熱加工處理技術對拖拉機變速箱齒輪的影響研究

吳戴燕

(安徽六安技師學院,安徽 六安 237001)

0 引言

齒輪傳動是機械傳動的重要組成部分,應用非常廣泛。其中,拖拉機變速箱齒輪在作業過程中會不斷受到強烈的磨損、彎曲應力和接觸疲勞應力的作用,且在換擋過程中還會承受強烈的沖擊載荷作用,從而造成齒輪過量磨損、表面剝落和斷齒等情況。因變速箱齒輪的平穩性直接會影響拖拉機的運動形式,故對拖拉機變速箱齒輪進行了深入運動學分析,并基于熱加工處理技術對拖拉機變速箱齒輪設計進行優化,以提高齒輪系統的可靠性。

1 拖拉機變速箱齒輪設計

拖拉機是農業生產中應用最為廣泛的一種的機械,其變速箱是整個機械的核心設備。正常作業時,發動機會帶動拖拉機變速器轉動,再間接地帶動車輪轉動,從而使拖拉機正常行駛。拖拉機變速箱結構如圖1所示。

圖1 拖拉機變速箱結構圖Fig.1 The structure diagram of tractor gearbox

齒輪是拖拉機變速箱的重要部件,拖拉機的變速主要是通過改變齒輪與齒輪間的傳動比實現的,本文研究的拖拉機變速箱采用非圓齒輪設計。

1.1 拖拉機變速箱非圓齒輪節曲線方程

拖拉機變速箱非圓齒輪的運行特點由齒輪所在的節曲線確定,研究拖拉機變速箱齒輪運行特性,則需要推導節曲線的方程。非圓齒輪的重要典型是橢圓齒輪結構,以此為基礎對節曲線方程進行推導,一階橢圓結構如圖2所示。

圖2 一階橢圓結構圖Fig.2 The first order elliptic structure diagram

圖2中,若將其極坐標的原點放在橢圓其中一個焦點中,那么該點就是主動輪的回轉中心。其極坐標方程的表達式為

(1)

(2)

其中,e1為主動輪所在的偏心率;α1為極坐標的角度。

結合以上兩個公式以及橢圓的性質,可得

(3)

節曲線封閉的條件表達式為

(4)

主動輪的向徑r1的變化周期為2π,從動輪的向徑r2在進行1周的回轉時,變化周期數為n2,將表達式(1)帶入節曲線封閉的條件表達式(4),可得

(5)

聯立以上式子,可以求出橢圓的中心距為

(6)

在拖拉機變速箱齒輪嚙合過程中,會存在以下關系,則

(7)

結合式(1)和式(7),可得

(8)

(9)

(10)

從動輪的向徑r2的變化周期為

(11)

主動輪和從動輪的傳動比為

(12)

如果把式(1)的極角放小為整數倍n1(n1>1),而維持主動輪的向徑r1不變,那么其方程表達式可以改寫為

(13)

同理,從動輪的接坐標可以改寫為

(14)

(15)

(16)

主動輪和從動輪的傳動比為

(17)

中心距為

(18)

這樣,就可以得出拖拉機變速箱非圓齒輪的節曲線方程。

1.2 拖拉機變速箱非圓齒輪齒廓設計

圖3 拖拉機變速箱非圓齒輪齒廓圖Fig.3 The tooth profile of non-circular gear in tractor gearbox

那么,o1在動坐標系pxdyd的坐標為

(19)

其中,o1x1y1和pxdyd兩個坐標系的轉換方程表達式為

(20)

假設正向面對齒廓,左、右兩側分別為左、右齒廓,則對應的第k個齒廓的表達式為

sk=s1-(k-1)pn=s1-(k-1)πm

(21)

其中,m為拖拉機變速箱齒輪模數。

動坐標系pxdyd中,左側齒廓嚙合點E的坐標為

(22)

根據推導出的拖拉機變速箱非圓齒節曲線繪制出橢圓輪齒齒廓,就可以進行三維有限元建模分析,得到齒輪模型。

2 拖拉機變速箱齒輪運動學分析

2.1 拖拉機變速箱齒輪靜力學模型

經過三維建模以后,可以得到拖拉機變速箱非圓齒模型,如圖4所示。

圖4 拖拉機變速箱非圓齒模型Fig.4 The non-circular-tooth model of tractor gearbox

根據模具上的螺芯結構,對拖拉機變速箱齒輪的結構、受力情況以及熱加工對其影響進行分析。根據設計的拖拉機變速箱非圓齒三維模型,結合運動學數據對其進行結構強度的校正和分析,從而建立結構的靜力學仿真模型,如圖5所示。

圖5 拖拉機變速箱靜力學仿真模型Fig.5 The static simulation model of tractor gearbox

根據模具上的螺芯結構,對拖拉機變速箱齒輪的結構、受力情況以及熱加工對其影響進行分析。

2.2 拖拉機變速箱齒輪材料參數

在對齒輪的結構、受力情況以及熱加工的影響進行實際分析的過程中,需要使用材料的力學性能,拖拉機變速箱齒輪材料具體參數如表1所示。

表1 拖拉機變速箱齒輪材料具體參數Table 1 The specific material parameters of tractor gearbox gear

2.3 拖拉機變速箱齒輪應力分析

通過對拖拉機變速箱齒輪的分析和計算,得到其在約束條件和轉矩下,整體模型的最大應力為385MPa,最大變形為0.03mm,已經超過了齒根處最大的應力值,因此需要采用合適的熱處理技術,實現對拖拉機變速箱齒輪的結構優化。

3 熱加工對拖拉機變速箱齒輪的影響

拖拉機變速箱齒輪的主要成分是優質碳鋼,進行熱處理加工之后,隨著溫度的升高,鋼的韌性會不斷下降,在齒輪某些部分殘余應力不能承受熱的影響時,拖拉機變速箱的齒輪就會出現變形,然后齒輪出現不同程度的變形。

齒輪在進行熱處理過程中,由于溫度升得太快,使齒輪的表面升溫加快,而內部溫升比較慢,表面和內部的溫度形成較大的對應力,也會造成齒輪出現不規則的變形。在熱處理加工過程中,主要會對齒輪造成如下幾點影響:①對齒輪的設計形狀造成影響;②原材料的品質對熱處理會造成影響;③預熱處理過程中會對熱處理變形造成影響;④加工過程中,選擇的工具和設備對熱處理有影響;⑤熱處理工藝流程會對齒輪造成影響。

綜上所述,造成拖拉機變速箱齒輪熱處理變形的因素很多,為了對其進行有效優化,本文提出了以下幾項控制措施:

1)科學選擇齒輪材料。由于齒輪原材料會造成齒輪在熱加工處理過程中出現形變,且齒輪原材料的淬透性是影響齒輪熱處理變形的主要因素,故選擇優質碳鋼作為齒輪原材料。該材料的晶粒差別較低,具備均勻性好的特點,對齒輪變形影響較小。

2)合理設計齒輪結構。在設計拖拉機變速箱齒輪時,應該首先保證齒輪的各項性能都合適,還要注意齒輪在熱處理階段不出現變形。本文在前文拖拉機變速箱非圓齒輪齒廓和節曲線研究以及齒輪運動學分析中,采用工件均勻分布、形狀簡單直接的方法,保證齒輪表面的平整度,從而有效減少齒輪在熱處理過程中出現的受力、受熱不均的問題。

3)選擇合適的熱加工工藝。在齒輪熱處理加工過程中,需要應用相應介質對齒輪進行冷卻,主要是控制介質的問題,故采用預熱處理、模壓淬火和精準機械加工等方法,減少齒輪在熱處理加工過程中的變形情況。

4 試驗與分析

為了減小熱加工過程對拖拉機變速箱齒輪的不利影響,在對齒輪設計和提出有效加工控制措施后,利用SolidWorks中的Motion模塊對拖拉機變速箱齒輪進行運動學仿真,選擇的齒輪材料如前文表1所示。設計時,主從齒輪的兩個軸輪固定,然后兩軸分別以節曲線加點為原點進行主從動輪的旋轉。

在從動輪上加入電動機,保持100r/min的勻速轉動,設定的運動時間為10s,每秒幀數固定為160,從而可以得到拖拉機變速箱齒輪主、從動輪角速度時間曲線,如圖6、圖7所示。

圖6 拖拉機變速箱齒輪主動輪角速度時間曲線Fig.6 The angular velocity time curve of driving wheel of tractor gearbox

圖7 拖拉機變速箱齒輪從動輪角速度時間曲線Fig.7 The angular velocity time curve of driven wheel of tractor gearbox

由SolidWorks軟件仿真結果可以看出:主從動輪的運動服規律符合傳動比函數,從動輪間斷位置實際曲線和理論值存在差異,但差異比較小,主要是由非線性激勵影響造成的。通過對曲線的觀察,可以確定拖拉機變速箱齒輪設計理論、建模方法和熱處理加工工藝都符合要求,驗證了整個設計的正確性。

5 結論

闡述了拖拉機變速箱齒輪節曲線方程和齒廓的設計方法,從靜力學模型、材料參數和應力3方面對齒輪進行了分析;同時,研究了熱處理加工對拖拉機變速箱齒輪的影響,并提出了具體的優化措施;最后,基于SolidWorks軟件仿真對設計的齒輪模型進行了分析。結果表明:拖拉機變速箱齒輪設計理論、建模方法和熱處理加工工藝均符合要求,驗證了整個設計的正確性。