为了研究轴线倾斜造成的装配平行度误差对齿轮啮合过程齿根弯曲变形的影响,设计并搭建了一套齿轮轴线可调节的齿轮箱实验台和完整的应变采集分析系统,并进行实验验证。基于调心滚子轴承内外圈的允许偏差,建立不同轴线偏移程度的齿轮组接触有限元模型,并进行动态仿真分析,获得啮合过程中的齿根应变应力分布曲线;通过对实验所需的不同轴线的调节方式的设计,对比了调节前后两轴角度的偏差实际值与理论值,验证了调节装置的可行性;最后,通过应变片采集卡等组成的应变采集系统,测试了不同轴线平行度误差下的齿根应变值,得到了相应的啮合应变应力分布曲线,并与仿真得到的啮合应变应力曲线进行对比,得出轴线平行度误差对齿根危险截面处弯曲变形应力的影响。

借助于Pro/E强大的三维绘图能力,绘制出了精准的渐开线变位直齿圆柱齿轮的三维图,将三维齿轮图导入到与其具有良好数据交换接口ANSYS软件中,通过应力云图给出了齿轮的齿根弯曲应力的数值。

以某一工程实例中的斜齿圆柱齿轮作为研究对象,在Pro/E软件中利用所给参数建立斜齿圆柱齿轮模型并将其简化为单个轮齿模型导入到ANSYS中进行齿根应力分析。由轮齿应力云图可知,齿根圆角处容易发生应力集中,设计时应当选择恰当的过渡圆角半径,避免应力集中,从而提高齿轮的弯曲强度。有限元分析的结果与理论计算结果相比,其误差在允许的范围内,说明结果是准确有效的。

为了提高圆弧齿线圆柱齿轮的强度,提出了双压力角非对称齿形设计。以双压力角铣刀盘为假想齿条,根据展成运动原理,推导齿面数学模型,获得齿面离散点坐标;在Pro/E中采用逆向建模的方法,建立高精度的非对称圆弧齿线圆柱齿轮模型;借助ABAQUS软件,分析工作载荷下两组压力角为25°/20°和25°/20°齿轮副的应力情况,提取出轮齿的齿面接触应力和齿根弯曲应力曲线。结果表明大轮、小轮齿面的最大拟合误差分别为0.025mm、0.023mm;大压力角圆弧齿线圆柱齿轮能够显著提高轮齿的强度性能。

基于啮合原理，根据齿条刀具方程推导了渐开线圆柱齿轮的齿廓方程。在此基础上，基于MATLAB平台编制程序，实现了齿轮全齿有限元模型的参数化建模。在ANSYS环境下，导入MATLAB生成的有限元模型进行了齿轮齿根弯曲应力求解。最后分析了齿条刀具在不同刀尖圆角半径和不同刀尖过渡区形状下所加工齿轮的齿根弯曲应力，揭示了刀具刀尖过渡区域形状与齿轮齿根弯曲应力之间的关系。