弧齿锥齿轮的传动误差检测方法研究

弧齿锥齿轮的传动误差检测方法研究（一）立项依据与研究内容（4000-8000字）：1. 项目的立项依据（研究意义、国内外研究现状及发展动态分析，需结合科学研究发展趋势来论述科学意义；或结合国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题来论述其应用前景。

附主要参考文献目录）1.1 项目的研究意义弧齿锥齿轮因其平稳可靠的传动，较高的承载能力等优点被广泛应用于航空航天、航海、汽车、拖拉机、机床等工业部门中。

特别是航空传动系统中，弧齿锥齿轮是直升飞机的主减速器的关键部件，其啮合质量、寿命及可靠性是影响飞行器安全性能的重要因素。

但由于弧齿锥齿轮齿面几何拓扑结构复杂，设计、加工比较困难，在航空领域的应用中又存在诸如高速、重载、齿轮及其支撑因采用轻质结构而造成的变形问题等不利因素，对其啮合质量控制的研究非常困难，其动态性能与可靠性等问题始终难以得到全面解决，其动态设计问题也是工程设计中的难点。

衡量弧齿锥齿轮副啮合质量的重要指标是传动误差和接触印痕。

传动误差是齿轮振动的激励之源，已为前人的大量成果所证实。

弧齿锥齿轮作为一种局部点接触的不完全共轭的齿轮副，必然存在传动误差，它包括了动态性能和强度性能等大量信息。

但目前在设计或制造中都对传动误差缺乏必要的考虑和实用的方法，尤其在测试和检验环节方面，完全没有相应的方法、设备和手段，更是缺乏对传动误差的明确指标要求，使得对其动态性能的改进无从着手。

传统的设计方法是基于印痕控制的方法，加工设计、切齿、检测，到不断反复修正，实际上是以印痕为控制目标的逼近过程，在这一过程中，齿面印痕是最终的目标和要求。

当前我国弧齿锥齿轮的设计和生产，均采用这一方法。

齿轮的动态性能主要决定于齿轮副的传动误差。

传动误差与齿面印痕既有着深刻的内在联系，又各自反映着齿轮性能的不同方面。

齿轮接触传动对于载荷具有非线性的力学特性，尤其是点接触的弧齿锥齿轮传动的非线性更为突出。

片面重视齿面印痕而忽视传动误差，是由于当时齿轮转速不高，强度是主要矛盾，振动问题还不十分突出。

随着齿轮在航空等高速领域的广泛应用，单纯基于齿面印痕控制而忽略传动误差的设计制造方法已不能满足航空高速齿轮传动的动态设计要求，齿轮传动的动态设计与动态质量控制已是工业设计中必须解决的问题。

根据弧齿锥齿轮传动的功能需求来设计齿面的形状参数，即在动态性能目标下，确定实际工况下齿面的最佳啮合印痕（齿面接触轨迹、印痕位置、尺寸）和传动误差（形状、幅值），再设计出能够精确满足以上条件的齿面及相应加工方法，对齿轮传动技术的理论发展和实际应用都具有十分重要的意义。

目前国内大多数企业的弧齿锥齿轮加工采用的是传统摇台机构的铣齿、磨齿机。

基于现有的加工设备，开发基于动态啮合性能控制的高性能的齿面，是当前齿轮制造业迫切需要解决的问题。

齿轮的动态性能主要由工作时承载传动误差曲线波动幅值决定。

波动幅值愈大，振动愈大。

齿轮系统中动力和运动是通过轮齿齿面间连续的相互作用而传递的，载荷作用下轮齿的变形、齿轮运转过程中轮齿的交替啮合及齿间载荷分配使得轮齿啮合刚度具有时变性，时变刚度直接影响承载传动误差。

此外承载传动误差的幅值也与非承载时的初始几何传动误差有关。

当其设计幅值较大时，轻载传动误差波动大；重载时变形补偿作用使波动减小。

反之，当设计幅值较小时，轻载振动小；重载时传动误差波动增大。

因此，基于承载传动误差控制的设计问题也是航空工程设计中的难点。

弧齿锥齿轮的传动误差，单位值一般是 10~20角秒，测量一直是一个比较困难的问题，要求测量的角位移精度在2~4角秒之内，才能正确对齿轮实际工作条件下的动态性能进行验证。

上面提到的格里森公司有专门测量齿轮传动误差装±，价格非常昂贵，大约几百万元置凤凰500数控齿轮检验机，测量精度在 1.0"一套，并且该项设备由于国防上的应用背景，限制向我国进口；此外还有采用光电编码器等方式测量传动误差，测量精度较低，无法满足齿轮传动误差测量的要求，因此，研制精密、高效、稳定、使用方便的检测试仪器和系统有一定的实际意义。

本申请项目“弧齿锥齿轮的传动误差检测方法研究，以多年研究积累基础，提出了建立弧齿锥齿轮传动误差检测系统，根据检测系统编制检测软件进行数据采集，利用FFT和由小波变换的模极大值重建信号的方法编写软件对实验数据进行频谱分析，利用数字滤波器的差分方程对实验结果进行滤波处理，对滤波后的传动误差曲线作进一步分析。

，并开发基于小波分析的齿轮传动误差检测软件。

其研究结果可应用于军事国防、汽车传动、月球与深空探测因此，对上述问题进行系统的理论研究，并提出技术解决方案是十分重要和迫切的。

1.2 国内外研究现状与分析国外研究现状与分析传动质量的效果是在实际啮合传动过程中表现出来的。

要获得高质量的传动，单靠研究单个齿轮的加工及其加工误差是不够的，只有通过对整个实际啮合过程的传动误差进行精密的动态测试，对其做出客观正确的评价，并准确分析产生这些误差的原因，才能为齿轮的加工、选配和安装提供正确的依据，达到事半功倍的效果。

因此，研制精密、高效、稳定、使用方便的检测试仪器和系统成为本领域广大科研工作者为之奋斗的目标之一。

弧齿锥齿轮的传动误差，单位值一般是10~20角秒，测量一直是一个比较困难的问题，要求测量的角位移精度在2~4角秒之内，才能正确对齿轮实际工作条件下的动态性能进行验±，证。

格里森公司有专门测量齿轮传动误差装置凤凰500数控齿轮检验机，测量精度在 1.0"价格非常昂贵，大约几百万元一套，并且该项设备由于国防上的应用背景，限制向我国进口，因此齿轮传动误差测量技术必须立足于自主研究开发与国产化的道路。

还有采用光电编码器等方式测量传动误差，测量精度较低，无法满足齿轮传动误差测量的要求。

本系统采用圆光栅对齿轮传动误差进行测量, 选用RENISHAW公司圆光栅，标称外径229mm，一周采样数据36000*200个，数据精度24位，可以实现传动误差测量系统精度为±1.3角秒，采用光栅两路读数头分别计数的方法,同步两路数据，实现全数字化数据采集,具有结构简单灵活,测量精度高的特点,在航空弧齿轮传动误差测量上具备实用性，并讨论了包括小波处理、傅立叶变换、滤波等信号分析方法。

这对于提高齿轮的设计和制造精度、有效改善弧齿锥齿轮的啮合质量具有重要的实际意义。

国内研究现状与分析传统的弧齿锥齿轮设计方法，是基于印痕控制的方法，即通过美国格里森调整卡进行加工参数计算，然后在加工过程中不断根据齿面印痕的测量，进一步调整加工参数，最后获得满意的齿面印痕要求。

在齿轮试制与试车过程中，由于变形和安装误差，齿面印痕仍可能发生变化，此时须进一步根据印痕要求来修正齿面，即修正加工参数，以获得实际工作条件下的满意的印痕要求。

这一过程，即从加工设计、切齿、检测，到不断反复修正，实际上是以印痕为控制目标的逼近过程，在这一过程中，齿面印痕是最终的目标和要求。

当前我国弧齿锥齿轮的设计和生产，均采用这一方法。

80年代后期，美国Litvin教授独立于格里森公司提出了弧齿锥齿轮设计与切齿的“局部综合法”技术，可对齿面二阶几何特性进行预控，比经验性的调整卡技术大大前进了一步。

我国吴序堂、王小椿等用曲率张量和活动标架等数学工具进一步建立了三阶设计方法，考虑了误差敏感性问题。

但上述二阶、三阶设计方法均局限于参考点及邻近区域，只能预控在参考点及其附近的啮合性能，无法控制远离参考点的齿面性质，可能出现接触迹线严重弯曲，瞬时接触椭圆长轴的长度变化剧烈等现象，传动误差的幅值无法得到有效的控制。

申请人曾进一步提出了全局优化方法，对全齿面多个区域进行了同步优化。

但无论是局部综合法还是全局优化法，接触迹线与传动误差的设计是相关的，即接触迹线方向的改变将影响传动误差的幅值；传动误差幅值的改变又会影响接触迹线的形状。

承载传动误差是齿轮工作过程中振动的直接激励，是产生振动、噪声的主要因素。

基于承载传动误差进行齿面设计可以改善齿轮传动的平稳性及齿间载荷分配，提高齿轮动态性能。

承载传动误差作为齿面设计评价的一种方法，目前无法直接参与到齿面设计中。

通常，衡量弧齿锥齿轮副啮合质量的重要指标是传动误差和接触印痕。

评价弧齿锥齿轮轮齿接触和运动传递质量的通常方法是：把一对齿轮安装在滚动检验机上，在轻载下转动齿轮副，听齿轮发出的声音或分析其振动。

当轮齿表面涂以涂色剂的齿轮副装在滚动检查机的固定位置上一起转动时，便能获得综合的轮齿接触区。

弧齿锥齿轮副的传动误差和接触印痕是由其设计和加工参数所决定的。

传统的弧齿锥齿轮设计和检验方法中，对静态性能的考虑较多，对动态性能考虑不足。

在具体的生产中，通常对接触印痕提出各种要求，主要是由于接触印痕比较直观，因此在弧齿锥齿轮的测试和检验中，基本上依赖于齿面印痕的位置及尺寸。

但齿面印痕仅反映了部分啮合信息，其中主要是部分强度状况，而对动态特性的反映远远不足，往往忽略另一个影响弧齿锥齿轮副啮合质量的非常重要因素——传动误差。

传动误差是齿轮振动的激励之源，已为前人的大量成果所证实。

弧齿锥齿轮作为一种局部点接触的不完全共轭的齿轮副，必然存在传动误差，它包括了动态性能和强度性能等大量信息。

但目前在设计或制造中都对传动误差缺乏必要的考虑和实用的方法，尤其在测试和检验环节方面，完全没有相应的方法、设备和手段，更是缺乏对传动误差的明确指标要求，使得对其动态性能的改进无从着手。

传动质量的效果是在实际啮合传动过程中表现出来的。

要获得高质量的传动，单靠研究单个齿轮的加工及其加工误差是不够的，只有通过对整个实际啮合过程的传动误差进行精密的动态测试，对其做出客观正确的评价，并准确分析产生这些误差的原因，才能为齿轮的加工、选配和安装提供正确的依据，达到事半功倍的效果。

因此，研制精密、高效、稳定、使用方便的检测试仪器和系统成为本领域广大科研工作者为之奋斗的目标之一。

随着计算机技术的迅速发展，直接将计算机作为测试过程的新仪器不断出现，许多系统直接在Windows操作系统上运行，大大提高了仪器的多功能性和方便性。

计算机对测试数据处理的软件功能方面大大加强，CA T(Computer Aided Test)技术也发展迅速。

传动误差(TE，Transmission Error)的检测也通常使用计算机作为辅助测试的手段。

在国内，现在有一些科研单位对传动误差检测进行专门的研究。

其中具有代表性的有重庆大学机械传动国家重点实验室建立了全微机化传动误差检测分析系统[13]。

其中秦树人等人提出了一系列检测机床传动链误差的新方法和信号处理的手段，其中很有创新意义方法有不依靠高精度的测试仪器，而是靠滤波等手段把测试仪器的误差过滤掉[14]。

彭东林等人提出利用单片机的时钟信号对传感器的脉冲进行插值以提高检测精度，并且开展了基于Windows平台下的分布式传动误差和运动特性检测分析系统的研究工作[15]。