英语原文共 16 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
变传动比齿条成形过程建模与切削力预测方法
摘要
变速比齿条作为平衡变速比和转向灵敏度的车辆变速比转向器的关键部件，在汽车工业中显示出巨大的潜力。目前 变速比齿条的加工方法是轨道锻造，具有高性能和高加工效率的优点。但是，轨道锻造只能加工小尺寸的齿条，加工精度受到限制。因此，本文提出了一种新颖的加工方法，即齿轮整形，以通过克服上述轨道锻造的极限来实现变传动比齿条的高质量加工。首先，根据包络线运动与实际齿轮成形过程之间的速度以及各轴进给的映射关系，建立了刀具与工件之间的精确包络线运动模型，以包络最终复杂变化的齿形。变速比的机架。即，严格根据各机械轴的联动关系来确定各机械轴的速度，并具有变速比函数。然后，通过包络运动模型和刀具模型的同时求解，得到了变速比齿条的特定齿形数学模型。同时，由于切削力是齿轮成形过程的关键因素，本文提出了一种切削力预测的新方法，该方法涉及两种创新的计算算法，用于经典金属切削力计算的两个主要分量接触长度b和切屑面积ad模型。首先，基于离散表示，提出了一种新的接触长度b的计算算法，该算法包括切削接触点的具体动态选择准则。其次，为了精确计算切屑面积a，提出了一种离散计算算法，其中涉及两个关键切削点的选择标准。最后，基于经典的金属切削力计算模型，实现了变速比齿条齿形成形过程中切削力的准确预测。进行齿轮成形实验以及切削力测量，并获得了切削力的预测值与实验测量值之间的误差，误差在1％到19％之间。因此，可以得出结论，本文提出的变速比齿条齿轮成形过程中的包络运动模型和切削力预测方法是可行的。
关键词：变速齿轮、齿形、切应力
1，介绍
可变传动比转向器已显示出良好的发展前景，能够平衡转向便携性和转向灵敏度，从而确保传统的恒速比转向器无法做到的转向稳定性。通常，这是通过使用具有可变传动比的齿条齿轮对实现的。由于变速比齿条是变速比转向器的关键部件，因此变速比齿条的研究引起了广泛的关注。根据车辆传动系统的实际转向情况，对传动比可变的齿轮齿条副的设计进行了广泛的研究。由于观察到可变比率转向齿轮的动态特性不同于恒定比率转向齿轮，因此提出了通过使用传统的渐开线齿轮破坏齿的线性轮廓来获得可变传动比齿条的技术，该技术涉及一项昂贵的技术。因此，提出了另一种解决方案以使齿条节距可变连续或逐步可以变，这需要对齿顶进行倒角。尽管可变传动比齿条在工业领域中具有良好的应用前景，但是由于可变传动比齿条沿其长度方向的复杂变化的齿形，仍然阻碍了高质量加工。变传动比齿条的现有加工技术主要是轨道锻造或锻造工艺，加工尺寸小，加工精度有限，导致不能满足传动精度要求，因此有必要开发加工技术适用于变速比无限制的机架，无几何尺寸限制，加工精度高。齿轮整形通常被认为是齿轮齿的一种通用加工方法，尤其是用于加工具有复杂几何齿形的齿轮。在可变中心距齿轮加工包括非圆形齿轮领域中已经进行了许多关于齿轮成形过程的研究。建立了变速齿轮副的数学模型，包括运动学关系，瞬时螺杆轴，“非共轭”螺距曲线，发电机，包络面和产生面。提出了一种非圆齿轮成形的联动模型，并在数控齿轮成形机的整个过程中进行了验证。讨论了使用三连杆CNC成型机包括外齿轮，内齿轮，直齿轮和斜齿轮合成有形非圆齿轮的方法。建立了非圆齿轮的4- 连杆成形方法来避免刀具缩回干扰，并通过实验验证。提出了一种考虑逆向机构关系和啮合方程的方法，以推导由渐开线形整形刀具制造的非圆齿轮的完整数学模型。上面讨论的齿轮整形过程主要是针对非圆形齿轮的，关于变速比齿条的案例研究很少。与非圆齿轮不同，非圆齿轮的螺距半径变化，但齿厚保持均匀，可变传动比齿条的齿厚沿长度方向变化，从而实现可变传动比，因此可变传动比齿条的齿形比非齿形更复杂。
在这种情况下，非圆齿轮的齿轮成形模型和方法不能同等地应用于变速比齿条，这会带来新的加工难度。因此，有必要对变速比齿条的齿轮成形过程进行进一步的研究。由于切削力是齿轮成形过程中的关键因素，因此对其进行研究至关重要。已经提出了用于在加工过程铣削，拉削和齿轮成形中预测切削力的模型和方法。提出了齿轮成形的综合模型，包括运动学，刀具工件啮合（CWE）和切削力。提出了一种机械方法来预测渐开线切割机在齿轮齿切割过程中产生的切割力分量。提出了一种综合的通用模型，该模型综合考虑了真实的运动学和颤振，对螺旋立铣刀的切削力进行了建模。 并在具有复杂螺旋几何形状的圆柱和球头立铣刀上进行了实验验证。建立了基于描述瞬时切屑载荷几何形状以及拉削过程中切屑载荷与三维切削力系统之间关系的机械模型。在实际的三轴铣削过程中，根据铣削力学定律评估了沿啮合的切削刃部分表面的切削力分布。开发了经验，分析，数值以及基于FEM的方法来描述切屑的几何形状并预测刀具的寿命，以定量地捕获切削负荷。事实证明，虽然改变了铣削参数，但所选工具/工件材料组合的铣削力系数并未改变。根据基本机械量对切屑的几何形状和正交切削过程的力系统进行了分析，并伴有一种特殊类型的切屑。金属切削力学，振动原理和实验模型分析被用于解决车间问题。尽管对齿轮加工的切削力进行了大量的研究，但目前对变速比齿条的齿轮成形过程中的切削力的研究很少。由于变传动比齿条的齿厚沿长度方向变化，加工复杂齿条的齿形难度更大，因此难以计算出关键参数来预测变传动比齿条的整形过程中的切削力。因此，有必要对变速比齿条齿形加工过程中的切削力进行进一步的研究。
总之，变速比齿条的齿轮成形过程和切削力预测的建模和方法仍需填补。本文提出了一种新颖的加工方法，即齿轮成形，通过克服上述轨道锻造的极限来实现可变传动比齿条的高质量加工。首先，根据包络线运动与实际齿轮成形过程之间的速度以及各轴进给的映射关系，建立了刀具与工件之间的精确包络线运动模型，以包络最终复杂变化的齿形的可变传动比齿条。即严格根据各机械轴的联动关系来确定各机械轴的速度，并具有变速比函数。然后，通过包络运动模型和刀具模型的同时求解，得到了变速比齿条的特定齿形数学模型。同时，由于切削力是齿轮成形过程的关键因素，本文提出了一种切削力预测的新方法，该方法涉及两种创新的计算算法，用于经典金属切削力计算的两个主要分量：接触长度b和切屑面积a的模型。首先，基于离散表示，提出了一种新的接触长度b的计算算法，该算法包括切削接触点的具体动态选择准则。其次，为了精确计算切屑面积a，提出了一种离散计算算法，其中涉及两个关键切削点的选择标准。最后，基于经典的金属切削力计算模型，实现了变速比齿条齿形成形过程中切削力的准确预测。进行了齿轮成形实验以及切削力测量，并获得了预测值和切削力实验测量值之间的误差，误差保持在1％到19％之间。因此，可以得出结论，本文提出的变速比齿条齿轮成形过程中的包络运动模型和切削力预测方法是可行的。
2. 变速比齿条齿轮成形过程的包络运动模型
2.1 变速比功能
本文研究的可变传动比齿条是基于车辆转向器设计的，该转向器由具有可变传动比的齿条和小齿轮对组成。与恒定速比的转向齿轮不同，可变速比的转向齿轮需要可变的传动比，以便在实际道路行驶过程中平衡转向的便携性和转向灵敏度。当车辆高速直行时，转向力相对较小，因此要求转向齿轮的传动比相应地较低。相反，当车辆以较低的速度转弯时，随着阻力转矩的增加，所需的转向力变大，则需要传动比相对较高。为了在不同驾驶情况下实现车辆转向的全面平衡，设计了以下变速比功能，以满足方程式中提出的两个限制。（1）和（2）。变速比功能必须连续且可导，以获得能够确保转向稳定性的平滑曲线。因此，高传动比和低传动比之间的过渡部分需要平滑且没有折叠点，这意味着在该可变传动比函数中只能存在一个拐点，以避免在存在多个拐点时拐点处的曲线波动。数学公式表示为等式。（1）。
基于上述限制，最终可变传动比函数可以表示为等式。（3）及相关系数列于表1。
如图1所示，可变传动比函数曲线呈现左右对称的形式，其中，当齿轮旋转角?? [ 0，?1 ]和[ ?4 ，?5 ]时，传动比恒定地保持在低值。当齿轮旋转角?? [ ? 2，? 3]时，以恒定且高的传动比进行传动。并且，当齿轮旋转角?? [ ?1 ，?2 ]和[ ?3 ，?4 ]时，两个过渡曲线区间对应于变速比传递。
2.2。齿轮修整工具的齿廓
由于齿轮成形工具的切削刃在其端面上渐开线地突出，因此当齿轮成形工具沿其轴向方向往复运动时，切削刃的运动轨迹形成了直齿渐开线齿轮的齿面，即形轮。假设刀具前刀面垂直于刀具轴，则由齿轮齿面与前刀面的交点产生的齿轮根据齿轮在运动过程中的机床运动学关系来包裹变速比齿条的齿形。塑造过程。齿轮成形工具的齿廓和刀具参数如图2所示。完整的齿廓可以表示为图2中的曲线AF，其中AC段和DE段分别是左，右渐开线，CD段是齿顶圆弧部分，而EF段包括根圆和过渡曲线段。假设齿轮整形工具R（ra，rb，rf ，? ，? k）的齿廓写为等式。（4）
2.3。齿轮成型机轴的运动
变速比齿条的齿轮成形过程可以看作是四个运动的叠加：往复主轴运动，圆形进给运动，刀架的横向进给运动和机床工作台的径向进给运动。往复主轴运动包含一个运动环，使刀具在同时完成释放运动的情况下上下移动。圆形进给运动表示图3中工具的旋转，而刀架的横向进给运动是工件在图3中沿其长度方向的平移，以加工齿形。机床工作台的径向进给运动使要加工的工件达到整个齿深。此外，刀架的释放运动可防止刀具刮伤加工表面。通常，释放距离为0.2mm到0.3mm。如图三所示，通过移动位置到刀具的初始位置可以消除释放距离，尽管刀具往复运动，刀具的垂直位置也不会改变，并且可以在机床运动方程中省略刀具运动参数。如图4所示，在齿条的实际齿轮成形过程中，加工指令F表示刀具点的进给速度，即圆进给运动轴B轴和横向进给运动轴的总进给速度。刀架X轴。为了实现包络线运动与变速比齿条的实际齿轮成形过程之间的映射关系，有必要在包络线运动模型中将进给速度F 的加工指令转换为刀具的包络线速度。在包络线的运动模型，该工具点的运动增量由圆形进给运动增量delta; 乙和横向进给增量delta; X.同时，运动增量的机器B轴的假定为Delta;B和的运动增量的刀架X轴假定为Delta;X。基于几何运动学
图 公式
由于加工F的进给速度已在表2中预设，因此根据公式确定包络运动的速度涉及FB和FX。（18）– （23）。FB是齿轮成形工具的圆周进给速度，FX是齿条的横向进给速度。每个往复运动的行程时间
主轴运动环由表2中的往复速度frp 确定。
2.4。齿轮修整工具的进给设置
从初始加工循环到待加工的完整齿形，变速传动比齿条的齿轮成形过程完成了多个加工循环。与先前的加工循环相比，每个加工循环的切削深度都是递增的，以便逐渐加工整个齿形，从而避免了因切削深度过大而导致的刀具磨损。另外，在同一加工循环中，每个加工循环的切削深度保持相等且恒定，以确保加工稳定性和切削均匀性。从刀具中心到工件的法向距离定义为d。切削深度在初始加工循环中设为h1，在第k个加工循环中设为hk 。完整的齿深H可以通过等式计算。（24）。
整个加工过程中，假定有是总共n个周期的，并且作为第k加工循环的进料被定义Delta;hk ，然后对于每个加工周期齿轮成形工具的进给设置在列表3中。
2.5。建立实际齿轮成形过程的包络运动模型
如示于图5中，工具坐标系统（TCS），工件坐标系统（WCS），和固定坐标系（FCS）被建立，假设齿轮成型机轴的运动参数表示如下：phi; 是刀具旋转角，与刀具齿形上的齿角以及等式中的齿轮旋转角相对应。（3）。s表示工件的横向位移，还表示等式中的齿条行程。（2）。d表示表3中从刀具中心到工件的正常距离。从TCS到FCS 的坐标变换矩阵MF - T可以基于这两个坐标系之间的相对位置关系和相对运动关系来获得[29]。矩阵方程式如下表示。（25）。
结合方程得到变速比齿条的包络曲线。（4），（27）和（28）在不同的包角下如图6所示。完整的模型（0〜? 5）共包含17种齿形。如图6所示，
传动比齿条随包络角度的不同而变化。为了研究与用于每个齿可变传动比齿形状变化规律，相应的齿廓提取图7所示的算法。采用以获得可变传动比齿条齿形，如示于图8 的齿厚SI 的通过采用距离计算算法获取变桨比齿条上的变传动比齿条，齿厚si 沿齿条长度的变化曲线如图9 所示。
图9中，变齿的齿厚变化曲线传动比机架与传动比功能一致。当传动比恒定在高值时，齿条齿厚度si 相应地更大并且稳定地保持在高值。当的传动比是在过渡曲线的范围内，所述齿条齿厚SI 表明与所述传动比相同的变化趋势每当增加或减少。当传动比减小到最小时，齿条齿的厚度略有增加，这可能是因为齿条两端的齿形尚未完全包住。
3.齿轮整形过程中的切削力预测
变速比齿条的齿轮成形是在刀具沿切削速度方向移动时（图10中的Vc），通过刀具的上边缘和侧边缘将金属材料从工件上去除的过程。尽管齿轮成形过程中的几何形状和运动学不同于其他金属切削过程，但所有这些金属切削操作都遵循相同的机械原理。如图10所示，在变速比齿条整形加工中，工具沿上下方向即切削速度Vc 的方向切入。由于相同行程处的切削接触点分布在同一平面上，切削刃倾斜角通常取为0。因此，每个切削接触点处的金属切削过程都可以视为正交切削，并且该齿轮整形过程是多个正交切屑。同时，基于对齿轮成形过程中切削力的研究，可以将齿轮成形过程中任何切削接触点的经典金属切削力计算模型写为等式。
如图10所示，Ft是与切削速度方向（Vc ）相反的切向切削力，Ff是垂直于切削速度方向（Vc ）的进给切削力，Fr是同时垂直于Ft和Ff的径向切削力与切削刃有一定的倾斜角度。由于在任何切削接触点的每个行程都可以视为正
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[237244]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
