随着机器人和仿生技术的发展,传统齿轮机构已不能满足多自由度传动的要求,球齿轮的产生正适应了这种需求。以球齿轮为核心的传动装置具有运动范围大、结构紧凑、传动灵活等优点。本文设计一种三自由度渐开线球齿轮,对其齿面生成、啮合原理和传动特性等进行研究。论文的研究内容如下:1.根据球齿轮的共轭运动分析,设计出由一种半球型锥齿轮的弧形齿面与渐开线环形齿球齿轮的环形齿面组合成的球齿轮。基于弧形齿面和环形齿面数学模型,通过仿真两齿面及其投影曲线,直观地确定了球齿轮的设计参数使弧形齿面的啮合区域损失在允许的范围内,最终实现球齿轮的参数化设计。2.研究了半球型锥齿轮弧形齿面的啮合原理。根据弧形齿面接触点的相对运动速度及其共轭运动分析,提出弧形齿面啮合方程及其共轭齿面方程的两种推导方法。采用计算机仿真方法对半球型锥齿轮副啮合原理进行分析验证,仿真结果表明,半球型锥齿轮副参与啮合的弧形齿面为共轭齿面。3.为分析球齿轮的传动性能,首先研究了球齿轮副的正确连续啮合条件与不产生干涉条件,在此基础上分别计算弧形齿面的节点接触应力、滑动系数和啮合效率。计算结果表明,弧形齿面在尖端位置啮合时易发生接触疲劳损坏,而在大端面位置易发生磨损,并且啮合效率随俯仰角的增大而降低。4.对球齿轮副和半球型锥齿轮副进行啮合运动仿真与干涉检查,验证其齿形设计与虚拟实体模型的正确性。采用有限元法分别对这两齿轮的齿面接触应力及齿根弯曲应力进行仿真计算,利用相关计算结果验证了接触应力理论计算方法。