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WN是空間點多接觸嚙合傳動，比漸開線齒輪具有更好的承載能力。WN齒輪傳動的強度設計涉及接觸變形、摩擦潤滑、系統(tǒng)誤差及負載特性等，是多因素復合產(chǎn)生的損傷失效問題，所以應從WN齒輪的嚙合特征、負載變化、系統(tǒng)誤差等的相互影響進行綜合分析研究。為此，本研究在文獻齒輪嚙合仿真接觸分析的基礎(chǔ)上，參考文獻的原理和方法，依據(jù)齒輪的接觸載荷變化，考慮系統(tǒng)誤差及WN齒輪嚙合特點，運用空間幾何分析理論，建立該齒輪傳動的接觸有限元分析模型。WN齒輪與漸開線齒輪不同，嚙合運動副的接觸點不是沿齒高方向移動而是沿齒寬方向的螺旋線移動，WN齒輪通常是雙圓弧輪齒，但其齒形構(gòu)成有所不同，中國采用的是雙階式，日本和歐美采用的是無階式雙圓弧，有關(guān)上、下兩圓弧的銜接方式，基于對傳動和接觸的影響，國內(nèi)外學者和工程技術(shù)人員進行了深入的研究，其成果都在工程中得到應用。圖是中國式WN齒輪嚙合傳動時齒面接觸的三維有限元分析模型，本研究以齒輪傳動主動輪齒-接觸副-從動輪齒為研究對象，取凸凹圓弧齒面為三維幾何接觸模型，針對嚙合中各種因素的復合影響，進行WN齒輪負載嚙合實況和接觸強度分析。
WN齒輪與漸開線齒輪相比，雖有較高的接觸疲勞強度，但是傳動性能和接觸應力會因系統(tǒng)彈性變形、中心距微小變化等引起顯著的變化，WN齒輪與漸開線齒輪不同的是有多個接觸點受力，嚙合傳動過程中其接觸點沿齒寬方向移動，受力方向基本不變，但其接觸點在齒高方向的位置將隨中心距增減而上下移動，接觸點在齒高方向移動的時候，受力方向發(fā)生變化對接觸壓力產(chǎn)生較大影響。圖所示的是WN齒輪齒面接觸區(qū)域的示意圖。雖然理論上圓弧齒輪是點接觸，但一般情況下齒輪的嚙合接觸區(qū)域是矩形或橢圓形的，這是接觸彈性變形和跑合后凸凹曲面曲率變化所致。
另外設計時考慮了制造誤差、安裝誤差等因素的影響，為了避免輪齒比較尖銳的區(qū)域接觸，輪齒凹曲面的曲率半徑相比嚙合的輪齒凸曲面的曲率半徑要大一些。經(jīng)過一段時間運轉(zhuǎn)或跑合后輪齒曲面的曲率半徑將會大小不同變化至使接觸區(qū)域變成近似矩形。而漸開線齒輪的接觸區(qū)域是狹長的矩形，即使運行跑合輪廓上的接觸區(qū)域幾乎沒有改變，所以圓弧齒輪的接觸面積要比漸開線齒輪大很多。WN齒輪的嚙合齒輪副分別是2個凸凹圓弧螺旋曲面，根據(jù)兩接觸曲面的空間關(guān)系，研究把圓弧齒輪嚙合的凸凹齒面近似地看作是一個橄欖球形體和一個馬鞍形體的曲面接觸，如圖所示，與漸開線斜齒輪接觸曲面的2個圓錐體不同，作為赫茲接觸分析模型，用這2個3維曲面來代替兩齒嚙合齒面，由于WN齒輪嚙合過程中齒輪副接觸點數(shù)和同時參與嚙合的齒輪對的變化，接觸載荷也在急劇改變，對接觸應力的計算帶來直接影響，所以本研究首先參考文獻的動載分析，對齒面接觸載荷進行分析，圖是WN齒輪嚙合循環(huán)過程中載荷波動比值和輪齒嚙合對數(shù)倍率變化曲線，由于系統(tǒng)誤差和剛度的影響，實際的載荷的位置有所偏移，但總的趨勢變化是相同的。研究得知，由于接觸齒輪副和點數(shù)不同，1對齒嚙合的載荷約為3對齒嚙合的4.8倍。
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