直齿锥齿轮是动力传递的关键基础零件,根据其传递动能的特点可以分为定速比的直齿圆锥齿轮和变速比的直齿非圆锥齿轮。由于直齿圆锥齿轮传递动能的效率高、可靠性高、稳定性强,已经广泛用于制造装备、运载装备、武器装备等众多工业领域。然而,随着近年来我国重大装备的精密化和集成化发展,对关键基础零件的功能和性能要求日益严苛,定速比的直齿圆锥齿轮已经很难满足重大装备发展的需求。直齿非圆锥齿轮属于变速比传动机构,能够执行许多直齿圆锥齿轮难以执行的特殊传动模式,因此非常适合用于具有特种性能需求的传动装置。例如将其应用于高越野性能的汽车限滑差速器中能够代替复杂的差速锁实现限滑功能;应用于齿轮流量泵中可以实现变流量传输;应用于高速重载精密分动器中可以将连续运动转换为分段运动输出等。为了满足我国机械装备高速发展的迫切需求,必然要求加快推进直齿非圆锥齿轮的应用与推广。然而,由于国外实行了严格的技术封锁,导致我国直齿非圆锥齿轮的设计和制造技术发展受到了严重的限制,制约了我国直齿非圆锥齿轮的应用和推广,阻碍了我国高端装备和关键零部件技术的发展。本课题针对现有直齿非圆锥齿轮设计方法存在的求解过程复杂和通用性差等缺点,提出了一种基于曲面向量矩阵坐标变换的直齿非圆锥齿轮精确设计方法。首先,根据主、从动齿轮的节锥面纯滚动关系,推导了直齿非圆锥齿轮节锥面方程。其次,推导了节锥面上法向量方程,建立了直齿非圆锥齿轮等距面设计方法;第三,分析了直齿非圆锥齿轮的产形运动关系,提出了采用平面产形轮和圆锥产形轮的齿廓设计方法,建立了齿廓数学模型;第四,讨论了齿廓设计中存在的曲率干涉界限点和啮合界限点的存在条件,提出了齿廓界限点判定方法。采用所提出的直齿非圆锥齿轮设计方法,成功设计了某汽车限滑差速器用直齿非圆锥齿轮。采用有限元模拟方法和限滑差速器传动试验,验证了所提出的直齿非圆锥齿轮设计方法的可靠性。以限滑差速器用直齿非圆半轴锥齿轮为对象,根据其几何特征首先提出了预制坯精确设计方法,开发了带有预制坯的直齿非圆锥齿轮热锻成形工艺。全面揭示了直齿非圆锥齿轮热锻成形过程中的金属流动规律、应力应变以及温度场的分布与演化规律,对比分析了有无预制坯对齿轮锻件的温度场和应变场以及齿模的温度场影响规律。研究结果表明,采用所设计的预制坯成形直齿非圆锥齿轮,显著提高了不同齿形间填充过程的同步性,提高了齿轮锻件的温度场和应变场的均匀性以及齿模温度分布的均匀性,有利于保证热锻直齿非圆锥齿轮的成形质量和提高齿模服役寿命。为了实现直齿非圆锥齿轮的大批量生产,必须解决齿模强度设计问题。本课题首先揭示了直齿非圆锥齿轮热锻过程中的齿模应力分布与演化规律,根据齿模受力状态和几何形状特征,提出了适用于直齿非圆锥齿轮的曲面分模设计方法。其次,提出了基于均匀预紧力的模具预紧强化通用设计方法,突破了现有的模具预紧设计方法仅适用于厚壁筒型模具型腔的不足,实现了直齿非圆锥齿轮齿模高强度和小型化设计。针对直齿非圆锥齿轮热锻成形中齿形精度控制困难的问题,本课题首先根据热锻成形过程中应力场和温度场的传递关系,提出了能够显著提高齿形偏差预测效率的有限元预测模型建模策略,显著提高了运算效率。运用该建模策略,揭示了齿模预紧变形、齿模受载弹性变形、齿模热膨胀变形、热锻齿轮回弹变形和热锻齿轮不均匀冷却收缩变形对热锻直齿非圆锥齿轮齿形偏差的影响规律,并提出了齿形偏差补偿方法。为了实现直齿非圆锥齿轮精密成形,本课题建立了直齿非圆锥齿轮热锻齿形精度控制方法。首先,为了提高直齿非圆锥齿轮齿模制造精度,创新地提出了基于预紧量调控的直齿非圆锥齿轮齿模精度修正方法。采用BP神经网络建立了齿模预紧量和齿模精度之间的非线性关系,采用遗传算法对齿模预紧量进行了寻优设计,获得了采用昂贵模具加工设备和复杂模具加工工艺难以制造的高精度齿模。其次,针对直齿非圆锥齿轮热锻成形过程中系统误差对齿形精度影响显著的问题,本文首先总结了影响热锻齿形精度的三类系统误差:预紧量加工误差、预紧偏轴度误差和模具平行度误差;并详细揭示了三类系统误差及其方位角对齿形偏差的影响规律。在此基础上,通过调整三类系统误差之间的相互匹配关系,达到不同系统误差所致齿形偏差相互抵消的效果,实现了对热锻直齿非圆锥齿轮齿形精度的有效控制。