提升齒輪傳動壽命的強度匹配方法

楊燦輝

（重慶機床（集團）有限責任公司，重慶401336）

提升齒輪傳動壽命的強度匹配方法

楊燦輝

（重慶機床（集團）有限責任公司，重慶401336）

齒輪驅動的設計經常與傳動元件壽命縮短的現象。而通過傳動元件的強度匹配可以有效的解決這個問題，從而提高齒輪的傳動壽命。從齒輪嚙合機理的角度出發，經過對標準的設計參數的更改，使得蝸桿設計不僅可以滿足傳動比和強度的要求，而且反映了緊湊的結構，同時實現了傳動部分的嚙合強度匹配。本文首先簡要闡述了齒輪動態特性，再此基礎上研究了兩種齒輪參數的修正方法，即改變模量和同時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

隨著工具設計和制造水平的提高和程序化軟件的應用和普及，傳統的標準設計理念逐漸被淘汰。在機械傳動中，齒輪初期嚙合由于硬度不同會產生磨損現象，長時間的磨損現象會導致動能失效。因此，驅動器再設計時要著重考慮齒輪嚙合的傳動比、強度、嚙合結構等要求，這樣就可以使變速箱動能傳遞實現最大化。

國內外有很多關于齒輪強度的設計，實驗和分析法是較為傳統的齒輪強度設計方法。近些年，有限元法深入剖析了各種對齒輪強度磨損的影響。例如，在盒子尺寸限定的情況下，通過壓力角和模量的改變就可以調整變位系數，以達到提高傳遞強度的目的。本文介紹了經過驅動元件的耐久度來提高齒輪傳動壽命方法：首先是通過改變模數來提高蝸輪的耐久性；其次是采用增大塑料齒輪齒厚而減薄蝸桿的齒厚來保證嚙合強度的匹配性，以保證是塑料齒輪與金屬蝸桿的有效嚙合傳動。

1 齒輪的動態特性

齒輪的動態特性有齒輪的固定性、動態性、動態參數等三大特性。

（1）固有特性

齒輪的固定性指的是驅動系統的固有的傳動頻率和模式，齒輪的固定特性是齒輪系統的動態特性重要的組成部分之一。其主要特點對齒輪系統的固定傳動頻率與模式通過參數方法進行研究的一種方式。通過有限元法計算齒輪和箱體結構的固有頻率和模式。運用對齒輪系統的靈敏度、動態優化設計來研究齒輪系統的結構、幾何、傳動規律、模式等參數，并對其進行相應的改進，提高傳動系統的固有特性。

（2）動態響應

齒輪系統在動態作用下的動態響應是齒輪系統動力學研究的主要部分，包括齒輪的在傳動過程中的嚙合以及零部件的動態響應等。研究齒的動態嚙合力主要是了解齒輪動態產生的機理、尺寸、性質等。齒輪的驅動系統是一個參數激勵的傳動系統，與其它機械振動系統不同的是齒輪驅動系統具有動態穩定性問題。通過對齒輪傳動系統的動態穩定性問題進行分析，找出其影響穩定性的關鍵原因所在，為齒輪傳動系統的相關設計提供參考。

（3）動態系統參數

齒輪動態系統參數主要是進行對齒輪在傳動過程中各種動態性能的研究，是研究齒輪系統動性能對齒輪傳動的影響。通過對行星齒輪傳動系統動力學靈敏度分析，定量各種齒輪系統靈敏度參數以對齒輪在系統在傳動過程中的動態進行優化設計。

2 可變模量和可變壓力角設計

當傳動箱內齒輪在傳動過程中嚙合時，進入嚙合區域內的各個齒輪要滿足其嚙合條件。齒輪的交替嚙合是最為正確的結合方式，必須使嚙合線上的兩個相近齒輪在嚙合線基圓距離相等，兩個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：

由于齒輪強度在設計中，模數和壓力角參數都是標準值，所以公式二要滿足m1=m2、a1＝a2.由于齒輪強度在設計中，模數和壓力角參數都是標準值，所以公式二要滿足。因此，通常的接合條件是：主驅動輪模量和壓力角相等。但從式二中可以看出，只要兩對齒輪基線一致就可以正常嚙合。而對于蝸輪傳動來講，其主要材料是銅合金，而鋼是蝸桿的主要材料，因此要進行淬火。在使用過程中由于蝸桿硬度較高，早期會對渦輪產生磨損。如果綜將蝸桿、渦輪的強度系數綜合考慮，早期的磨損問題便可以得到解決。即通過式二可知，這樣不僅增加了蝸桿壓力角和模數使得蝸輪強度增加，而且在降低蝸桿強度同時減少了蝸桿與渦輪的初期磨損。

根據式一、式二，齒輪強度設計過程中同時增加模量與壓力角來進一步提高強度系數。

3 變齒厚設計

3.1 塑料齒輪非標準化設計

標準化的齒輪模量和壓力角制造在我國工業領域已經實現。而且，在兩個齒輪嚙合條件相匹配的情況下，滿足等式方程就能實現齒輪的正確嚙合。由于塑料齒輪由模具成型，沒有機加工的難易問題，可以設計成非標準的塑料齒輪，這種設計好處在于：cosa函數在（0，π/2）區間內，余弦函數是遞減函數，即a越大cosa越小。假設m1和a1取非標準值，如m1=1，a1=20°此時，可以設計出非標配套的齒輪，而且其值比原先的參數較大，齒輪強度的提升對于齒輪副來講作用也非常明顯。鑒于此，塑料齒輪的強度設計范圍可以更加廣闊，其實用性以及使用價值都得到提升。

4 結語

在傳動箱結構相似、中心距離相等的情況下，增加了銅蝸桿模數與壓力角可增強齒輪強度，顯著提升蝸桿臂的嚙合強度。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。采用本文介紹的方法，開發的蝸輪在越野車以及踏板自動起落架減速機上得到應用，使用效果良好。

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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，高級工程師，研究方向：齒輪機床設計。