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整体式螺旋锥齿轮齿轮轴设计的干涉仿真
时间:2022-01-04 11:14:25 点击次数:10

  整体式螺旋锥齿轮齿轮轴设计的干涉仿真

  许多螺旋锥齿轮的应用是通过两件齿轮实现的,其中齿轮和轴是通过螺栓或惯性焊接后作为一个整体。消除螺旋锥齿轮与轴之间的螺栓、花键或焊接接头,可以降低传动设计的复杂性和成本。

  为了保证直升机整体轴设计的成功,对螺旋锥齿轮机床的运动进行了仿真。

  在螺旋锥齿轮制造过程中,对齿轮位置的了解使设计解决方案能够在齿轮轴和螺旋锥齿轮设计之间迭代。完善一个初步的二维工具 ,重新审视模拟结果,以及创建一个更详细可视化的三维模拟图形,以便在设计过程中使用,该设计过程已应用于三种直升机锥齿轮的设计。

  完成了两种设计的物理验证,以降低锥齿轮磨床的风险,然后将设计发布到制造部门。本文讨论了直升机用三种不同的整体轴螺旋锥齿轮在设计过程中所使用的刀具以及制造过程中的验证。

  在直升机应用中,螺旋锥齿轮是从发动机到转子之间,用来传递动力和降低转速。为了达到直升机的最佳性能,我们有一种设计的想法,即设计支承在支座上的一种小型齿轮装置,安装在刚性轴上。跨支装置是轴的设计,在齿轮的两侧安装有支撑孔轴承。跨座装置是一个整体轴的设计,其中支承轴承安装在齿轮的任何一边。相反,悬臂式安装安排是齿轮在轴的末端,轴承被设置在后面,导致典型的不那么僵硬的排列。如果需要一个刚性的跨安装支架,则齿轮和齿轮轴的设计必须使轴在磨削和切削过程中不发生相互干涉,如果未检测到失稳和转矩传递故障,导致相关的裂纹。

  在设计美国陆军CH-47D奇努克直升机时,作出了通过整体设计消除这些连接的决定。整体轴螺旋锥齿轮的设计必须使轴不干扰齿轮的切削和磨削。本文讨论了从参考文献1中更新的技术,以便在制造开始之前在设计阶段进一步迭代。本文介绍的技术,联合多角色技术演示程序(JMR TD),应用于CH-47奇努克成长工程的整体轴设计和SB>1型飞机的两种螺旋锥齿轮新传动设计。在许多螺旋锥齿轮的设计中,经过对螺旋锥齿轮的切削和磨削,将跨装齿轮与轴连接在一起。

  初步设计

  在三个整体齿轮轴设计的每一个,目标是执行最轻的可生产设计,以满足强度和刚度设计要求。与其他设计过程一样,齿轮轴的设计过程是相同的,妥协是解决方案。齿轮轴需要有一个较大的直径,以便安装在一个集成的离合器内孔中,另外一侧与内花键连接。第三种设计包括现有的轴设计,其中开发了一种新的螺旋锥齿轮设计。这三种设计都是跨座式齿轮装置。

  整体轴,跨座式螺旋锥齿轮和配套的悬臂式小齿轮

  螺旋锥齿轮设计时,首先要考虑到其耐久性和强度。然后覆盖检查螺旋锥齿轮加工机床的运动,以查看空间,可用于轴设计。切削首件齿轮的机床和磨齿的砂轮都遵循类似的路径,对其中一个或两者的考虑取决于所设想的制造工艺。性能的提高,使齿轮磨齿机可以直接使用毛坯来加工齿轮,而不是依靠专用的铣齿机。 这允许更少的刀具和更短的时间内,完成快节奏,低数量的螺旋锥齿轮制造项目。在这种情况下,Sb>1型飞机只考虑了磨削工艺,而CH-47型奇努克齿轮采用了切削和磨削相结合的工艺方法。

  Gleason工厂维护一个刀具路径绘图程序,它绘制刀具刀头的齿顶或另一个关注的点,例如用于设计端面铣削的机床的刀具刀盘本体。该程序将关注点从刀盘本身转到齿轮参考框架上,并在二维中绘制每个点到齿轮轴的距离。绘制了三个位置:机床位于齿轮齿的大端处的一个位置;其中齿的中部处于接触位置的一个位置;以及一个机床位于齿轮小端的位置。在齿轮术语中此运动称为“大端,”“名义点,”和“小端”位置。滚动位置,定义为滚动角,时由刀具和工件在切削或者磨削过程中的相对位置同步确定的。该程序要求完成螺旋锥齿轮设计的基本参数以绘制感所关注的点的路径,可以在通用计算机辅助设计(CAD)软件包中导出点以覆盖在轴截面上。图2显示了一个二维图的例子,覆盖在整体轴齿轮的横截面上。

  Gleason在一个整体轴齿轮的横截面上的二维刀具路径图

  在设计的这一阶段,我们主要对最小直径的轴感兴趣,该最小直径的轴是刀具刀头的齿顶。为了加快该过程的循环时间,需要具有较少输入的包含程序,该程序将绘制二维轴参考点中的刀具路径以及轴直径,完成在轴与螺旋锥齿轮齿设计之间的折衷中感兴趣的设计。在齿轮设计和轴设计之间迭代求解,直到最小的解齿头与刀具路径设计,我们发现,使轴至少减少0.060英寸(1.5毫米)。一旦发现,其他齿轮轴特征将定位为清除刀具刀头尖端和螺栓。

  二维刀具路径初始化

  参考文献1描述了在二维坐标系下绘制螺旋锥齿轮刀具轨迹的FORTRAN工具。该设计工具是通过应用描述重新创建的。由Litvin和Lee在MathWorks公司中在MATLAB软件应用程序中编写的程序。

  初步设计工具计算刀具上相对于齿轮轴的点的路径。通常,对刀尖的路径进行评估,但如果需要,还可以使用刀具上的其他点。该程序假设齿轮是用零刀具倾斜的面铣削工艺展成加工的。该程序在刀具坐标系中取点xc=〈xg,yg,zg〉,并将其进行变换到齿轮坐标系xG=〈XG,yg,zg〉。刀具坐标系的z轴正向,指向刀具体的刀具旋转轴。刀具刀头齿顶位于刀具坐标系的X-Y平面内,齿轮坐标系的原点是齿轮的轴交点。齿轮坐标系的Z轴是齿轮转动的轴。齿轮围绕自己的轴旋转不影响刀具的路径,因此不考虑。刀具坐标系与齿轮坐标系之间的简化坐标变换为:

  (1)

  其中,Γ是机床的根角,(q+Δq)是瑶台的滚动位置;XSB是床位位置,Em是机床的偏移量;XMCB是机床的中心到背面的距离。这些值可以在机床的调整参数中找到。对于齿轮或初步设计,它们可以从齿轮的几何形状中计算出来。

  通过绘制每个点与轴之间的距离 rg = √x 2 + y 2,使其创建为二维可视化,其相对于沿轴的位置为Zg。刀具相对于齿轮的位置在整个展生运动过程中发生变化。这个运动是参数(q +Δq)的函数,是摇台位置的函数,因此,应该绘制多个摇台位置。对于初步设计,标出两个极端位置和一个中心位置似乎就足够了。通常,多个滚动位置显示在一个图上。如果需要,还可以同时绘制刀具上的多个感兴趣点。图3显示了来自初步设计工具的结果,显示了在三个不同的滚动位置的砂轮上的多个点的路径。

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