用齒輪分析軟件的接觸分析功能對齒輪修形的優(yōu)化設(shè)計

錢瑞　鄧偉

摘要：借助齒輪分析軟件完成齒輪的修形，通過接觸分析功能比較修形前后齒輪強度、法向力以及接觸應(yīng)力的變化來判斷修行的好壞，不需要大量的接觸斑點實驗，就可模擬出這一實驗過程，有效的節(jié)省成本并縮短設(shè)計周期。

關(guān)鍵詞：齒輪分析軟件；齒輪修形；接觸分析

引言

齒輪作為傳動系統(tǒng)的重要部件，在傳動過程中齒輪的振動噪音過大是發(fā)生異響的主要來源，經(jīng)過長期的研究發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生這種問題的原因并不是齒輪參數(shù)設(shè)計的不合理，而是由于齒面接觸狀況不理想導(dǎo)致。實際工作中，齒輪會因自身等變形以及其他零部件加工制造誤差而出現(xiàn)錯位，導(dǎo)致齒輪的接觸狀況不再理想，從而出現(xiàn)偏載和傳遞誤差過大，從而造成齒輪承載能力下降，產(chǎn)生噪聲。為了改善接觸狀況和提高齒輪傳動平穩(wěn)性必須對齒輪進行修形，優(yōu)化齒面接觸狀況，使接觸斑點達到最優(yōu)。

1.修形原理

1.1齒廓修形

一對嚙合的齒輪在嚙合的過程中載荷的分布有明顯的突變現(xiàn)象，相應(yīng)地，齒輪的彈性變形也隨之改變。由于輪齒的彈性變形及制造誤差，標(biāo)準(zhǔn)的漸開線齒輪在嚙入和嚙出時產(chǎn)生嚙合沖擊。齒廓修形的目的就是將一對相嚙合的齒輪發(fā)生沖擊的齒面部分適當(dāng)?shù)南魅ヒ徊糠郑箛Ш蟿偠茸兊木徍?，減小嚙合沖擊。因此齒廓修形就是將原來的漸開線齒廓在齒頂或接近齒根圓角的部分修去一部分。

1.2 齒向修形

齒向修形就是根據(jù)齒輪受力后產(chǎn)生的變形，將輪齒齒面螺旋線按預(yù)定的變形規(guī)律進行修整，獲得均勻的齒向載荷分布。因此齒向修形就是在齒寬方向修去一部分。

2.修形方式

2.1 齒廓修形

根據(jù)設(shè)備情況，常采用折線方式修形，線性修改齒輪橫截面的頂部與根部，除去理論漸開頂部和根部干涉的部分，使齒輪單雙齒負(fù)載平穩(wěn)過渡。如圖1：

圖1 圖2

2.2 齒向修形

根據(jù)設(shè)備情況，常采用齒向梯形修形，即在齒向兩端線性移除材料。如圖2。

3.參數(shù)優(yōu)化實例分析

現(xiàn)有工業(yè)齒輪箱的一對齒輪副，模數(shù)=2.5、小輪齒數(shù)=22、大輪齒數(shù)=41、齒寬40、中心距a=80、小齒輪變位系數(shù)x=0.3586，小輪驅(qū)動，驅(qū)動電機30Kw，轉(zhuǎn)速1450rpm，在不考慮機構(gòu)支撐與安裝誤差的情況下，對齒輪進行修形，以降低噪音。注：材料20CrMnMo，潤滑油ISO-VG220。

使用齒輪分析軟件對上述參數(shù)進行分析，接觸分析結(jié)果如下：

3.1修形前嚙合接觸應(yīng)力（見圖3），修形前嚙合法向力（見圖4），修形后嚙合接觸應(yīng)力（見圖5），修形后嚙合法向力（見圖6）。

圖3 圖4

圖5 圖6

3.2修行前強度結(jié)果

小齒輪：計算彎曲強度安全系數(shù)為2.55，計算接觸強度安全系數(shù)1.12；

大齒輪：計算彎曲強度安全系數(shù)為2.85，計算接觸強度安全系數(shù)1.15。

3.3修行后強度結(jié)果

小齒輪：計算彎曲強度安全系數(shù)為2.67，計算接觸強度安全系數(shù)1.25；

大齒輪：計算彎曲強度安全系數(shù)為2.98，計算接觸強度安全系數(shù)1.28。

通過對修形前和修形后齒輪嚙合的接觸應(yīng)力與嚙合法向力對比，我們發(fā)現(xiàn)齒輪齒形修形，可以使接觸應(yīng)力、法向力過渡平滑，有利于減小噪音，對于直齒輪效果尤為明顯。修形后的齒輪載荷分布均勻，沒有明顯的突變，減少了由齒輪受載變形和制造誤差引起的嚙合沖擊，改善了齒面的潤滑狀態(tài)并獲得較為均勻的載荷分布，有效提高了齒輪的嚙合性能和承載能力。

4.總結(jié)

以對工業(yè)齒輪箱一對齒輪副參數(shù)優(yōu)化設(shè)計主要過程為例， 成功使用齒輪分析軟件對齒輪進行齒輪修行優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果表明： 通過齒輪分析軟件的使用， 從設(shè)計的角度能較大的改善齒輪的強度與其他性能指標(biāo)，不需要大量的接觸斑點實驗來驗證修形的好壞，縮短設(shè)計周期。

參考文獻：

[1]朱孝錄.齒輪傳動設(shè)計手冊（第二版）.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[2]成大先.機械設(shè)計手冊（第五版）.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.