内容简介
《线齿轮理论与应用基础》是在作者*部专著《线齿轮》的基础上，汇集近十年来线齿轮课题组研究的*新理论和应用成果撰写而成。《线齿轮理论与应用基础》共7章，第1章为绪论，主要介绍线齿轮的传动特点与应用分类；第2章介绍线齿轮啮合原理、构型设计理论与方法；第3章介绍纯滚动线齿轮设计理论及公式，内容包括平行轴内/外啮合纯滚动线齿轮、纯滚动线齿轮齿条、任意角度交叉轴纯滚动圆锥线齿轮等；第4章介绍线齿轮传动摩擦学，内容包括线齿轮副接触模型、线齿轮副弹流油润滑和弹流脂润滑设计、干摩擦工况下的线齿轮设计以及线齿固体涂层润滑技术等；第5章介绍线齿轮制造技术与装备，内容包括线齿轮专用数控铣削加工技术与装备、线齿轮专用数控磨削技术与装备、线齿轮专用搓齿加工技术与装备、线齿轮3D打印技术与工艺、线齿轮激光微纳加工技术与装备以及其他后处理二次加工技术与装备等；第6章介绍线齿轮传动能力、误差分析、制造精度检测技术与装备；第7章介绍线齿轮典型应用，内容包括典型应用产品的构型设计、制造工艺及装备、产品性能测试等。
目录
目录
前言
主要物理量的符号、名称和单位
第1章 绪论 1
1.1 线齿轮传动的特点 2
1.2 线齿轮的应用分类 4
1.2.1 常规应用线齿轮 4
1.2.2 特殊应用线齿轮 4
1.3 本章小结 5
第2章 线齿轮啮合原理、构型设计理论与方法 6
2.1 线齿轮啮合原理 6
2.2 线齿轮构型设计理论与方法 7
2.2.1 交错线齿轮坐标系及其坐标变换 7
2.2.2 交错线齿轮空间*线啮合基本方程 10
2.2.3 交错线齿轮的主、从动接触线方程 12
2.2.4 共面线齿轮的啮合基本方程 13
2.2.5 主、从动线齿的构建方法与中心线方程 14
2.2.6 主、从动线齿及线齿轮实体构建方法 15
2.3 线齿轮副重合度设计公式 16
2.3.1 交错线齿轮副的重合度 16
2.3.2 非垂直交错线齿轮副重合度的影响因素 17
2.3.3 计算实例 26
2.4 线齿轮几何参数设计计算公式 28
2.4.1 标准线齿轮几何参数设计计算公式 29
2.4.2 线齿轮传动的几何约束与不干涉条件 31
2.5 其他构型线齿轮设计 39
2.5.1 可变角度线齿轮设计 39
2.5.2 具备可分性的线齿轮设计 46
2.6 本章小结 53
第3章 纯滚动线齿轮设计理论及公式 54
3.1 共面纯滚动线齿轮啮合线参数方程 54
3.1.1 共面纯滚动线齿轮啮合原理 54
3.1.2 不同运动规律的纯滚动啮合线参数方程 55
3.2 纯滚动线齿轮齿面主动设计方法 58
3.2.1 “点-线-面”齿面螺旋运动成形原理 58
3.2.2 纯滚动圆柱线齿轮主、从齿面接触线参数方程 60
3.2.3 纯滚动圆锥线齿轮主、从齿面接触线参数方程 63
3.2.4 齿廓截形设计 65
3.3 平行轴外啮合纯滚动线齿轮设计 70
3.3.1 齿面数学模型 70
3.3.2 齿轮几何学设计 75
3.3.3 齿面接触分析 77
3.3.4 齿面应力分析 79
3.4 变螺旋角平行轴外啮合纯滚动线齿轮设计 83
3.4.1 啮合点运动规律 83
3.4.2 齿面数学模型 84
3.4.3 齿轮几何学设计 90
3.4.4 齿面接触分析 92
3.4.5 齿面应力分析 93
3.4.6 考虑齿面抛物线修形的实例对比分析 99
3.5 平行轴内啮合纯滚动线齿轮设计 102
3.5.1 组合齿廓设计 102
3.5.2 齿面数学模型 110
3.5.3 齿轮几何学设计 112
3.5.4 齿面接触分析 115
3.5.5 齿面应力分析 117
3.6 纯滚动线齿轮齿条传动设计 122
3.6.1 齿面数学模型 123
3.6.2 齿轮几何学设计 126
3.6.3 齿面接触分析 129
3.6.4 齿面应力分析 132
3.7 正交轴纯滚动圆锥线齿轮设计 135
3.7.1 齿面数学模型 135
3.7.2 齿轮几何学设计 142
3.7.3 运动学试验研究 144
3.8 任意角度交叉轴纯滚动圆锥线齿轮设计 145
3.8.1 齿面数学模型 146
3.8.2 齿轮几何学设计 149
3.8.3 运动学试验研究 150
3.9 本章小结 155
第4章 线齿轮传动摩擦学 156
4.1 线齿轮副的接触模型 156
4.1.1 当量几何模型 156
4.1.2 线齿轮副的受力分析 159
4.1.3 线齿轮副的卷吸速度 160
4.2 线齿轮副弹流油润滑设计 161
4.2.1 平行轴线齿轮副的弹流油润滑设计 161
4.2.2 交叉轴线齿轮副的弹流油润滑设计 168
4.3 线齿轮副弹流脂润滑设计 171
4.3.1 线齿轮副润滑状态分析 171
4.3.2 线齿轮副油脂选用的边界条件 174
4.4 干摩擦工况下的线齿轮设计 174
4.4.1 干摩擦工况下的齿面接触应力和接触变形 174
4.4.2 干摩擦工况下线齿轮副啮合效率的计算 177
4.4.3 干摩擦工况下线齿轮副的齿面磨损研究 180
4.5 线齿固体涂层润滑技术 184
4.5.1 线齿表面涂层的制备 184
4.5.2 涂层线齿轮台架试验方案 188
4.5.3 试验结果及分析 189
4.6 本章小结 194
第5章 线齿轮制造技术与装备 195
5.1 线齿轮专用数控铣削加工技术与装备 196
5.1.1 线齿轮成形铣削加工方法 196
5.1.2 线齿轮面铣削加工方法 204
5.1.3 线齿轮专用数控铣削装备 212
5.2 线齿轮专用数控滚削加工技术 215
5.2.1 线齿轮数控滚削加工原理 215
5.2.2 范成法构建线齿轮模型 215
5.2.3 数控滚削构建线齿轮齿面模型 217
5.2.4 线齿轮滚刀设计 220
5.2.5 线齿轮滚齿加工实例 222
5.3 线齿轮专用数控磨削技术与装备 224
5.3.1 齿轮数控磨削加工方法 224
5.3.2 齿轮数控磨削机床设计 227
5.3.3 VERICUT线齿轮磨削仿真 229
5.4 线齿轮专用搓齿加工技术与装备 235
5.4.1 线齿轮搓齿加工方法 235
5.4.2 线齿轮搓
试读
第1章绪论
现代机械设计中，齿轮传动是*重要、应用*广泛的一种传动型式。传统的工业齿轮是为解决工业应用中的动力和运动传递问题而设计的一种常用功能零部件。齿轮传动的主要优点是：①工作可靠、寿命较长；②传动比稳定、传动效率高；③可实现平行轴、任意角相交轴、任意角交错轴之间的传动；④适用的功率和速度范围广。其缺点是：①加工和安装精度要求较高，制造成本也较高；②不适于远距离两轴之间的传动。
工业齿轮的类型很多，如果按照一对齿轮两轴线的相对位置来区分，如图1.1所示，其分类有平行轴（图1.1（a）～（e））、垂直轴（图1.1（f）和（g））、交叉轴
（图1.1（h）和（i））。常用的传统工业齿轮机构，包括直齿圆柱齿轮、斜齿圆柱齿轮、
图1.1传统工业齿轮的主要类型
锥齿轮、蜗轮蜗杆、面齿轮等，其轮齿齿廓都是以某一种平面*线（如外摆线、渐开线、圆弧等）为某截面齿形*线而构造的复杂共轭*面，两轴平行的平面齿轮中的直齿条是特例，如图1.1（c）所示。
1.1线齿轮传动的特点
一方面，后工业化时代人类社会生活的需求促进了微小机械装置（1～100mm）和微米机械装置（10m～1mm），甚至纳米机械装置（10nm～10m）的快速发展，微小或微米、纳米机械装置的核心功能之一是实现微小功率和（或）极限空间内的连续传动。另一方面，现代的小型化机电产品的轻量化设计是必然趋势之一，其中传动系统的微小化和轻量化设计也成为核心功能需求之一。
一方面，传统工业齿轮以动力传递为主要功能设计，其齿廓为复杂的三维*面，其制造过程中受到轮齿根切的制约，设计时要考虑*少齿数或变位。因此，包括面齿轮在内的所有传统齿轮的空间尺寸都是受限的。换言之，传统齿轮的体积微小化设计遇到了瓶颈。但是，对于传统工业齿轮，其空间尺寸问题并无特别设计要求，所以几百年来工业齿轮的应用领域越来越广泛。另一方面，目前的微纳制造技术还无法满足微小空间尺寸零部件的三维复杂*面加工，微纳米级齿轮制造技术还仅适用于平面二维齿轮模型。迄今，微小传动装置的设计十分复杂、成本昂贵，如定制版机械手表含微齿轮等零件达百多个。
微小或微纳机械装置中的齿轮传动机构的核心功能是实现微小空间内的微小功率或运动连续传递，其设计核心问题的数学模式是实现连续啮合传动的齿轮机构占用空间*小化（微小化或微米化和纳米化）。换言之，微小或微纳机械中的新型齿轮机构，既要保持齿轮连续啮合传动的“运动”模式不变，又要通过轮齿“形”的模式变化，实现齿轮零件空间尺寸的*小化设计。为此，2005年作者提出了轮齿齿廓从空间复杂*面构造三维实体演变为以空间*线构造简单实体的设计思想和方法，也就是给出了齿轮微小化或微米化和纳米化设计问题的齿廓“形”变化的数学模式，由此构建了空间共轭*线啮合理论，它从根本上区别于传统工业齿轮的空间共轭*面啮合理论。根据空间共轭*线啮合理论，作者课题组发明了一系列新型齿轮机构，把轮齿定义为线齿（lineteeth），它是以某一对空间共轭*线作为接触线的简单*线体或准*线体（*线轴柱体或其变形）；把这些新型齿轮机构定义为线齿轮[1]（line gear，LG）。
总而言之，线齿轮设计理论内涵是：齿轮齿廓构造“形”的模式发生了根本性变化，不是以某一对空间共轭*面构造三维复杂实体，而是以某一对空间共轭*线构造简单*线体或准*线体，即长径比大的空间*线轴柱体或其变形。线齿轮传动保持了连续啮合“运动”的模式不变，但是齿廓“形”模式变化，使得线齿轮传动过程的接触本质发生了变化，即一对空间共轭*线（主、从动线齿接触线）始终保持点接触状态的啮合传动过程，它的啮合点轨迹构成一条空间*线（*线啮合迹）。这从根本上区别于传统工业齿轮传动的线（点）接触啮合传动，即一对空间共轭*面始终保持线（点）接触状态的啮合传动，它的啮合线轨迹构成了一个空间*面（*面啮合迹）[2，3]。对于一些特殊的传统工业齿轮的点接触啮合状态，则是经过齿廓局部化设计处理后获得的，而不是由传统齿轮的原始齿形决定的。
图1.2为线齿轮机构实物照片。
图1.2不同线齿结构型式的线齿轮
由于线齿轮齿廓“形”模式变化为长径比大的空间*线轴柱体或其变形，线齿轮制造技术变得更为简易，目前适用于2.0维或2.5维制造的微纳制造技术也可用于线齿轮加工，这就为线齿轮的微纳传动应用奠定了制造技术基础。线齿轮从理论上解决了齿轮根切问题。
总结以上，线齿轮传动具有以下特点：
（1）线齿轮没有根切现象，从理论上解决了数百年来制约传统齿轮设计和制造的根切问题。
（2）线齿轮可实现平行轴、任意角交叉轴或交错轴传动，各种线齿轮机构的*少齿数可以达到1，而传统齿轮除蜗轮蜗杆机构之外的设计都有*少齿数限制；一对普通线齿轮的单级传动比可以达到数十甚至更大。
（3）线
