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非圆齿轮传动.pdf

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齿轮传动是机械传动中最普遍的,已有着上千年的历史。齿轮是机器和仪器中广 泛应用的传动件之一,用来传递两轴间的回转运动,其传动比可以是常数(定传动比), 也可以是变数(变传动比)[1]。长期以来,广泛应用于生产的是圆齿轮,即节曲线为圆形、 传动比为定值的齿轮(如圆柱齿轮、圆锥齿轮)。然而,在某些场合需要机构作为变速 比传动,传统的圆齿轮已不能满足这一要求。于是人们突破圆齿轮的局限,提出了非圆 齿轮的概念。非圆齿轮传动以其特有的非匀速比传动,满足了实际需求。 非圆齿轮主要运用在两轴变速比传动中,可实现主动机构与从动机构的非线性关 系。它的节曲线形状是按运动要求设计的,和其它能得到非匀速的机构相比,具有明显 的优点[2]。 非圆齿轮机构可以实现主动件和从动件转角问的非线形关系，在仪器和机器制造 业愈来愈多地采用非圆齿轮机构来替代凸轮机构、连杆机构和其它运动机构。已广泛 地应用于自动机械、运输、仪器仪表、泵类、流量计等工业装置中[3]。非圆齿轮机构 具有结构紧凑、传动精确、平稳、容易实现动平衡等优点,因此对非圆齿轮的动力学 分析的研究也变得日益重要[4]。 目前对于圆齿轮的动力学问题，国内外已经有了相对成熟的研究结果,建立了包 括齿轮啮合动态激励基本原理、齿轮振动分析模型、齿轮系统参数振动学、齿轮系统 间隙非线性动力学等较为成熟的系统理论和方法。对于非圆齿轮这种特殊的齿轮动力 学问题的研究，也已有了一定的进展。而对于非圆齿轮的动态特性的研究却不够成熟。 本课题针对非圆齿轮传动问题,首先基于非对称渐开线齿轮的啮合理论,对非对 称渐开线齿轮传动的啮合特性进行分析,推导出有关非圆齿轮传动的基本设计参数的 计算公式和齿廓曲线方程。其次,采用三维实体建模软件PRO/E建立非圆齿轮的三维 实体模型,并探讨非圆齿轮传动的运动学与动力学模型、用Simulink对非圆齿轮的啮 合情况进行仿真分析,研究非圆齿轮的运动学与动力学特性；采用有限元分析软件 ANSYS对非圆齿轮进行有限元模态分析,对非圆齿轮振动特性进行分析研究。 根据非圆齿轮传动的运动和几何关系,建立非圆齿轮传动的动力学模型,通过研 究非圆齿轮传动过程中的各项动力学特性,从而建立起针对非圆齿轮建模、仿真及分 析的专用动态特性检测装置,为非圆齿轮的设计和分析提供一种更加便捷高效的途 径。 2、国内外研究现状综述 2.1非圆齿轮传动技术发展状况 (1)非圆齿轮传动技术的发展及国内外研究动态 非圆齿轮传动早在20世纪初就已出现。当时为了满足传动需求,实现非匀速比传 动,人们在圆齿轮的基础上,提出了非圆齿轮的概念,并将其付之于应用。早在1910 年,Dunkerly就在其著作《机构》一书中对椭圆齿轮的设计及应用作了阐述[5],这是 一部较早提及非圆齿轮的著作。到了20世纪40年代,非圆齿轮传动技术已有所应 用,尤其是形状简单的椭圆齿轮副。MillerandYoung,Gobler等人在其文献中对此 都有论述[6-7]。20世纪40年代到60年代,非圆齿轮传动技术发展比较迅速,曾经掀起 一股研究非圆齿轮的热潮。各国学者对此作了大量的研究,形成了比较完整的理论体 系。其中有代表性的著作有20世纪50年代原苏联学者编著的《非圆齿轮》一书,该 书就当时的技术水平对非圆齿轮作了较系统和完善的论述,反映了当时非圆齿轮的研 究水平[8]。同一时期,日本、美国、印度、加拿大等国的学者也对非圆齿轮进行了大量 的研究,并取得了一定的成果,推动了非圆齿轮技术的发展。但由于受到当时加工水平 的限制,非圆齿轮的生产精度及生产效率都不高,影响了其普及、应用。20世纪60 年代到70年代,非圆齿轮的研究一度陷入低谷。20世纪80年代以来,随着计算机技术 及数控技术的迅猛发展,再度掀起非圆齿轮研究热潮。各国学者从非圆齿轮的设计、 加工、应用等方面进行了更加深入的研究[9-14],并研制了相应的设计、加工软件包,如 德国学者研制的用于计算和模拟的非圆齿轮的软件包;日本学者研制的非圆齿轮CAD/ CAM系统等,都取得了令人瞩目的成就,进一步丰富和完善了非圆齿轮啮合理论,使 非圆齿轮传动技术更加成熟和实用。 国内对非圆齿轮传动的研究起步较晚,与国外有一定的差距。1975年李福生等 人编译了《非圆齿轮》一书[15],该书是国内最早全面、系统的介绍非圆齿轮的著作,对 我国非圆齿轮的发展起到了积极的推动作用。1981年李福生等人又编著了《非圆齿轮 与特种齿轮传动设计》一书[2],标志着我国在非圆齿轮啮合理论方面已经迈上了一个新 台阶。20世纪80年代到90年代末,我国的不少学者从不同侧面对非圆齿轮进行了研 究,并取得了一定的研究成果。如国内学者崔希烈、刘生林、田立俭、徐晓俊、李健 生等人,分别从非圆齿轮的