关的报道主要有：2006年，付自平在硕士学位论文《正交面齿轮的插齿加工仿真和磨齿原理研究》第三章中基于VB与AutoCAD的二次开发，建立插齿刀与齿坯实体，然后模拟面齿轮插齿的加工过程，从而生成面齿轮的三维模型。该方法需要占用较大的内存，对硬件有一定的要求，加工过程占用机时长，需要观察来估计最小内径与最大外径等齿宽限制，插出的齿面粗糙，导入CAE软件有时会出现求解失败。2006年，白云飞在硕士学位论文《斜齿圆柱齿轮和面齿轮啮合传动的几何和静力学仿真》第五章中采用逆向法，通过Matlab求解齿面方程组得到离散坐标点，将坐标点输出到可以导入到UG的文件格式，在UG内通过点云插值生成片体，再经过片体剪切、缝补等操作得到齿面片体，最后用齿面片体切分实体获得轮齿实体。该方法曲面造型过程繁琐，需经过反复尝试，才能获得齿面片体，点云插值生成齿面降低了齿面精度。2008年，曾晓春在硕士学位论文《斜齿面齿轮传动啮合分析及滚齿加工方法研究》第四章中采用逆向法，将在MATLAB中通过数值方法所求出的数据点按一定的顺序存入到记录文件，使用proe的内嵌开发语言编辑这些数据，并将其导入到PRO/E环境，自动生成一序列样条曲线，通过曲线组等曲面造型获得齿面片体。相对点云，该方法更容易实现，齿面精度也有所提高，但是由于PROE拟合样条曲线并不经过所有的坐标点，误差累加使齿面精度仍然不是很高，而且导入到PROE或CAE软件时需要转化数据或文件格式，不容易实现参数化建模。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种面齿轮轮齿参数化建模方法，能够提高面齿轮轮齿建模质量，实现了面齿轮轮齿设计与建模的参数化、智能化。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

1、面齿轮的齿面数值计算

1.1)采集面齿轮的基本参数，包括面齿轮法向模数、法向压力角、螺旋角、齿顶高系数、顶隙系数、面齿轮齿数、产形轮齿数、配对圆柱齿轮齿数、最小齿宽。根据齿轮啮合原理中的根切界限点定理，求解非线性方程组得到面齿轮最小内径。根据空间两两相交的三个齿面相交于一点现象，求解非线性方程组得面齿轮齿面的最大外径。若求解的最小内径大于最大外径，则结果不收敛，需要重新采集基本参数进行计算。若求解的最大外径小于最小内径和最小齿宽之和，则需要重新采集最小齿轮或者基本参数进行计算。

1.2)当求得最小内径与最大外径为非正整数时，将面齿轮的最小内径向较大正整数圆整，使圆整后最小内径比圆整前大0.01～1.5mm；将面齿轮最大外径向较小正整数圆整，使圆整后最大外径大于圆整后最小内径和最小齿宽之和。依据基本参数与圆整后的最小内径、最大外径，根据齿面啮合原理，求解啮合方程获得一侧齿面离散点坐标。

2、处理齿面离散点坐标数据，使之能够直接读入到ANSYS环境，其具体过程为：

2.1)在默认笛卡尔坐标系下，将齿面离散点坐标绕Y轴旋转角度2π/N2得到另一侧齿面离散点坐标。其中N2为面齿轮齿数。

2.2)获取两侧齿面离散点坐标Z轴的最小值，沿Z轴移动齿面离散点，使齿面离散点坐标Z轴最小值为0。

2.3)获取两侧齿面离散点中的第NH、(1+NW)*NH、NW*NH、2*NW*NH点(轮齿齿底面上的四个端点)的X、Y坐标，通过夹角公式计算得到轮齿齿线与X轴的夹角sita。其中，NW为齿宽方向点数，NH为齿高方向点数。

2.4)将两侧齿面离散点绕Y轴逆时针旋转夹角sita，使直齿轮齿实体关于X轴对称、Y柱坐标系下斜齿轮齿的X坐标相等。

2.5)创建chengxu02.dat文件，并以生成关键点的形式将两侧齿面离散点按照编号输出到文件中。其中点的编号规律为(i-1)*NH+j，i为第i列，j表示第j行。