專利名稱：齒面接觸區(qū)量化檢驗(yàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一種齒面接觸區(qū)量化檢驗(yàn)方法，適合于圓柱齒輪、螺旋圓錐齒輪等各種齒輪型式的齒輪副接觸區(qū)檢驗(yàn)的通用方法，屬于機(jī)械工程技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
對(duì)錐齒輪或準(zhǔn)雙曲面齒輪嚙合傳動(dòng)以測(cè)試其傳動(dòng)質(zhì)量或輪齒支撐接觸，可參考授予Deprez等人的美國(guó)專利No.3,795,143。通常在錐齒輪滾動(dòng)檢驗(yàn)機(jī)上檢測(cè)齒面接觸印痕(接觸區(qū))的方法，是通過(guò)將紅丹油涂在大齒輪的輪齒表面，然后在一輕載負(fù)荷下運(yùn)行該對(duì)齒輪所擠壓出來(lái)的接觸印痕，在評(píng)價(jià)齒輪表面的接觸印痕的質(zhì)量時(shí)，習(xí)慣的方法是用肉眼檢查所做的一種定性判斷，以確定接觸區(qū)的形狀和位置是否滿足要求，由于觀察者眼睛相對(duì)位置對(duì)各個(gè)齒輪都是相對(duì)變化的，因而輪齒的接觸區(qū)的判斷是有誤差的。另外，由于對(duì)所觀察接觸區(qū)的視覺(jué)變形，評(píng)價(jià)接觸區(qū)時(shí)把輪齒表面當(dāng)成了平面，而實(shí)際上錐齒輪和準(zhǔn)雙曲面齒輪的輪齒表面在輪廓和長(zhǎng)度方向?yàn)榍妗?br> 之后，采用電子拍攝輪齒接觸印痕來(lái)代替肉眼檢查接觸印痕。揭示在授予Gutman的美國(guó)專利No.5,373,735中，頻閃燈光和附有充電裝置(CCD)的照相機(jī)根據(jù)大齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，定時(shí)以攝錄連續(xù)齒輪的各個(gè)接觸印痕。對(duì)成像作數(shù)字化處理并存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中以備分析，并且可單獨(dú)顯示或若干個(gè)互相重合以顯示接觸印痕中輪齒至輪齒的變化。
在授予Mazda汽車公司(Mazda Motor Corporation)的日本公開(kāi)專利申請(qǐng)No.04-36632中，揭示了另一種評(píng)價(jià)齒輪輪齒接觸印痕的方法。用一種涂料涂在輪齒表面，用CCD照相機(jī)察看所涂畫(huà)的輪齒表面并將成像存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，再用照相機(jī)察看齒輪副嚙合傳動(dòng)過(guò)程中輪齒表面以獲得另一組成像，然后將齒輪副嚙合傳動(dòng)之后的各輪齒涂畫(huà)成像減去嚙合傳動(dòng)之前所獲得的相應(yīng)涂畫(huà)成像，剩下的部分成像就是接觸印痕。
在上述兩種方法中所存在的一個(gè)顯著問(wèn)題是雖然各輪齒表面都產(chǎn)生一接觸印痕，但當(dāng)觀察成像時(shí)沒(méi)有可參考點(diǎn)。換言之，接觸成像并不能分配到任一個(gè)二維或三維的具體坐標(biāo)系中，這樣就不可能知道接觸印痕在輪齒表面上的確切位置。如果沒(méi)有其位置與輪齒表面的參考系，觀察接觸印痕是不充分的，即雖然可以確定接觸區(qū)形狀，但其相對(duì)輪齒表面邊界的位置是未知的，所以不能形成對(duì)輪齒接觸印痕的完整和透徹的評(píng)價(jià)。
上述采用的人眼觀察印痕的方法的另一個(gè)缺點(diǎn)是所獲得的印痕形式不能使其直接與輪齒接觸分析(TCA)方法所獲得的理想接觸印痕進(jìn)行比較。TCA印痕表現(xiàn)為在一個(gè)適當(dāng)輪齒表面上接觸印痕的軸向平面投影。在上述的已有技術(shù)中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)接觸印痕在代表適當(dāng)輪齒的一個(gè)表面上的定位。
在授予美國(guó)人赫爾曼.J.斯塔特弗爾德的中國(guó)專利CN1179210A中，提出了一種輪齒接觸斑跡(印痕)的數(shù)字成像法，特點(diǎn)為(1)視頻數(shù)字成像測(cè)出齒輪輪齒表面的接觸印痕；(2)獲得代表多個(gè)連續(xù)的輪齒表面接觸印痕的合并接觸印痕。其優(yōu)點(diǎn)比前述方法有一定的提高，實(shí)現(xiàn)了接觸區(qū)的數(shù)字化并在確定的坐標(biāo)系中表示，但其存在的問(wèn)題是(1)由于被測(cè)齒輪副不可避免地存在著安裝誤差，接觸印痕偏離理論嚙合區(qū)，在受齒面加工誤差和熱處理變形影響外，還受齒輪副安裝誤差的影響；(2)任一矩陣網(wǎng)格單元中的較高數(shù)字并不一定意味著更敏感的接觸，因?yàn)椴煌妮嘄X側(cè)面都與照相機(jī)相對(duì)不同角度，并因此具有不同的光角影響誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的在于克服上述缺陷，提供一種適合各種齒輪型式齒面接觸跡線和接觸區(qū)量化檢驗(yàn)方法，為理論TCA進(jìn)行對(duì)比分析及齒面誤差加工補(bǔ)償提供定量依據(jù)。其具體方案為一種齒面接觸區(qū)量化檢驗(yàn)方法，其特征在于檢驗(yàn)步驟依次為(1)大小齒輪加工并熱處理后，通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)得大小齒輪齒面的離散數(shù)據(jù)點(diǎn)，將大小齒輪齒面測(cè)得的數(shù)據(jù)點(diǎn)，通過(guò)坐標(biāo)變換統(tǒng)一到理論嚙合狀態(tài)的坐標(biāo)系中；(2)將大小齒輪齒面的離散數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合為自由型曲面；(3)求解相嚙合齒輪在每一個(gè)嚙合瞬時(shí)的嚙合點(diǎn)和接觸區(qū)橢圓，將全部瞬時(shí)的嚙合點(diǎn)集成嚙合跡線，將全部瞬時(shí)的接觸區(qū)橢圓集成嚙合區(qū)。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，所述的齒面接觸區(qū)量化檢驗(yàn)方法，在步驟1中，通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)按行測(cè)得大小齒輪齒面的離散數(shù)據(jù)點(diǎn)，測(cè)量時(shí)，測(cè)量坐標(biāo)要與理論嚙合狀態(tài)坐標(biāo)系保持一致。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，所述的齒面接觸區(qū)量化檢驗(yàn)方法，在步驟1中如果測(cè)的數(shù)據(jù)為探頭中心數(shù)據(jù)點(diǎn)，直接利用探頭中心點(diǎn)所在曲面進(jìn)行計(jì)算，然后再將曲面上的接觸跡線和接觸區(qū)按法向等距轉(zhuǎn)換到上實(shí)際齒面上。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，所述的齒面接觸區(qū)量化檢驗(yàn)方法，在步驟2中，將大小齒輪齒面的離散數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)造成權(quán)因子為1的NURBS曲面，即非均勻有理B樣條自由型曲面，采用NURBS曲面構(gòu)造實(shí)際齒面，能夠達(dá)到足夠高的計(jì)算精度。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，所述的齒面接觸區(qū)量化檢驗(yàn)方法，在步驟3中，將兩齒面嚙合點(diǎn)問(wèn)題轉(zhuǎn)換成直線與齒面的求交點(diǎn)問(wèn)題，具體是通過(guò)三角形判斷法，在每一嚙合瞬時(shí)，求得兩齒面對(duì)應(yīng)的曲面片，并由三角形減半算法給出初值，迭代到精確的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，通過(guò)齒面位置關(guān)系的準(zhǔn)確判斷，求解過(guò)程角度步長(zhǎng)的優(yōu)化調(diào)整，逐級(jí)細(xì)化網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，準(zhǔn)確迭代求精，可快速、準(zhǔn)確地求解兩齒面的瞬時(shí)嚙合點(diǎn)。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，所述的齒面接觸區(qū)量化檢驗(yàn)方法，在步驟3中，在每一嚙合瞬時(shí)求出嚙合點(diǎn)周圍的等間隙點(diǎn)，依次連接這些等間隙點(diǎn)可得到一條等間隙曲線，即為該瞬時(shí)以嚙合點(diǎn)為幾何中心的實(shí)際接觸區(qū)，即瞬時(shí)接觸區(qū)“橢圓”。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下特點(diǎn)(1)真實(shí)齒面采用自由型曲面表示，與齒面的理論方程無(wú)關(guān)，所以原理方法適合于各種齒輪型式的接觸區(qū)檢驗(yàn)，具有原理和方法的通用性；(2)為避免現(xiàn)有技術(shù)中接觸區(qū)采點(diǎn)方式所帶來(lái)的誤差，接觸區(qū)檢驗(yàn)采用數(shù)值解析法，保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，且測(cè)得的齒面數(shù)據(jù)統(tǒng)一在理論嚙合坐標(biāo)系中，檢驗(yàn)的接觸區(qū)偏離理論接觸區(qū)完全是由于齒面誤差和熱處理變形所致，與齒輪接觸區(qū)檢驗(yàn)時(shí)齒輪的安裝等其它誤差無(wú)關(guān)；(3)真實(shí)地反映出具有加工誤差和熱處理變形真實(shí)齒面的嚙合跡線和接觸區(qū)的位置和形狀，以及嚙合跡線和接觸區(qū)的位置和形狀相對(duì)于理論嚙合狀態(tài)坐標(biāo)系中的量化表示。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例理論嚙合狀態(tài)的坐標(biāo)系圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例大輪齒面擬合的網(wǎng)格曲面圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例小輪齒面擬合的網(wǎng)格曲面圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例網(wǎng)格點(diǎn)求距圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例判斷點(diǎn)是否在三角形內(nèi)圖；圖6為本發(fā)明實(shí)施例三角形減半法確定初始點(diǎn)圖；圖7為本發(fā)明實(shí)施例三維接觸跡線和集成的嚙合區(qū)圖；圖8為本發(fā)明實(shí)施例三維展到二維接觸跡線和集成的嚙合區(qū)圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例對(duì)準(zhǔn)雙曲面齒輪副進(jìn)行檢驗(yàn)分析相關(guān)參數(shù)為齒數(shù)z1＝6，z2＝35；大輪大端端面模數(shù)mt2＝7.15mm，大輪大端分度圓直徑de2＝250.25mm；偏置距E＝30mm；螺旋角β1＝50°，β2＝34°7′52″；平均壓力角α＝22°30′；小輪左旋，大輪右旋。被測(cè)齒面為兩輪工作面，即小輪凹面，大輪凸面。其檢驗(yàn)步驟為(1)大小齒輪加工并熱處理后，通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)按行測(cè)得大小齒輪齒面的離散數(shù)據(jù)點(diǎn)按行測(cè)得小齒輪齒面的部分離散數(shù)據(jù)點(diǎn)如表1所示。
表1 DATA-001(ACT.NO.OF POINTS＝97)

測(cè)量時(shí)，將測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng)一到理論嚙合狀態(tài)的坐標(biāo)系中，如圖1所示。
由于測(cè)的數(shù)據(jù)為探頭中心數(shù)據(jù)點(diǎn)，實(shí)施例中直接利用探頭中心點(diǎn)所在曲面進(jìn)行計(jì)算，然后再將曲面上的接觸跡線和接觸區(qū)按法向等距轉(zhuǎn)換到上實(shí)際齒面上，轉(zhuǎn)換關(guān)系為P→0(u,v)=p→(u,v)+h·n→(u,v)]]>(2)將大小齒輪齒面的離散數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)造成權(quán)因子為1的NURBS曲面，即非均勻有理B樣條自由型曲面，大小齒輪齒面構(gòu)造的自由型曲面的網(wǎng)格曲面如圖2～3所示。
采用NURBS曲面構(gòu)造實(shí)際齒面，能夠達(dá)到足夠高的計(jì)算精度，滿足工程要求。
(3)數(shù)值解相嚙合齒輪在每一個(gè)嚙合瞬時(shí)的嚙合點(diǎn)和接觸區(qū)橢圓如圖1所示，坐標(biāo)變換矩陣為σ1→σm的坐標(biāo)變換矩陣
σ1→σ01→σ02→σ2→σmσ1→σ01 σ01→σ02 σ02→σ2 σ2→σm[m2m]σ1→σm [m2m]=a11a12a13a21a22a23a31a32a33]]>σ2→σm的坐標(biāo)變換矩陣a11=(a→ξ)2·i→2a12=(a→ξ)2·j→2a13=(a→ξ)2·k→2a21=(a→η)2·i→2a22=(a→η)2·j→2a23=(a→η)2·k→2a31=(n→)2·i→2a32=(n→)2·j→2a33=(n→)2·k→2]]>[m1m]的矩陣表達(dá)式 將求兩齒面嚙合點(diǎn)問(wèn)題轉(zhuǎn)換成直線與齒面的求交點(diǎn)問(wèn)題，如圖4所示。
通過(guò)三角形判斷法，在每一嚙合瞬時(shí)，求得兩齒面對(duì)應(yīng)的曲面片，如圖5所示，并由三角形減半算法給出初值，迭代到精確的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，如圖6所示。
通過(guò)齒面位置關(guān)系的準(zhǔn)確判斷，求解過(guò)程角度步長(zhǎng)的優(yōu)化調(diào)整，逐級(jí)細(xì)化網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，準(zhǔn)確迭代求精，可快速、準(zhǔn)確地求解兩齒面的一個(gè)瞬時(shí)嚙合點(diǎn)。
(4)在每一嚙合瞬時(shí)求出接觸點(diǎn)周圍的等間隙點(diǎn)，依次連接這些等間隙點(diǎn)可得到一條等間隙曲線，即為該瞬時(shí)以嚙合點(diǎn)為幾何中心的實(shí)際接觸區(qū)——瞬時(shí)接觸區(qū)“橢圓”。
(5)將全部瞬時(shí)嚙合點(diǎn)集成嚙合跡線，全部瞬時(shí)接觸區(qū)“橢圓”集成嚙合區(qū)，三維接觸跡線和集成的嚙合區(qū)如圖7所示，三維展到二維接觸跡線和集成的嚙合區(qū)如圖8所示。
其它齒輪型式的檢驗(yàn)分析方法同上。
權(quán)利要求
1.一種齒面接觸區(qū)量化檢驗(yàn)方法，其特征在于檢驗(yàn)步驟依次為(1)大小齒輪加工并熱處理后，通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)得大小齒輪齒面的離散數(shù)據(jù)點(diǎn)，將大小齒輪齒面測(cè)得的數(shù)據(jù)點(diǎn)，通過(guò)坐標(biāo)變換統(tǒng)一到理論嚙合狀態(tài)的坐標(biāo)系中；(2)將大小齒輪齒面的離散數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合為自由型曲面；(3)求解相嚙合齒輪在每一個(gè)嚙合瞬時(shí)的嚙合點(diǎn)和接觸區(qū)橢圓，將全部瞬時(shí)的嚙合點(diǎn)集成嚙合跡線，將全部瞬時(shí)的接觸區(qū)橢圓集成嚙合區(qū)。
2.如權(quán)利要求1所述的齒面接觸區(qū)量化檢驗(yàn)方法，其特征在于步驟1中，通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)按行測(cè)得大小齒輪齒面的離散數(shù)據(jù)點(diǎn)，測(cè)量時(shí)，測(cè)量坐標(biāo)要與理論嚙合狀態(tài)坐標(biāo)系保持一致。
3.如權(quán)利要求2所述的齒面接觸區(qū)量化檢驗(yàn)方法，其特征在于如果測(cè)的數(shù)據(jù)為探頭中心數(shù)據(jù)點(diǎn)，直接利用探頭中心點(diǎn)所在曲面進(jìn)行計(jì)算，然后再將曲面上的接觸跡線和接觸區(qū)按法向等距轉(zhuǎn)換到上實(shí)際齒面上。
4.如權(quán)利要求1所述的齒面接觸區(qū)量化檢驗(yàn)方法，其特征在于步驟2中，將大小齒輪齒面的離散數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)造成權(quán)因子為1的NURBS曲面，即非均勻有理B樣條自由型曲面。
5.如權(quán)利要求1所述的齒面接觸區(qū)量化檢驗(yàn)方法，其特征在于步驟3中，將兩齒面嚙合點(diǎn)問(wèn)題轉(zhuǎn)換成直線與齒面的求交點(diǎn)問(wèn)題，具體是通過(guò)三角形判斷法，在每一嚙合瞬時(shí)，求得兩齒面對(duì)應(yīng)的曲面片，并由三角形減半算法給出初值，迭代到精確的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，通過(guò)齒面位置關(guān)系的準(zhǔn)確判斷，求解過(guò)程角度步長(zhǎng)的優(yōu)化調(diào)整，逐級(jí)細(xì)化網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，準(zhǔn)確迭代求精。
6.如權(quán)利要求1所述的齒面接觸區(qū)量化檢驗(yàn)方法，其特征在于步驟3中，在每一嚙合瞬時(shí)求出嚙合點(diǎn)周圍的等間隙點(diǎn)，依次連接這些等間隙點(diǎn)可得到一條等間隙曲線，即為該瞬時(shí)以嚙合點(diǎn)為幾何中心的實(shí)際接觸區(qū)，即瞬時(shí)接觸區(qū)“橢圓”。
全文摘要
本發(fā)明提供一種齒面接觸區(qū)量化檢驗(yàn)方法，其特征在于檢驗(yàn)步驟依次為(1)大小齒輪加工并熱處理后，通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)得大小齒輪齒面的離散數(shù)據(jù)點(diǎn)，將大小齒輪齒面測(cè)得的數(shù)據(jù)點(diǎn)，通過(guò)坐標(biāo)變換統(tǒng)一到理論嚙合狀態(tài)的坐標(biāo)系中；(2)將大小齒輪齒面的離散數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合為自由型曲面；(3)求解相嚙合齒輪在每一個(gè)嚙合瞬時(shí)的嚙合點(diǎn)和接觸區(qū)橢圓，將全部瞬時(shí)的嚙合點(diǎn)集成嚙合跡線，將全部瞬時(shí)的接觸區(qū)橢圓集成嚙合區(qū)。最終可真實(shí)地反映出具有加工誤差和熱處理變形真實(shí)齒面的嚙合跡線和接觸區(qū)的位置和形狀，以及嚙合跡線和接觸區(qū)的位置和形狀相對(duì)于理論嚙合狀態(tài)坐標(biāo)系中的量化表示，為理論TCA進(jìn)行對(duì)比分析，及齒面誤差加工補(bǔ)償提供定量依據(jù)。
文檔編號(hào)B23F23/00GK101025384SQ20061004245
公開(kāi)日2007年8月29日 申請(qǐng)日期2006年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月18日
發(fā)明者孫殿柱 申請(qǐng)人:山東理工大學(xué)