楊燦輝

（重慶機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶401336）

提升齒輪傳動(dòng)壽命的強(qiáng)度匹配方法

楊燦輝

（重慶機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶401336）

齒輪驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)經(jīng)常與傳動(dòng)元件壽命縮短的現(xiàn)象。而通過(guò)傳動(dòng)元件的強(qiáng)度匹配可以有效的解決這個(gè)問(wèn)題，從而提高齒輪的傳動(dòng)壽命。從齒輪嚙合機(jī)理的角度出發(fā)，經(jīng)過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)參數(shù)的更改，使得蝸桿設(shè)計(jì)不僅可以滿足傳動(dòng)比和強(qiáng)度的要求，而且反映了緊湊的結(jié)構(gòu)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了傳動(dòng)部分的嚙合強(qiáng)度匹配。本文首先簡(jiǎn)要闡述了齒輪動(dòng)態(tài)特性，再此基礎(chǔ)上研究了兩種齒輪參數(shù)的修正方法，即改變模量和同時(shí)改變壓力角和單一齒輪改變齒厚的兩種方法。

齒輪；傳輸壽命；力量匹配；方法

隨著工具設(shè)計(jì)和制造水平的提高和程序化軟件的應(yīng)用和普及，傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)理念逐漸被淘汰。在機(jī)械傳動(dòng)中，齒輪初期嚙合由于硬度不同會(huì)產(chǎn)生磨損現(xiàn)象，長(zhǎng)時(shí)間的磨損現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致動(dòng)能失效。因此，驅(qū)動(dòng)器再設(shè)計(jì)時(shí)要著重考慮齒輪嚙合的傳動(dòng)比、強(qiáng)度、嚙合結(jié)構(gòu)等要求，這樣就可以使變速箱動(dòng)能傳遞實(shí)現(xiàn)最大化。

國(guó)內(nèi)外有很多關(guān)于齒輪強(qiáng)度的設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)和分析法是較為傳統(tǒng)的齒輪強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法。近些年，有限元法深入剖析了各種對(duì)齒輪強(qiáng)度磨損的影響。例如，在盒子尺寸限定的情況下，通過(guò)壓力角和模量的改變就可以調(diào)整變位系數(shù)，以達(dá)到提高傳遞強(qiáng)度的目的。本文介紹了經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)元件的耐久度來(lái)提高齒輪傳動(dòng)壽命方法：首先是通過(guò)改變模數(shù)來(lái)提高蝸輪的耐久性；其次是采用增大塑料齒輪齒厚而減薄蝸桿的齒厚來(lái)保證嚙合強(qiáng)度的匹配性，以保證是塑料齒輪與金屬蝸桿的有效嚙合傳動(dòng)。

1 齒輪的動(dòng)態(tài)特性

齒輪的動(dòng)態(tài)特性有齒輪的固定性、動(dòng)態(tài)性、動(dòng)態(tài)參數(shù)等三大特性。

（1）固有特性

齒輪的固定性指的是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的固有的傳動(dòng)頻率和模式，齒輪的固定特性是齒輪系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性重要的組成部分之一。其主要特點(diǎn)對(duì)齒輪系統(tǒng)的固定傳動(dòng)頻率與模式通過(guò)參數(shù)方法進(jìn)行研究的一種方式。通過(guò)有限元法計(jì)算齒輪和箱體結(jié)構(gòu)的固有頻率和模式。運(yùn)用對(duì)齒輪系統(tǒng)的靈敏度、動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)研究齒輪系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、幾何、傳動(dòng)規(guī)律、模式等參數(shù)，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，提高傳動(dòng)系統(tǒng)的固有特性。

（2）動(dòng)態(tài)響應(yīng)

齒輪系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)是齒輪系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究的主要部分，包括齒輪的在傳動(dòng)過(guò)程中的嚙合以及零部件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)等。研究齒的動(dòng)態(tài)嚙合力主要是了解齒輪動(dòng)態(tài)產(chǎn)生的機(jī)理、尺寸、性質(zhì)等。齒輪的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)參數(shù)激勵(lì)的傳動(dòng)系統(tǒng)，與其它機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)不同的是齒輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性問(wèn)題。通過(guò)對(duì)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行分析，找出其影響穩(wěn)定性的關(guān)鍵原因所在，為齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)提供參考。

（3）動(dòng)態(tài)系統(tǒng)參數(shù)

齒輪動(dòng)態(tài)系統(tǒng)參數(shù)主要是進(jìn)行對(duì)齒輪在傳動(dòng)過(guò)程中各種動(dòng)態(tài)性能的研究，是研究齒輪系統(tǒng)動(dòng)性能對(duì)齒輪傳動(dòng)的影響。通過(guò)對(duì)行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)靈敏度分析，定量各種齒輪系統(tǒng)靈敏度參數(shù)以對(duì)齒輪在系統(tǒng)在傳動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 可變模量和可變壓力角設(shè)計(jì)

當(dāng)傳動(dòng)箱內(nèi)齒輪在傳動(dòng)過(guò)程中嚙合時(shí)，進(jìn)入嚙合區(qū)域內(nèi)的各個(gè)齒輪要滿足其嚙合條件。齒輪的交替嚙合是最為正確的結(jié)合方式，必須使嚙合線上的兩個(gè)相近齒輪在嚙合線基圓距離相等，兩個(gè)齒廓嚙合線與齒距相等，即：

上式中，Pb1與Pb2代表齒輪的基圓齒距。

將Pb1＝πmicosai帶入式一可得：

由于齒輪強(qiáng)度在設(shè)計(jì)中，模數(shù)和壓力角參數(shù)都是標(biāo)準(zhǔn)值，所以公式二要滿足m1=m2、a1＝a2.由于齒輪強(qiáng)度在設(shè)計(jì)中，模數(shù)和壓力角參數(shù)都是標(biāo)準(zhǔn)值，所以公式二要滿足。因此，通常的接合條件是：主驅(qū)動(dòng)輪模量和壓力角相等。但從式二中可以看出，只要兩對(duì)齒輪基線一致就可以正常嚙合。而對(duì)于蝸輪傳動(dòng)來(lái)講，其主要材料是銅合金，而鋼是蝸桿的主要材料，因此要進(jìn)行淬火。在使用過(guò)程中由于蝸桿硬度較高，早期會(huì)對(duì)渦輪產(chǎn)生磨損。如果綜將蝸桿、渦輪的強(qiáng)度系數(shù)綜合考慮，早期的磨損問(wèn)題便可以得到解決。即通過(guò)式二可知，這樣不僅增加了蝸桿壓力角和模數(shù)使得蝸輪強(qiáng)度增加，而且在降低蝸桿強(qiáng)度同時(shí)減少了蝸桿與渦輪的初期磨損。

根據(jù)式一、式二，齒輪強(qiáng)度設(shè)計(jì)過(guò)程中同時(shí)增加模量與壓力角來(lái)進(jìn)一步提高強(qiáng)度系數(shù)。

3 變齒厚設(shè)計(jì)

3.1 塑料齒輪非標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)化的齒輪模量和壓力角制造在我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。而且，在兩個(gè)齒輪嚙合條件相匹配的情況下，滿足等式方程就能實(shí)現(xiàn)齒輪的正確嚙合。由于塑料齒輪由模具成型，沒有機(jī)加工的難易問(wèn)題，可以設(shè)計(jì)成非標(biāo)準(zhǔn)的塑料齒輪，這種設(shè)計(jì)好處在于：cosa函數(shù)在（0，π/2）區(qū)間內(nèi)，余弦函數(shù)是遞減函數(shù)，即a越大cosa越小。假設(shè)m1和a1取非標(biāo)準(zhǔn)值，如m1=1，a1=20°此時(shí)，可以設(shè)計(jì)出非標(biāo)配套的齒輪，而且其值比原先的參數(shù)較大，齒輪強(qiáng)度的提升對(duì)于齒輪副來(lái)講作用也非常明顯。鑒于此，塑料齒輪的強(qiáng)度設(shè)計(jì)范圍可以更加廣闊，其實(shí)用性以及使用價(jià)值都得到提升。

4 結(jié)語(yǔ)

在傳動(dòng)箱結(jié)構(gòu)相似、中心距離相等的情況下，增加了銅蝸桿模數(shù)與壓力角可增強(qiáng)齒輪強(qiáng)度，顯著提升蝸桿臂的嚙合強(qiáng)度。其次，銅渦輪齒厚增大，減薄蝸桿齒厚，這大大的提升了塑料齒輪和金屬蝸桿的使用年限，且陳本較低，適合批量生產(chǎn)。采用本文介紹的方法，開發(fā)的蝸輪在越野車以及踏板自動(dòng)起落架減速機(jī)上得到應(yīng)用，使用效果良好。

[1]胡云波，張躍春，吳 濤，等.90 m自升式海工輔助平臺(tái)提升齒輪箱行星架強(qiáng)度與疲勞分析[J].機(jī)械工程師，2015，08：52-55.

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Enhance the Strength of the Gear Transmission Life Matching Method

YANG Can-hui
（Chongqing Machine Tool（group）Co.，Ltd.，Chongqing 401336，China）

The design of the gear drive and transmission components often shorten the life of the phenomenon.And by the strength of the drive element matching can effectively solve the problem，to raise life of gear transmission.From the perspective of gear meshing mechanism，after the change of design parameters of the standard，makes the worm design can not only meet the requirements of transmission ratio and intensity，and reflects the structure of compact，part of the meshing transmission strength match at the same time.At first，this paper briefly expounds the gear dynamic characteristics，and then based on this research the two kinds of the correction method of gear parameters，namely the change of modulus and at the same time changed pressure Angle and the single gear tooth thickness of the two methods.

gear；transmission of life；power matching；methods

TG457.25

A

1672-545X（2017）08-0277-02

2017-05-06

楊燦輝（1979-），男，湖南漣源人，工程碩士，高級(jí)工程師，研究方向：齒輪機(jī)床設(shè)計(jì)。