汪利群

（廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)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(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州510300）

摘要：消防車用取力器作為一種驅(qū)動(dòng)消防泵、消防云梯、搶險(xiǎn)救援隨車吊等消防裝置的齒輪裝置，廣泛應(yīng)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(yōu)異的力學(xué)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(yīng)用于取力器，使用有限元法分析了傳動(dòng)齒輪的特性，進(jìn)行了傳動(dòng)效率實(shí)驗(yàn)，粉末冶金齒輪傳動(dòng)效率高，使用壽命長，制造成本低，提升了取力器傳動(dòng)性能，具有廣闊應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：消防車；取力器；粉冶齒輪；有限元；傳動(dòng)效率

消防車是目前消防部隊(duì)滅火抗災(zāi)、搶險(xiǎn)救援的主要作戰(zhàn)武器。從罐類消防車消防泵的驅(qū)動(dòng)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(fā)動(dòng)機(jī)的輸出動(dòng)力傳輸?shù)较姥b置并轉(zhuǎn)換為各種運(yùn)動(dòng)。取力器性能的優(yōu)劣決定了消防泵是否能發(fā)揮其性能，以至影響到整臺(tái)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(fù)荷沖擊性更強(qiáng)、具有良好的耐高溫和耐蝕性。

本文將粉末冶金齒輪應(yīng)用在消防車取力器上，使用有限元法分析了其傳動(dòng)齒輪的動(dòng)態(tài)特性，進(jìn)行了進(jìn)行了粉末冶金溫壓斜齒輪和合金斜齒輪傳動(dòng)效率對(duì)比實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：粉末冶金溫壓斜齒輪綜合動(dòng)態(tài)性能比合金斜齒輪更為優(yōu)越，提升了取力器的傳動(dòng)性能，具有廣闊的應(yīng)用和前景。

1　消防車取力器結(jié)構(gòu)形式

取力器是通過齒輪傳動(dòng)傳遞動(dòng)力的裝置。根據(jù)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(dòng)軸取力和側(cè)取力。

我國汽車行業(yè)從國外引進(jìn)帶同步器的汽車變速器，這種變速器變速容易、靈活、結(jié)構(gòu)緊湊、不易打齒造成損壞。但這種變速器不能實(shí)現(xiàn)變速器上蓋取力，促使我國研發(fā)出了在車輛離合器與變速器之間加設(shè)獨(dú)立的取力裝置，實(shí)現(xiàn)全功率取力的取力方式，見圖1.其結(jié)構(gòu)原理：從變速器軸上直接取力，而輸入軸直接輸出第一動(dòng)力源到車輛變速器，同時(shí)通過中間軸的齒輪驅(qū)動(dòng)輸出軸旋轉(zhuǎn)而輸出第二動(dòng)力源到消防裝置。這是目前國內(nèi)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(shí)現(xiàn)消防車的雙動(dòng)功能，可以實(shí)現(xiàn)邊行駛邊噴水，適用于大噸位的罐類消防車和聯(lián)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(jié)構(gòu)中，齒輪作為傳動(dòng)系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部件，其傳動(dòng)性能、疲勞強(qiáng)度、傳動(dòng)效率，直接影響取力器的整體性能，因此，齒輪關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)尤為重要。取力器傳動(dòng)功率大，高負(fù)載，發(fā)熱量大，采用合理的齒輪設(shè)計(jì)，能提高傳動(dòng)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(dòng)，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(fù)荷沖擊性更強(qiáng)、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(shù)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(gè)最佳的結(jié)合點(diǎn)。它保持了傳統(tǒng)粉末冶金工藝少無切削加工的特點(diǎn)，與常規(guī)鍛坯機(jī)械加工相比，可減少工序，縮短工時(shí)，節(jié)約原料；同時(shí)，大大改善粉末冶金材料的力學(xué)性能，因而具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，特別是象齒輪類等輪廓較復(fù)雜的粉末冶金結(jié)構(gòu)零件，經(jīng)濟(jì)尤顯突出。

粉末冶金齒輪與合金鋼齒輪的毛坯質(zhì)量、零件質(zhì)量和材料利用率對(duì)比如表1所示。合金鋼齒輪的加工余量大，浪費(fèi)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(duì)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(jī)加工工序，其機(jī)加工費(fèi)用僅為傳統(tǒng)加工方法的四分之一，總生產(chǎn)成本比合金鋼齒輪的生產(chǎn)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(tài)分析

齒輪的固有特性，包括固有頻率和振型，對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、動(dòng)載荷的產(chǎn)生與傳遞以及系統(tǒng)振動(dòng)的形式等具有重要的影響。然而，在齒輪系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段，不能得到齒輪固有特性的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，只能通過理論計(jì)算得到動(dòng)力學(xué)分析的參數(shù)，目前最好的方法是有限元?jiǎng)恿Ψ治龇椒ā?/p>

使用MSC/Patran對(duì)斜齒輪進(jìn)行前后處理，建立斜齒輪的有限元模型。使用Import命令導(dǎo)入U(xiǎn)G建立的精確CAD模型文件，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分（Element meshing），

粉末冶金斜齒輪有限元模型模態(tài)分析的邊界條件的設(shè)定依據(jù)實(shí)際的工作情況。在斜齒輪嚙合過程中，內(nèi)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(lián)接看成剛性聯(lián)接，忽略鍵槽的影響。這樣的簡化對(duì)動(dòng)力學(xué)研究來說，誤差很小。為了能夠準(zhǔn)確地反映齒輪嚙合的實(shí)際狀態(tài)，將斜齒輪內(nèi)表面進(jìn)行約束，約束X、Y、Z向移動(dòng)和繞X、Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)五個(gè)自由度，余下繞Z軸旋轉(zhuǎn)的自由度。以此作為斜齒輪進(jìn)行模態(tài)分析的位移邊界條件。

模態(tài)是由系統(tǒng)的固有特性決定的，與外載荷無關(guān)，不需要設(shè)置斜齒輪的載荷邊界條件。設(shè)置好的有限元模型如圖2，對(duì)模型進(jìn)行檢查，設(shè)置工況（Load Cases），提交Nastran進(jìn)行模態(tài)計(jì)算分析。

圖2　斜齒輪有限元模型

對(duì)圖2的斜齒輪有限元模型進(jìn)行約束模態(tài)計(jì)算，用振型疊加法求解振動(dòng)響應(yīng)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(tǒng)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(tài)振型云紋圖

斜齒輪結(jié)構(gòu)的固有振型主要是端面上輪齒圓周振動(dòng)和扭振，軸向、徑向基本無振動(dòng)（見圖3），各模態(tài)振型不同之處在于輪齒周向振動(dòng)的方向，第一階振型各輪齒同時(shí)逆時(shí)針彎曲，第二到第五階振型各輪齒彎曲狀態(tài)不同，第六階模態(tài)出現(xiàn)了輪齒的扭轉(zhuǎn)。低階的模態(tài)振型對(duì)振動(dòng)響應(yīng)的影響大。因此，圓周振是斜齒輪發(fā)生共振可能性最大的振型。在齒輪系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中要充分考慮齒輪固有頻率和振型，使工作頻率遠(yuǎn)離齒輪的固有頻率，避免共振發(fā)生。

3　齒輪系統(tǒng)傳動(dòng)效率實(shí)驗(yàn)研究

一般說來，高速、重載齒輪傳動(dòng)，由于線速度較高，會(huì)引起較大的動(dòng)載荷，從而影響整機(jī)的安全性和平穩(wěn)性；當(dāng)傳動(dòng)比較大時(shí)，齒面的相對(duì)滑動(dòng)速度也就較高，導(dǎo)致膠合、磨損的概率大大增加；載荷較大相應(yīng)的力變形較大。因此，齒輪傳動(dòng)尤其是大功率齒輪傳動(dòng)，要求傳動(dòng)裝置具有較高的效率。

齒輪傳動(dòng)裝置的功耗有兩個(gè)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(dāng)然是嚙合損失。在當(dāng)今機(jī)械工業(yè)各領(lǐng)域中，都非常重視對(duì)齒輪傳動(dòng)效率的研究，如能將齒輪傳動(dòng)裝置的效率提高哪怕一個(gè)百分點(diǎn)，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(dòng)效率特性的研究，對(duì)于分析嚙合過程中動(dòng)態(tài)性能，指導(dǎo)設(shè)計(jì)高效的齒輪傳動(dòng)裝置，提升經(jīng)濟(jì)效益，具有重要的意義。本文擬進(jìn)行38CrMoAl合金斜齒輪與粉末冶金溫壓斜齒輪傳動(dòng)效率對(duì)比試驗(yàn)，找出材料因素在傳動(dòng)效率上的影響。

在JSS-A機(jī)械設(shè)計(jì)綜合試驗(yàn)臺(tái)對(duì)同參數(shù)的38CrMoAl斜齒輪及粉末冶金溫壓斜齒輪在相同工況下進(jìn)行了傳動(dòng)效率比較試驗(yàn)，試驗(yàn)完成后發(fā)現(xiàn)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(yàn)轉(zhuǎn)速為600r/min時(shí)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(yàn)點(diǎn)，樣條線為根據(jù)試驗(yàn)點(diǎn)所作的代表變化趨勢(shì)的曲線。從圖中可以看出在各負(fù)載下粉末冶金斜齒輪的傳動(dòng)效率均高于38CrMoAl斜齒輪。

圖4600　r/min時(shí)的效率試驗(yàn)

4　結(jié)束語

（1）消防車取力器整體性能取決于齒輪傳動(dòng)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(jì)算了固有模態(tài)和振型，計(jì)算出了可能發(fā)生共振的頻率振型，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。

（2）傳動(dòng)效率試驗(yàn)證明了粉末冶金斜齒輪是一種性能優(yōu)良的齒輪。在相同的工況下，粉末冶金溫壓斜齒輪的傳動(dòng)效率比相應(yīng)的合金斜齒輪要高1-4%傳動(dòng)效率最高可超過99%，傳動(dòng)更平穩(wěn)，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(yīng)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(hào)：S776.29+3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-545X（2016）03-0252-03

收稿日期：2015-12-13

基金項(xiàng)目：廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研啟動(dòng)基金2014資助項(xiàng)目（KJ201404）

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