齿轮基本参数对时变刚度激励的影响浅析

在各种传动机构中, 应用最为广泛的传动方式是齿轮传动。齿轮传动具有工作可靠、使用寿命长、功率范围大、传动比准确、传动效率高等优点, 并且可以用来传递空间内任意各轴之间的运动和动力, 被广泛的应用于冶金、三航、机械、电子、汽车及能源等领域[1]。

1 国内外研究现状和发展趋势

目前应用最为广泛的传动方式依然是渐开线圆柱齿轮传动, 这种齿轮具有诸多优点而一直被沿用, 如:易于制造、维护简单、承载能力大, 结构紧凑、传动平稳等优点。现在及未来传动系统的前进形势是向着重载、高速、大型化的方向发展, 由此所带来的问题就是使齿轮的热力耦合变形或弹性变形量大幅增加, 将会出现转速波动、啮入啮出冲击、载荷的偏载及突变, 并且在不同频率上叠加产生的振动, 因而造成传动的精度降低, 工作寿命变短, 噪音变大以及承载能力的降低。自上世纪50年代以来, 各发达国家就开始了对齿形进行修整的研究, 至今发展成熟的几种修整技术主要有螺旋角修形、齿廓修形等方式[2]。然而以上几种方式从静力学方面并不能解决齿轮传动在工作中产生的振动噪音问题, 因此很多学者开始研究齿轮传动系统的动力学特性, 依此分析并改进齿轮的系统结构。经过反复的实验证明, 基于齿轮系统动力学研究进行改进的结构大幅降低了传动噪音及振动, 使整个系统的综合性能得以提高。

2 齿轮基本参数对时变刚度激励的影响

模数、压力角、齿顶高系数、顶隙系数、齿数为齿轮的基本设计参数, 其中模数不对轮齿的受载变形产生影响, 而齿数变化又会使传动比随之变化, 因此本文从压力角、齿顶高系数及顶隙系数三个方面去分析对啮合刚度的影响。

2.1 压力角变化影响

图2.1为压力角在15°至30°之间变化时对啮合刚度的影响曲线, 由此我们可以看出, 压力角的变化与齿轮的时变啮合刚度成正比, 减小压力角便可以减小齿轮的刚度激励, 但压力角的减小又会带来齿轮承载能力降低、齿面接触应力变大等问题, 因此压力角应选取一个适当值。

2.2 齿顶高系数变化影响

图2.2为齿顶高系数在0.95至1.05 (机械设计手册推荐值为1) 之间变化时对时变啮合刚度的影响。由此我们看出齿顶高系数的变化对时变刚度的影响分布变化较大, 不是很有规律性, 因此在选用时应根据使用工况及加工能力分别选取几种齿顶高系数, 经计算后画出分布图而进行最优设计。

2.3 齿轮顶隙系数变化影响

经过多组计算数据和曲线的对比得出:顶隙系数对齿轮的时变刚度影响并不是很大。啮合初始, 顶隙系数与刚度成反比, 啮合末时顶隙系数与刚度成反比, 因此齿轮顶隙系数在设计时可选择机械设计手册推荐值。

通过上述分析, 为了减小齿轮的啮合刚度、降低刚度激励, 本文提供了在设计参数选择上的一些参考, 最终达到减小齿根应力的目的。

3 结语

本文主要从齿轮几个基本设计参数中的压力角、齿顶高系数、顶隙系数的变化进行了数据计算和曲线分析, 从设计角度去实现降低齿轮时变啮合刚度激励的目的。经过理论数据表明, 齿轮基本设计参数的选择是否合理可以决定齿轮时变刚度的大小, 通过减小时变刚度从而降低齿轮的刚度激励和齿根的应力集中状况, 由此提高齿轮传动系统的可靠性和使用寿命。

摘要：本文主要研究了齿轮的主要参数中对压力角、齿顶高系数及顶隙系数对啮合刚度的影响, 通过分析和计算, 绘制了三个参数对啮合刚度影响的变化曲线, 从而得出了最优设计值, 虽然不能避免齿根的应力集中现象, 但是很大幅度的降低了应力值, 且有效改善了应力分布状况。

关键词：齿轮,压力角,齿顶高系数,顶隙系数,啮合刚度

参考文献

[1] 孙桓, 陈作模.机械原理.北京:高等教育出版社, 2001.

[2] 李明.风电增速箱斜齿轮齿向修形研究[D].大连:大连理工大学, 2008.