[发明专利]面向3D打印制造的线齿轮副的轮体结构的设计方法

摘要

本发明涉及面向3D打印制造的线齿轮副的轮体结构及其设计方法，类线齿轮副包括一对主动线齿轮和从动线齿轮，其中主动线齿轮由主动线齿和主动轮体组成、从动线齿轮由从动线齿和从动轮体组成，主动轮轴线和从动轮轴线间交错角为0°～180°中的任意值，该发明的线齿轮的主动线齿轮的轮体结构为圆柱实体结构；而从动线齿轮的轮体结构为实体圆台型结构或者是肋板支撑式空心圆台型结构；主动线齿和从动线齿按线齿轮理论设计；本发明以轮体的强度和刚度为设计准则，以线齿轮副的实体体积最小为优化设计目标，设计出一对适用于转矩较大的传统机械传动领域的线齿轮副，该线齿轮副的设计在规定工况下能够满足指定材料的强度和刚度，可批量化生产。

主权项

1.面向3D打印制造的线齿轮副的轮体结构的设计方法，其特征在于根据3D打印制造成本与实体重量成正比的特点使线齿轮实体体积最小，线齿轮副包括一对主动线齿轮和从动线齿轮，主动线齿轮由主动线齿和主动轮体组成、从动线齿轮由从动线齿和从动轮体组成，主动轮轴线和从动轮轴线间交错角为0°～180°中的任意值；主动线齿轮的轮体结构为圆柱实体型结构，而从动线齿轮的轮体结构为圆台实体型或是肋板支撑式空心圆台型结构，按线齿轮理论设计的主动线齿和从动线齿分别依附在主动线齿轮的圆柱和从动线齿轮的圆台的外壁上；所述肋板支撑式空心圆台型结构由空心圆台结构、上下底板、叶轮式肋板支撑结构和空心圆柱结构各部分组成，空心圆柱结构位于空心圆台结构内部且与空心圆台结构同轴线，叶轮式肋板支撑结构位于空心圆柱结构与空心圆台结构之间；其设计方法包括以下步骤：1)给定线齿轮副基本尺寸参数，包括两交错轴夹角的补角θ，两轴间的距离c，传动比i，初设主动线齿轮啮合半径m，主动线齿轮螺距系数n；2)根据线齿轮副传动的扭矩T1和实际使用要求，选择齿轮副材料，并确定材料参数，包括弹性模量E，泊松比μ，材料的切变模量G，屈服强度σs，材料各个方向上许用的变形量[Δx]，[Δy]，[Δz]，[Δθ]；3)通过给定线齿轮副基本参数，运用以下表1计算公式，可以计算出线齿轮副的其他计算尺寸参数；表1 线齿轮副几何尺寸计算公式其中：当0<θ<90°时，当90°<θ<180°时，t是曲线范围参变量，当t＝t_m时，f(t_m)＝0；4)确定主动线齿轮的轮体结构尺寸，包括主动线齿轮轮体半径R₁＝m‑0.9r，主动线齿轮轮体宽度l₁＝z_1e‑z_1s＝n(t_e‑t_s)，主动接触线螺旋升角5)根据主动线齿轮强度计算准则，如下式方程(1)：其中：由于主动线齿轮的最大强度发生在啮合点处，而在线齿轮副的中间啮合点时，主动线齿轮的变形最大，即当t＝t_m，主动线齿轮的主应力用F及下标x₁、y₁、z₁表示，需满足上述方程，当初设的m和n值能够使得主动线齿轮的主应力满足上述方程时，继续下一步设计，当不能满足上述方程时，则加大参数m和n值，重新计算步骤3)‑5)，并计算主动线齿轮主应力，直至满足上述方程，确定m和n的值；6)利用步骤3)中参数，则可以得到线齿轮副的主动接触线和从动接触线方程，从而可以建立从动线齿轮的圆台外壁尺寸Rmax3和Rmin3，并通过输出轴的轴孔半径rz3判断从动轮采用圆台实体型式还是采用肋板支撑型式：当rz3<(Rmin3‑s)‑5时，则采用肋板支撑型式，当rz3≥(Rmin3‑s)‑5时，采用圆台实体型式；7)若从动线齿轮采用肋板支撑型式，则首先要用空心圆台的如下刚度计算公式(2)来确定空心圆台的壁厚δ，其中：而和t的关系为：当t＝t_s，z_m3＝z_3s，x_m3＝x_3s，y_m3＝y_3s，当t＝t_e，z_m3＝z_3e，当t＝t_m，z_m3＝z_m3，当0°<θ<90°时，当90°≤θ<180°时，8)通过如下强度准则(3)来确定叶轮肋板的厚度ζ，其中：当0°<θ<90°时，l₃＝z_3s‑z_3e，当90°≤θ<180°时，l₃＝z_3e‑z_3s；9)然后通过η＝4ξ和l3＝60ξ来确定上底板厚度η和下底板厚度ξ，而空心圆柱的外径为Rz3＝rz3+3；10)最终可以得到肋板支撑式空心圆台型结构的从动线齿轮的轮体尺寸参数如表2所示：表2 肋板支撑式空心圆台型结构的从动线齿轮的轮体尺寸参数计算由此完成线齿轮轮体设计。