粉末冶金齒輪提升消防車取力器性能研究

汪利群

（廣東輕工職業技術學院，廣東 廣州510300）

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粉末冶金齒輪提升消防車取力器性能研究

汪利群

（廣東輕工職業技術學院，廣東 廣州510300）

摘要：消防車用取力器作為一種驅動消防泵、消防云梯、搶險救援隨車吊等消防裝置的齒輪裝置，廣泛應用于各種類型的消防車；粉末冶金溫壓斜齒輪制造成本低，既具有優異的力學性能，又具有良好的耐磨、耐高溫和耐蝕性；本文將粉末冶金齒輪應用于取力器，使用有限元法分析了傳動齒輪的特性，進行了傳動效率實驗，粉末冶金齒輪傳動效率高，使用壽命長，制造成本低，提升了取力器傳動性能，具有廣闊應用前景。

關鍵詞：消防車；取力器；粉冶齒輪；有限元；傳動效率

消防車是目前消防部隊滅火抗災、搶險救援的主要作戰武器。從罐類消防車消防泵的驅動到特種類消防車隨車吊的使用，以及舉高類消防車支腿的展開與臂架的舉升，都須通過取力器將發動機的輸出動力傳輸到消防裝置并轉換為各種運動。取力器性能的優劣決定了消防泵是否能發揮其性能，以至影響到整臺消防車的性能。粉末冶金溫壓齒輪較之普通合金齒輪制造成本低、精度更高、耐磨性更好、抗疲勞負荷沖擊性更強、具有良好的耐高溫和耐蝕性。

本文將粉末冶金齒輪應用在消防車取力器上，使用有限元法分析了其傳動齒輪的動態特性，進行了進行了粉末冶金溫壓斜齒輪和合金斜齒輪傳動效率對比實驗，試驗結果表明：粉末冶金溫壓斜齒輪綜合動態性能比合金斜齒輪更為優越，提升了取力器的傳動性能，具有廣闊的應用和前景。

1　消防車取力器結構形式

取力器是通過齒輪傳動傳遞動力的裝置。根據安裝位置和作用的不同，消防車用取力器的取力方式大體上分為五類：變速器上蓋取力、變速器副軸取力、全功率取力、傳動軸取力和側取力。

我國汽車行業從國外引進帶同步器的汽車變速器，這種變速器變速容易、靈活、結構緊湊、不易打齒造成損壞。但這種變速器不能實現變速器上蓋取力，促使我國研發出了在車輛離合器與變速器之間加設獨立的取力裝置，實現全功率取力的取力方式，見圖1.其結構原理：從變速器軸上直接取力，而輸入軸直接輸出第一動力源到車輛變速器，同時通過中間軸的齒輪驅動輸出軸旋轉而輸出第二動力源到消防裝置。這是目前國內外最流行的取力方式。這種形式的取力器潤滑方便，全功率輸出。因而傳輸功率大，傳遞效率高，使用可靠，易于實現消防車的雙動功能，可以實現邊行駛邊噴水，適用于大噸位的罐類消防車和聯用類消防車等。由于其安裝位置處于離合器與變速器之間，又被稱為夾心式取力。

圖1　全功率取力

在取力器結構中，齒輪作為傳動系統中最關鍵的部件，其傳動性能、疲勞強度、傳動效率，直接影響取力器的整體性能，因此，齒輪關鍵部件的設計尤為重要。取力器傳動功率大，高負載，發熱量大，采用合理的齒輪設計，能提高傳動性能，增加使用壽命，降低使用成本。

本人采用粉末冶金溫壓斜齒輪傳動，滿足取力器的性能要求，粉末冶金溫壓齒輪較之普通合金齒輪制造成本低、精度更高、耐磨性更好、抗疲勞負荷沖擊性更強、具有良好的耐高溫和耐蝕性。

2　粉末冶金溫壓斜齒輪性能及有限元分析

2.1粉末冶金斜齒輪性能

粉末冶金溫壓成形技術能以較低的成本制造出高密度的粉末冶金零件，為粉末冶金零件在性能與成本之間找到了一個最佳的結合點。它保持了傳統粉末冶金工藝少無切削加工的特點，與常規鍛坯機械加工相比，可減少工序，縮短工時，節約原料；同時，大大改善粉末冶金材料的力學性能，因而具有顯著的經濟效益和社會效益，特別是象齒輪類等輪廓較復雜的粉末冶金結構零件，經濟尤顯突出。

粉末冶金齒輪與合金鋼齒輪的毛坯質量、零件質量和材料利用率對比如表1所示。合金鋼齒輪的加工余量大，浪費材料資源，切削加工過程中消耗大量能源；粉末冶金成形少無切削加工，材料利用率高。由表1可以看出粉末冶金齒輪比合金鋼齒輪的材料利用率高約60%.

表1　材料利用率對比

采用粉末冶金溫壓工藝可以大大簡化高性能齒輪的制造工藝，省去大量機加工工序，其機加工費用僅為傳統加工方法的四分之一，總生產成本比合金鋼齒輪的生產成本降低約40%左右。

2.2粉末冶金漸開線斜齒輪有限元模態分析

齒輪的固有特性，包括固有頻率和振型，對系統的動態響應、動載荷的產生與傳遞以及系統振動的形式等具有重要的影響。然而，在齒輪系統的設計階段，不能得到齒輪固有特性的實驗數據，只能通過理論計算得到動力學分析的參數，目前最好的方法是有限元動力分析方法。

使用MSC/Patran對斜齒輪進行前后處理，建立斜齒輪的有限元模型。使用Import命令導入UG建立的精確CAD模型文件，對模型進行網格劃分（Element meshing），

粉末冶金斜齒輪有限元模型模態分析的邊界條件的設定依據實際的工作情況。在斜齒輪嚙合過程中，內表面和軸采用鍵連接，在有限元模型中可以把齒輪和軸過盈配合聯接看成剛性聯接，忽略鍵槽的影響。這樣的簡化對動力學研究來說，誤差很小。為了能夠準確地反映齒輪嚙合的實際狀態，將斜齒輪內表面進行約束，約束X、Y、Z向移動和繞X、Y軸轉動五個自由度，余下繞Z軸旋轉的自由度。以此作為斜齒輪進行模態分析的位移邊界條件。

模態是由系統的固有特性決定的，與外載荷無關，不需要設置斜齒輪的載荷邊界條件。設置好的有限元模型如圖2，對模型進行檢查，設置工況（Load Cases），提交Nastran進行模態計算分析。

圖2　斜齒輪有限元模型

對圖2的斜齒輪有限元模型進行約束模態計算，用振型疊加法求解振動響應問題通常不必求出全部的固有頻率和振型，越是低階，影響越大，通常取5-10階，精度已足夠。表2僅給出齒輪系統前10階固有頻率。圖3僅給出了斜齒輪的前1、3、5、6階固有振型。

表2　斜齒輪前十階固有頻率（Hz）

圖3　粉末冶金斜齒輪各階模態振型云紋圖

斜齒輪結構的固有振型主要是端面上輪齒圓周振動和扭振，軸向、徑向基本無振動（見圖3），各模態振型不同之處在于輪齒周向振動的方向，第一階振型各輪齒同時逆時針彎曲，第二到第五階振型各輪齒彎曲狀態不同，第六階模態出現了輪齒的扭轉。低階的模態振型對振動響應的影響大。因此，圓周振是斜齒輪發生共振可能性最大的振型。在齒輪系統的設計中要充分考慮齒輪固有頻率和振型，使工作頻率遠離齒輪的固有頻率，避免共振發生。

3　齒輪系統傳動效率實驗研究

一般說來，高速、重載齒輪傳動，由于線速度較高，會引起較大的動載荷，從而影響整機的安全性和平穩性；當傳動比較大時，齒面的相對滑動速度也就較高，導致膠合、磨損的概率大大增加；載荷較大相應的力變形較大。因此，齒輪傳動尤其是大功率齒輪傳動，要求傳動裝置具有較高的效率。

齒輪傳動裝置的功耗有兩個重要的來源，即嚙合損失、軸承及油封等處的功率損失，而其中具有決定性的當然是嚙合損失。在當今機械工業各領域中，都非常重視對齒輪傳動效率的研究，如能將齒輪傳動裝置的效率提高哪怕一個百分點，也是具有十分重要的意義的。

在消防車取力器中粉末冶金溫壓斜齒輪的傳動效率特性的研究，對于分析嚙合過程中動態性能，指導設計高效的齒輪傳動裝置，提升經濟效益，具有重要的意義。本文擬進行38CrMoAl合金斜齒輪與粉末冶金溫壓斜齒輪傳動效率對比試驗，找出材料因素在傳動效率上的影響。

在JSS-A機械設計綜合試驗臺對同參數的38CrMoAl斜齒輪及粉末冶金溫壓斜齒輪在相同工況下進行了傳動效率比較試驗，試驗完成后發現粉末冶金斜齒輪的效率要明顯高于38CrMoAl斜齒輪。為清楚起見，作效率隨加載功率變化情況的曲線圖，圖4所示為試驗轉速為600r/min時的曲線圖，圖中“○”和“△”分別表示粉末冶金斜齒輪和38CrMoAl斜齒輪的試驗點，樣條線為根據試驗點所作的代表變化趨勢的曲線。從圖中可以看出在各負載下粉末冶金斜齒輪的傳動效率均高于38CrMoAl斜齒輪。

圖4600　r/min時的效率試驗

4　結束語

（1）消防車取力器整體性能取決于齒輪傳動性能，使用MSC/Patran建立了粉末冶金斜齒輪三維有限元模型，并提交MSC/Nastran計算了固有模態和振型，計算出了可能發生共振的頻率振型，為優化設計提供了參考。

（2）傳動效率試驗證明了粉末冶金斜齒輪是一種性能優良的齒輪。在相同的工況下，粉末冶金溫壓斜齒輪的傳動效率比相應的合金斜齒輪要高1-4%傳動效率最高可超過99%，傳動更平穩，使用壽命更長，提升了取力器的綜合性能，因而具有廣闊的應用前景。

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Research on Powder Metallurgy Gear Lifting Fire Tanker Performance

WANG Li-qun
（Guangdong Industry Technical College，Guangzhou Guangdong 510300，China）

Abstract：Gear device driving fire pump，fire ladder，rescue truck crane and other fire fighting，fire tanker power take off is now widely used in various types of fire vehicle；Powder metallurgy helical gear has low manufacturing cost，excellent mechanical properties，good wear resistance，high temperature and corrosion resistance.In this article the powder metallurgy helical gear is applied on power take off and the finite element method is used on analysis of the characteristic of the transmission gear.The transmission efficiency experiment has been done to prove that powder metallurgy gear transmission has high efficiency，long service life，low manufacturing cost and can enhance the power transmission capability.

Key words：fire tanker；power take-off；metallurgy gear；finite element；transmission efficiency

中圖分類號：S776.29+3

文獻標識碼：A

文章編號：1672-545X（2016）03-0252-03

收稿日期：2015-12-13

基金項目：廣東輕工職業技術學院科研啟動基金2014資助項目（KJ201404）

作者簡介：汪利群（1978-），女，碩士，講師，主要從事計算機輔助設計、制造及工程分析方面的研究。