针对舰船、航空齿轮箱中的直齿轮、斜齿轮及人字齿轮,以齿轮啮合理论、有限元方法为基础,围绕修形齿面建模、实际齿面的建模、几何啮合仿真、承载啮合仿真、应力过程仿真、不同应用场合齿轮的目标修形优化、多轴联动多自由度数控加工及高阶传动误差齿面设计展开,系统地进行理论和实验研究,总结出一套具有工程使用价值的齿面修形优化设计软件和方法,达到提高传动系统平稳性,降低振动噪声的目的,论文主要研究内容如下:(1)对齿轮承载接触分析模型进行完善,给出考虑基节误差的承载接触分析计算方法,结果表明:基节误差放大了承载传动误差幅值,引起较大振动及载荷分配的不均匀。对修形人字齿轮三维有限元进行精确齿面控制建模和装配,按照Abaqus有限元软件输入文件的编写规则进行批处理加载分析,并与承载接触分析方法的结果对比,表明了二者分析结果一致性,验证了本文承载接触分析方法的正确性与高效性。(2)建立基于齿面坐标测量的真实齿面模型,采用理论齿面叠加法向偏差曲面表达实际齿面,推导实际齿面接触过程,相对直接通过复杂曲面拟合的数字齿面,提高了计算效率和拟合精度。(3)提出的斜齿轮对角修形能够保证修形后齿面瞬时接触线长度不变,在减振降噪的同时,兼顾了齿轮的强度,三维拓扑修形真实反映齿面实际状况。齿面修形优化设计以承载接触分析为基础,从减振、降噪、提高强度为出发点,分别以承载传动误差幅值最小、啮合线相对振动最小、齿面闪温最小、齿面载荷均匀及多个目标进行修形优化设计。结果表明:齿廓修形后,轮齿接触区润滑状态改善,导致齿面闪温减小,直齿轮单齿啮合区内闪温变化不明显;人字齿轮的轴向窜动是左右齿面间隙相互补偿的过程,齿向修形与轴向窜动相互补充,保证了齿面载荷整体上均匀;随转速、载荷的增加,啮合冲击逐渐增大,且随转速增加,啮合冲击激励较刚度激励的振动更加明显,因此系统共振的敏感性降低,多载荷承载传动误差幅值反映了振动随载荷变化趋势;人字齿轮轴向位移激励对啮合线方向振动无影响,轴向位移激励是引起轴向、扭摆方向振动的主要原因;修形降低了啮合激励,因此,有效降低了系统振动。(4)根据空间齿轮啮合原理,建立修形齿面多轴、多自由度的多种数控加工模型。基于刀具廓形修形及机床各轴运动敏感性分析,通过优化齿面误差最小,得到刀具修形参数及机床各轴运动参数。结果表明:(1)根据齿廓修形齿面反算砂轮廓形,进行数控五轴联动成形磨削,可实现拓扑修形齿面的高精度加工;(2)平面砂轮磨齿时,沿齿向方向压力角、螺旋角、展成角附加运动可分别实现一定的对角修形加工,机床增加齿向运动,可减小平面砂轮半径,用于磨削大螺旋角、大齿宽对角修形斜齿轮;(3)当滚刀有齿向修形时,再增加合理的切向运动,使得滚切过程中,产生沿齿向方向齿形的连续变化,弥补了传统加工产生的齿形扭曲;修形滚刀齿形及增加切向运动可实现一定的拓扑修形齿面加工;(4)锥面砂轮沿轴向冲程运动时,通过等粗糙度磨齿法,确定砂轮每次冲程的径向位置及冲程总次数,与通用的匀速展成及径向均速展成磨齿法相比,可显著减小理论粗糙度值,该方法可磨削更为复杂的修形齿面;砂轮沿齿向冲程运动磨削对角修形斜齿轮时,冲程方向与接触线方向一致,根据展成原理求解工件附加运动,数控编程简单,其关键技术为啮入点的准确对刀,对角修形磨齿试验验证了该方法的正确性。(5)为了进一步降低轮齿振动,提出一种考虑展成磨齿加工的高阶传动误差齿面设计方法,通过优化承载传动误差幅值最小确定其曲线及加工参数;对比斜齿轮2阶、4阶及高阶传动误差齿面的承载传动误差表明:无修形齿轮由于重合度不变,随载荷增加承载传动误差幅值不断增加;修形后随载荷增加,齿面间隙逐渐减小,重合度不断增加,承载传动误差幅值逐渐降低,当齿面间隙完全消除后,重合度不再变化,随载荷的增加,承载传动误差幅值逐渐增大;对于高重合度齿轮副,高阶传动误差齿面更能有效降低承载传动误差幅值,因为其曲线自由度较高,更有利于降低多齿对啮合引起的重合度变化;通过修形齿面曲率分析,表明平面砂轮进行展成磨削高阶传动误差齿面是可行的,不存在干涉;除此之外,提出一种考虑接触印痕的内凹型高阶传动误差齿面,结果充分证明其更能有效降低轮齿承载传动误差幅值,其内凹程度受载荷大小影响。(6)齿面振动试验表明修形齿轮具有更好的动态性能,在设计载荷处,传动误差和振动幅值均能够下降30%或更多,验证了本项目的理论方法是可以用于工程实践的。