楊慧

（安徽文達(dá)信息工程學(xué)院機(jī)電學(xué)院）

摘 要：直齒圓柱齒輪傳動(dòng)是傳統(tǒng)和現(xiàn)在機(jī)械運(yùn)動(dòng)中應(yīng)用最廣泛的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，它具有傳動(dòng)平穩(wěn)，效率高的特點(diǎn)，同時(shí)齒輪的參數(shù)設(shè)計(jì)，齒輪的直徑可以滿足不同工況的要求，伴隨著輪齒嚙入嚙出的同時(shí)，齒輪傳動(dòng)容易產(chǎn)生沖擊現(xiàn)象，沖擊載荷對(duì)齒輪的傳動(dòng)，嚙合，壽命和噪聲都會(huì)帶來(lái)一定的影響，從而會(huì)影響加工的精度。因此當(dāng)于現(xiàn)在的直齒圓柱齒輪傳動(dòng)及受力情況入手，先確定沖擊載荷的類型，結(jié)合數(shù)據(jù)對(duì)載荷的分布作詳細(xì)的分析，推出其沖擊載荷的計(jì)算公式，并用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算公式對(duì)比，最后提出對(duì)傳動(dòng)時(shí)的載荷危害提出一些合理的建議。

關(guān)鍵詞：直齒圓柱齒輪傳動(dòng)；受力；沖擊現(xiàn)象；沖擊載荷

1.直齒圓柱齒輪沖擊載荷發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)今著名國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者對(duì)齒輪傳動(dòng)的沖擊載荷都進(jìn)行了一定的研究，DB.Wallace研究了直齒圓柱齒輪的動(dòng)載荷和齒根應(yīng)力，1993年，S Vijayrangan和N.Gansan利用三維有限元計(jì)算了沖擊載荷下齒根應(yīng)力隨時(shí)間的變化，由此可知，沖擊載荷對(duì)齒輪傳動(dòng)的影響很大，但是現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)沖擊載荷的深入研究計(jì)算還不是很多，本文先是通過(guò)材料力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)的方法分析直齒圓柱齒輪傳動(dòng)是的受力分布即名義載荷，再通過(guò)對(duì)傳動(dòng)沖擊載荷的確定，不同因素對(duì)沖擊載荷的影響，計(jì)算載荷系數(shù)，最后與經(jīng)典沖擊載荷的方法對(duì)比分析，找出影響直齒圓柱齒輪傳動(dòng)沖擊載荷的主要因素，并加以修改，提出對(duì)沖擊載荷的防護(hù)保護(hù)傳動(dòng)系統(tǒng)的平穩(wěn)性。

2.沖擊載荷的分析與比較

就目前研究情況來(lái)看，對(duì)于直齒圓柱齒輪自身來(lái)說(shuō)，出現(xiàn)沖擊載荷的原因可以歸納為三個(gè)方面：

1）嚙合沖擊。直齒圓柱齒輪在傳動(dòng)的過(guò)程中，每對(duì)輪齒的嚙入嚙出，長(zhǎng)時(shí)間的受載變形導(dǎo)致的幾何誤差讓齒輪在傳動(dòng)的過(guò)程中很容易產(chǎn)生速度沖擊，振動(dòng)以及噪聲。

2）節(jié)點(diǎn)沖擊。齒輪每對(duì)輪齒在嚙合的時(shí)候，在經(jīng)過(guò)嚙合點(diǎn)的時(shí)候，兩輪齒的相對(duì)接觸沖擊。

3）動(dòng)態(tài)傳動(dòng)誤差。直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的時(shí)候，輪齒嚙合的對(duì)數(shù)交替變化，輪齒的受載等產(chǎn)生了周期性的動(dòng)態(tài)變化，對(duì)齒輪沖動(dòng)就容易產(chǎn)生周期性的沖擊載荷。

綜上所論，嚙合沖擊與動(dòng)態(tài)傳動(dòng)誤差最為重要，因?yàn)辇X輪傳動(dòng)的過(guò)程中，伴隨著是每個(gè)輪齒不斷的交替嚙入嚙出，輪齒齒面上的應(yīng)力是不均勻分布的，很容易導(dǎo)致輪齒的受載變形，這是直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的特性，因此對(duì)直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的沖擊載荷有必要作出詳細(xì)的計(jì)算以及防護(hù)[6，7]。

3.沖擊載荷的計(jì)算與分析

直齒圓柱齒輪傳動(dòng)過(guò)程中，因?yàn)榇嬖邶X廓微小誤差，長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)作會(huì)破壞兩齒輪嚙合輪齒之間的共軛關(guān)系，從而傳動(dòng)速度會(huì)有短暫的變化，其中誤差的存在空間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)加速力Fa，這個(gè)加速力在每個(gè)輪齒的不斷嚙合，會(huì)在齒輪上形成一個(gè)周期性的沖擊載荷[9，10]，根據(jù)力學(xué)原理可設(shè)直齒圓柱齒輪傳動(dòng)過(guò)程中名義載荷為W，沖擊載荷為Wd，兩齒輪的質(zhì)量為m1m2，在嚙合點(diǎn)的齒輪有效的質(zhì)量為m，傳動(dòng)速度為v，在名義載荷的作用下齒輪傳動(dòng)時(shí)候的變形量為δ，齒輪傳動(dòng)的時(shí)候受沖擊載荷的變形量為δm，設(shè)e是由齒輪制造的誤差以及受載荷變形誤差組成，因此可得沖擊載荷Wd的近似計(jì)算公式

在計(jì)算的過(guò)程中應(yīng)充分考慮齒輪的內(nèi)部因素變形δm，輪齒變形所受到的沖擊力Fa，當(dāng)輪齒發(fā)生沖擊載荷變形量δ最大的時(shí)候會(huì)有一個(gè)齒輪輪齒的極限沖擊力F2，齒輪在傳動(dòng)的時(shí)候，名義載荷W可以根據(jù)力學(xué)公式求出固定值，因此在齒輪傳動(dòng)調(diào)試的時(shí)候可以跟據(jù)最大變形量δ參考以上的公式求出齒輪所能承受的最大沖擊載荷Wdmax，得到?jīng)_擊載荷發(fā)生的時(shí)候輪齒嚙合有一個(gè)加速力Fa，最后對(duì)沖擊力的分析，得到?jīng)_擊載荷Wd的計(jì)算，同時(shí)在齒輪加工制造上造成的不必要的誤差，以及外部設(shè)備的振動(dòng)因素，這些會(huì)對(duì)齒輪傳動(dòng)嚙合的時(shí)候造成傳動(dòng)嚙合誤差，會(huì)影響齒輪輪齒不斷嚙合傳遞運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，因此在計(jì)算沖擊載荷的同時(shí)有時(shí)要根據(jù)具體情況再去考慮計(jì)算沖擊載荷。

4 不同因素對(duì)直齒圓柱齒輪傳動(dòng)沖擊載荷的影響

4.1直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的內(nèi)部因素影響

內(nèi)部因素有：齒輪的剛度，變形造成的幾何誤差，以及過(guò)渡曲線干涉，齒廓重疊干涉，齒輪最大嚙入深度小于某一規(guī)定值等。

1）齒輪的剛度[11]，齒輪在傳動(dòng)的時(shí)候，齒輪輪齒齒根處嚙合的時(shí)候單齒嚙合的時(shí)候齒輪的綜合剛度小，則彈性變形就大，在齒頂處雙齒嚙合的時(shí)候，齒輪的綜合剛度大，輪齒的彈性變形就小。

2）輪齒的變形，齒輪在加工的時(shí)候有微小的誤差，以及在安裝的時(shí)候出現(xiàn)軸向誤差的話，這些誤差會(huì)導(dǎo)致齒輪在傳動(dòng)的過(guò)程中，兩齒輪偏離了正確的嚙合軌跡，容易造成輪齒的直接碰撞。

3）齒輪制造時(shí)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)要求在齒輪所能達(dá)到的嚙入深度的位置上，它的柔輪和剛輪的齒頂都是不能進(jìn)入到搭配的齒輪輪齒的過(guò)渡曲線部分[12]。

4）齒廓重疊干涉。其實(shí)齒廓重疊干涉十分好處理。只要將任意齒輪在嚙合位置的兩齒廓，在它們的工作段不相交就可以了。

5）齒輪最大嚙入深度小于某一規(guī)定值。如果出現(xiàn)了齒輪在嚙入的過(guò)程中，最大的嚙入深度小于了它自身的規(guī)定值，不然在傳動(dòng)嚙合的過(guò)程中會(huì)直接造成卡死，輪齒的碰撞。

4.2齒輪傳動(dòng)的外部因素影響

對(duì)于機(jī)械設(shè)備加工的時(shí)候，自身會(huì)有一定的噪聲以及振動(dòng)對(duì)齒輪傳動(dòng)會(huì)造成嚙合誤差，齒輪的定期潤(rùn)滑對(duì)齒輪傳動(dòng)時(shí)的平穩(wěn)以及噪聲有很好的效果，外界的溫度以及齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)的速度都有一定的影響[13，14]。

4.3輪齒的接觸精度

對(duì)載荷較重的齒輪來(lái)說(shuō)，接觸精度好會(huì)讓齒輪齒面的載荷分布比較均勻，對(duì)輪齒的接觸精度在齒輪粗精加工的時(shí)候一定要嚴(yán)格要求，從而降低沖擊載荷的發(fā)生性。

5 沖擊載荷的危害以及改善措施

在日常生活中，直齒圓柱齒輪的傳動(dòng)十分普遍，由于齒輪構(gòu)造的自身原因，在傳動(dòng)過(guò)程中很容易產(chǎn)生沖擊載荷，沖擊載荷會(huì)讓齒輪傳動(dòng)的時(shí)候，伴隨著輪齒嚙入嚙出的時(shí)候，對(duì)輪齒造成齒面受損，甚至齒面折斷等危害，大大降低了齒輪傳動(dòng)的穩(wěn)定性。因此，提出一些對(duì)于防護(hù)沖擊載荷的發(fā)生以及減少其造成的傷害：

在齒輪制造的時(shí)候，要嚴(yán)格按照要求，對(duì)齒輪的基本參數(shù)以及粗精加工時(shí)候工藝性要按照標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也要提高齒輪的加工精度，加強(qiáng)輪齒的接觸精度[15]，齒輪制造時(shí)候的誤差要控制在合格范圍之內(nèi)，在安裝的時(shí)候也要注意安裝誤差，齒輪傳動(dòng)的時(shí)候，要定期對(duì)輪齒的潤(rùn)滑，減少輪齒之間的摩擦力，對(duì)設(shè)備要定期維護(hù)及調(diào)試，降低沖擊載荷的可能性，為齒輪傳動(dòng)提供更好的安全性。

6 結(jié)論

在分析齒輪傳動(dòng)的時(shí)候，根據(jù)所學(xué)的知識(shí)以及查閱的資料，Buckingham在對(duì)齒輪傳動(dòng)動(dòng)載荷研究很有代表性，通過(guò)材料力學(xué)詳細(xì)分析齒輪的受載分析，提出輪齒的變形以及輪齒剛度的影響，再通過(guò)以前三種經(jīng)典載荷計(jì)算方法，作出嚙合時(shí)的詳細(xì)受力圖，從而得出新的對(duì)于沖擊載荷的計(jì)算方法以及影響沖擊載荷的因素：輪齒的接觸精度，輪齒的剛度，齒輪加工制造的誤差，安裝時(shí)的誤差等這些都嚴(yán)格要求，最后對(duì)于這些結(jié)論提出一些關(guān)于減小沖擊載荷危害的措施，為直齒圓柱齒輪傳動(dòng)提供更好的穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

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[2]朱荊璞，張德惠編.機(jī)械工程材料學(xué).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988.

[3]謝忠東.機(jī)械原理.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.9.