專利名稱：齒面接觸區(qū)量化檢驗方法
技術領域：
本發(fā)明提供一種齒面接觸區(qū)量化檢驗方法，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)檢驗的通用方法，屬于機械工程技術領域。
背景技術：
對錐齒輪或準雙曲面齒輪嚙合傳動以測試其傳動質(zhì)量或輪齒支撐接觸，可參考授予Deprez等人的美國專利No.3,795,143。通常在錐齒輪滾動檢驗機上檢測齒面接觸印痕(接觸區(qū))的方法，是通過將紅丹油涂在大齒輪的輪齒表面，然后在一輕載負荷下運行該對齒輪所擠壓出來的接觸印痕，在評價齒輪表面的接觸印痕的質(zhì)量時，習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位置對各個齒輪都是相對變化的，因而輪齒的接觸區(qū)的判斷是有誤差的。另外，由于對所觀察接觸區(qū)的視覺變形，評價接觸區(qū)時把輪齒表面當成了平面，而實際上錐齒輪和準雙曲面齒輪的輪齒表面在輪廓和長度方向為曲面。
之后，采用電子拍攝輪齒接觸印痕來代替肉眼檢查接觸印痕。揭示在授予Gutman的美國專利No.5,373,735中，頻閃燈光和附有充電裝置(CCD)的照相機根據(jù)大齒輪的轉(zhuǎn)動，定時以攝錄連續(xù)齒輪的各個接觸印痕。對成像作數(shù)字化處理并存儲在計算機中以備分析，并且可單獨顯示或若干個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)的日本公開專利申請No.04-36632中，揭示了另一種評價齒輪輪齒接觸印痕的方法。用一種涂料涂在輪齒表面，用CCD照相機察看所涂畫的輪齒表面并將成像存儲在計算機中，再用照相機察看齒輪副嚙合傳動過程中輪齒表面以獲得另一組成像，然后將齒輪副嚙合傳動之后的各輪齒涂畫成像減去嚙合傳動之前所獲得的相應涂畫成像，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顯著問題是雖然各輪齒表面都產(chǎn)生一接觸印痕，但當觀察成像時沒有可參考點。換言之，接觸成像并不能分配到任一個二維或三維的具體坐標系中，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，但其相對輪齒表面邊界的位置是未知的，所以不能形成對輪齒接觸印痕的完整和透徹的評價。
上述采用的人眼觀察印痕的方法的另一個缺點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行比較。TCA印痕表現(xiàn)為在一個適當輪齒表面上接觸印痕的軸向平面投影。在上述的已有技術中沒有發(fā)現(xiàn)接觸印痕在代表適當輪齒的一個表面上的定位。
在授予美國人赫爾曼.J.斯塔特弗爾德的中國專利CN1179210A中，提出了一種輪齒接觸斑跡(印痕)的數(shù)字成像法，特點為(1)視頻數(shù)字成像測出齒輪輪齒表面的接觸印痕；(2)獲得代表多個連續(xù)的輪齒表面接觸印痕的合并接觸印痕。其優(yōu)點比前述方法有一定的提高，實現(xiàn)了接觸區(qū)的數(shù)字化并在確定的坐標系中表示，但其存在的問題是(1)由于被測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，因為不同的輪齒側面都與照相機相對不同角度，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)量化檢驗方法，為理論TCA進行對比分析及齒面誤差加工補償提供定量依據(jù)。其具體方案為一種齒面接觸區(qū)量化檢驗方法，其特征在于檢驗步驟依次為(1)大小齒輪加工并熱處理后，通過三坐標測量機測得大小齒輪齒面的離散數(shù)據(jù)點，將大小齒輪齒面測得的數(shù)據(jù)點，通過坐標變換統(tǒng)一到理論嚙合狀態(tài)的坐標系中；(2)將大小齒輪齒面的離散數(shù)據(jù)點擬合為自由型曲面；(3)求解相嚙合齒輪在每一個嚙合瞬時的嚙合點和接觸區(qū)橢圓，將全部瞬時的嚙合點集成嚙合跡線，將全部瞬時的接觸區(qū)橢圓集成嚙合區(qū)。
為實現(xiàn)上述目的，所述的齒面接觸區(qū)量化檢驗方法，在步驟1中，通過三坐標測量機按行測得大小齒輪齒面的離散數(shù)據(jù)點，測量時，測量坐標要與理論嚙合狀態(tài)坐標系保持一致。
為實現(xiàn)上述目的，所述的齒面接觸區(qū)量化檢驗方法，在步驟1中如果測的數(shù)據(jù)為探頭中心數(shù)據(jù)點，直接利用探頭中心點所在曲面進行計算，然后再將曲面上的接觸跡線和接觸區(qū)按法向等距轉(zhuǎn)換到上實際齒面上。
為實現(xiàn)上述目的，所述的齒面接觸區(qū)量化檢驗方法，在步驟2中，將大小齒輪齒面的離散數(shù)據(jù)點構造成權因子為1的NURBS曲面，即非均勻有理B樣條自由型曲面，采用NURBS曲面構造實際齒面，能夠達到足夠高的計算精度。
為實現(xiàn)上述目的，所述的齒面接觸區(qū)量化檢驗方法，在步驟3中，將兩齒面嚙合點問題轉(zhuǎn)換成直線與齒面的求交點問題，具體是通過三角形判斷法，在每一嚙合瞬時，求得兩齒面對應的曲面片，并由三角形減半算法給出初值，迭代到精確的對應點，通過齒面位置關系的準確判斷，求解過程角度步長的優(yōu)化調(diào)整，逐級細化網(wǎng)格節(jié)點，準確迭代求精，可快速、準確地求解兩齒面的瞬時嚙合點。
為實現(xiàn)上述目的，所述的齒面接觸區(qū)量化檢驗方法，在步驟3中，在每一嚙合瞬時求出嚙合點周圍的等間隙點，依次連接這些等間隙點可得到一條等間隙曲線，即為該瞬時以嚙合點為幾何中心的實際接觸區(qū)，即瞬時接觸區(qū)“橢圓”。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有以下特點(1)真實齒面采用自由型曲面表示，與齒面的理論方程無關，所以原理方法適合于各種齒輪型式的接觸區(qū)檢驗，具有原理和方法的通用性；(2)為避免現(xiàn)有技術中接觸區(qū)采點方式所帶來的誤差，接觸區(qū)檢驗采用數(shù)值解析法，保證了數(shù)據(jù)的準確性，且測得的齒面數(shù)據(jù)統(tǒng)一在理論嚙合坐標系中，檢驗的接觸區(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)檢驗時齒輪的安裝等其它誤差無關；(3)真實地反映出具有加工誤差和熱處理變形真實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)的位置和形狀相對于理論嚙合狀態(tài)坐標系中的量化表示。


圖1為本發(fā)明實施例理論嚙合狀態(tài)的坐標系圖；圖2為本發(fā)明實施例大輪齒面擬合的網(wǎng)格曲面圖；圖3為本發(fā)明實施例小輪齒面擬合的網(wǎng)格曲面圖；圖4為本發(fā)明實施例網(wǎng)格點求距圖；圖5為本發(fā)明實施例判斷點是否在三角形內(nèi)圖；圖6為本發(fā)明實施例三角形減半法確定初始點圖；圖7為本發(fā)明實施例三維接觸跡線和集成的嚙合區(qū)圖；圖8為本發(fā)明實施例三維展到二維接觸跡線和集成的嚙合區(qū)圖。
具體實施例方式
實施例對準雙曲面齒輪副進行檢驗分析相關參數(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。被測齒面為兩輪工作面，即小輪凹面，大輪凸面。其檢驗步驟為(1)大小齒輪加工并熱處理后，通過三坐標測量機按行測得大小齒輪齒面的離散數(shù)據(jù)點按行測得小齒輪齒面的部分離散數(shù)據(jù)點如表1所示。
表1 DATA-001(ACT.NO.OF POINTS＝97)

測量時，將測量坐標系統(tǒng)一到理論嚙合狀態(tài)的坐標系中，如圖1所示。
由于測的數(shù)據(jù)為探頭中心數(shù)據(jù)點，實施例中直接利用探頭中心點所在曲面進行計算，然后再將曲面上的接觸跡線和接觸區(qū)按法向等距轉(zhuǎn)換到上實際齒面上，轉(zhuǎn)換關系為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)點構造成權因子為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曲面構造實際齒面，能夠達到足夠高的計算精度，滿足工程要求。
(3)數(shù)值解相嚙合齒輪在每一個嚙合瞬時的嚙合點和接觸區(qū)橢圓如圖1所示，坐標變換矩陣為σ1→σm的坐標變換矩陣
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]的矩陣表達式 將求兩齒面嚙合點問題轉(zhuǎn)換成直線與齒面的求交點問題，如圖4所示。
通過三角形判斷法，在每一嚙合瞬時，求得兩齒面對應的曲面片，如圖5所示，并由三角形減半算法給出初值，迭代到精確的對應點，如圖6所示。
通過齒面位置關系的準確判斷，求解過程角度步長的優(yōu)化調(diào)整，逐級細化網(wǎng)格節(jié)點，準確迭代求精，可快速、準確地求解兩齒面的一個瞬時嚙合點。
(4)在每一嚙合瞬時求出接觸點周圍的等間隙點，依次連接這些等間隙點可得到一條等間隙曲線，即為該瞬時以嚙合點為幾何中心的實際接觸區(qū)——瞬時接觸區(qū)“橢圓”。
(5)將全部瞬時嚙合點集成嚙合跡線，全部瞬時接觸區(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分析方法同上。
權利要求
1.一種齒面接觸區(qū)量化檢驗方法，其特征在于檢驗步驟依次為(1)大小齒輪加工并熱處理后，通過三坐標測量機測得大小齒輪齒面的離散數(shù)據(jù)點，將大小齒輪齒面測得的數(shù)據(jù)點，通過坐標變換統(tǒng)一到理論嚙合狀態(tài)的坐標系中；(2)將大小齒輪齒面的離散數(shù)據(jù)點擬合為自由型曲面；(3)求解相嚙合齒輪在每一個嚙合瞬時的嚙合點和接觸區(qū)橢圓，將全部瞬時的嚙合點集成嚙合跡線，將全部瞬時的接觸區(qū)橢圓集成嚙合區(qū)。
2.如權利要求1所述的齒面接觸區(qū)量化檢驗方法，其特征在于步驟1中，通過三坐標測量機按行測得大小齒輪齒面的離散數(shù)據(jù)點，測量時，測量坐標要與理論嚙合狀態(tài)坐標系保持一致。
3.如權利要求2所述的齒面接觸區(qū)量化檢驗方法，其特征在于如果測的數(shù)據(jù)為探頭中心數(shù)據(jù)點，直接利用探頭中心點所在曲面進行計算，然后再將曲面上的接觸跡線和接觸區(qū)按法向等距轉(zhuǎn)換到上實際齒面上。
4.如權利要求1所述的齒面接觸區(qū)量化檢驗方法，其特征在于步驟2中，將大小齒輪齒面的離散數(shù)據(jù)點構造成權因子為1的NURBS曲面，即非均勻有理B樣條自由型曲面。
5.如權利要求1所述的齒面接觸區(qū)量化檢驗方法，其特征在于步驟3中，將兩齒面嚙合點問題轉(zhuǎn)換成直線與齒面的求交點問題，具體是通過三角形判斷法，在每一嚙合瞬時，求得兩齒面對應的曲面片，并由三角形減半算法給出初值，迭代到精確的對應點，通過齒面位置關系的準確判斷，求解過程角度步長的優(yōu)化調(diào)整，逐級細化網(wǎng)格節(jié)點，準確迭代求精。
6.如權利要求1所述的齒面接觸區(qū)量化檢驗方法，其特征在于步驟3中，在每一嚙合瞬時求出嚙合點周圍的等間隙點，依次連接這些等間隙點可得到一條等間隙曲線，即為該瞬時以嚙合點為幾何中心的實際接觸區(qū)，即瞬時接觸區(qū)“橢圓”。
全文摘要
本發(fā)明提供一種齒面接觸區(qū)量化檢驗方法，其特征在于檢驗步驟依次為(1)大小齒輪加工并熱處理后，通過三坐標測量機測得大小齒輪齒面的離散數(shù)據(jù)點，將大小齒輪齒面測得的數(shù)據(jù)點，通過坐標變換統(tǒng)一到理論嚙合狀態(tài)的坐標系中；(2)將大小齒輪齒面的離散數(shù)據(jù)點擬合為自由型曲面；(3)求解相嚙合齒輪在每一個嚙合瞬時的嚙合點和接觸區(qū)橢圓，將全部瞬時的嚙合點集成嚙合跡線，將全部瞬時的接觸區(qū)橢圓集成嚙合區(qū)。最終可真實地反映出具有加工誤差和熱處理變形真實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)的位置和形狀相對于理論嚙合狀態(tài)坐標系中的量化表示，為理論TCA進行對比分析，及齒面誤差加工補償提供定量依據(jù)。
文檔編號B23F23/00GK101025384SQ20061004245
公開日2007年8月29日 申請日期2006年2月18日 優(yōu)先權日2006年2月18日
發(fā)明者孫殿柱 申請人:山東理工大學