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大規格弧齒錐齒輪畫法,弧齒形優化設計
發布日期:2019/3/6 發布人:博彩担保评级齒輪 點擊量:
  弧齒錐齒輪是一種少切屑、無切屑的高新技術的產品,這款弧齒錐齒輪在整個粉末冶金零件中難以單獨統計,但無論是按重量還是按零件數量,弧齒錐齒輪在汽車、摩托車中所占的比例都遠遠大於其他領域中的齒輪,因此,從汽車、摩托車在整個粉末冶金零件中所占比例的上升可以看出,弧齒錐齒輪在整個粉末冶金零件中處於飛速發展的地位。
 
  五軸數控機床在弧齒錐齒輪加工中的應用與推廣,使得對於齒麵的精確設計成為可能。由於與現有的利用銑刀盤加工的工藝相比,五軸數控機床不存在動力學方麵的一些限製,因此,可以加工一些所需要的任何齒麵形狀。
 
  盡管如此,對於弧齒錐齒輪的一些技術要求並沒有發生變化。對於特殊的一些要求,比如承載力、運轉噪音特性等易燃需要通過設計和製造手段來實現。本文描述對於大規格錐齒輪的不同的設計要求,並針對齒輪副的不同設計原則以及相關內容進行分析。

齒形的自由成形方法
  最近幾年,許多文獻描述了完全不同的齒輪副齒形成形方法。其中一種為S型的齒形,從機床刀具行業演化而來,根據相關文獻資料,據稱其與弧齒錐齒輪相比,具有更高的承載能力。
  S型齒輪是從人字形齒輪發展出來的一種類型。在齒長方向的特殊形狀使得其接觸比更大,並且可以減小軸向力。在相同外端直徑的情況下,它與弧齒錐齒輪相比可以提高35%的承載能力。
  對於S型齒輪進行詳細的接觸承載分析後,可以發現該類型齒輪具有一個典型的缺陷。由於該類齒輪齒麵接觸區被分散到兩個區域,因此在加載增大後無法進行有效的齒麵擴展,限製了其接觸區域的範圍。如圖2所示,其接觸應力具有兩個典型的最高數值。另外一個缺陷在於其齒根應力的分布。傳統弧齒錐齒輪的西麵應力最高點在齒高和齒長中部附近,且邊緣區域應力較小,其大端和小端的應力非常低。而S型齒輪的齒根最大應力雖然低一些,但是其在齒的兩側具有極高的數值,這會導致在中部區域具有極高的相對滑動速度。在實際應用中,會導致齒輪的大端和小端以及邊緣區域受到較高的應力作用,從而導致早期失效。
  除此之外,對於弧齒錐齒輪來說,除傳統的數學模型外,其餘的一些設計理論也在實際中得到了應用。其中一個例子就是對於齒長方向球麵漸開線理論的應用,圖3顯示的是弧齒錐齒輪中,球麵漸開線理論的情況。
  典型的漸開線曲線,其特點都是具有等距性。對於漸開線圓柱齒輪,其中心距的變化不會影響其齧合特性。對於球麵漸開線來說,其軸交角的變化也不會改變其輪齒間的齧合情況,其他方麵的位移都會對其接觸情況產生影響。
  典型的齒輪應力是具有周期性的,主要分為彎曲應力、接觸應力、壓應力和剪切應力。因此,對於齒輪材料需要進行表麵硬化處理,使其表麵具有壓應力,同時減小內部的剪切應力和彎曲應力。齒麵接觸區域越大,其齒麵接觸應力越小,因此可以傳遞更大的動力。材料內部需要具有一定的延展性和韌性,以便抵抗內部彎曲應力,但這與齒麵接觸應力相抵觸。因此,需要將材料進行滲碳和噴丸處理,以便同時達到這兩方麵的要求。
  合理的齒麵設計應當盡可能減小齒麵在接觸區域的最大應力,同時避免在齒麵的邊緣存在較大的應力,所有的齒形設計都盡可能達到這個目標。另外,較高的接觸比也是可以的,因為這使得承載力能夠分配到更多的齒麵上,從而減小單個齒麵的受力。

安裝位移
  到受到扭矩加載後,齒輪輪齒會發生變形和位移。扭矩越大,齒麵接觸區域會越大。同樣,除了齒輪輪齒的變形外,齒輪箱的其他部件也會發生變形。這種加載後的變形主要是由於齒麵受力後,齒麵發生相對摩擦,引起的齒麵受力不平衡造成的。
  通過選取合適的模數和名義螺旋角,可以平衡彎曲應力和接觸應力的安全係數。除了零度意外的螺旋角都會引起軸向力的產生。弧齒錐齒輪受載後的齒麵位移如圖4所示,加載力會分配到主動輪和被動輪的軸向(V和J),以及偏置H方向,同樣會引起軸交角的變化。

  為了獲得優化的齒麵,博彩担保评级需要達到以下兩個目標:

  對於加載後的齒麵接觸區,需要布滿整個齒麵;對於加載後的位移,齒麵接觸區不會太過於敏感。

考慮到第一個目標,博彩担保评级需要使接觸區在加載後擴展到全齒麵但要排除掉邊緣接觸。顯然S型齒輪無法滿足這個要求,並且不能幫助其提高承載能力。球麵漸開線錐齒輪在軸交角發生變化後接觸區變化不銘感,同樣在V、H和J方向發生位移後,軸交角也不會發生變化。

不同的齒長形狀
  盡管利用五軸數控機床可以加工任意形狀的齒麵,但是經典的弧齒錐齒輪依然占據主導地位。其加載後的接觸區可以布滿整個齒麵,螺旋角的改變可以提高接觸比,並且將力分擔到不同的齒麵上,其齒麵終點部位的彎曲應力最大。下麵提供了五種不同的錐齒輪形式並且進行了相互比較。
  Palloid齒輪。這種Palloid齒輪采用錐形滾刀進行加工,滾刀的運動在齒輪毛坯齒長方向形成漸開線形狀。這種漸開線齒長曲線對於H和J的變動非常敏感。這種齒輪采用端麵滾刀進行加工或者進行磨削加工得到齒形。Cyclo-Palloid的齒長節線是延伸外擺線,Wiener的齒長節線為圓弧的一部分。

這兩種齒輪對於位移具有相同的特性,其主要取決於刀具直徑。

不同設計的比較

各類設計情況下,無位移狀態下的齒根彎曲應力是可以很容易進行比較的。對於Wiener114設計的齒輪副,其主動輪最大彎曲應力為446MPa,對於Cyclo-Palloid設計的齒輪副,其最大彎曲應力為486Mpa。被動輪的彎曲應力範圍為440到452Mpa之間。

類似於彎曲應力,最大的赫茲應力之間的差距是非常小的。Wiener114設計齒輪的具有最低的應力數值為1390Mpa,而Palloid齒輪具有最大的赫茲應力,其數值為1430Mpa。

關於承載能力之間最大的區別在於其受載以後的位移情況。圖14顯示的是利用圖13和14的前提條件下,得到的主動輪和被動輪的最大齒根彎曲應力情況。由於齒麵接觸區域在受載後發生齒長和齒高方向的位移,對於不同設計類型來說,其齒根彎曲應力相差很大。其中變化最大的是Palloid設計,其齒根彎曲應力從420變化到510Mpa。
  對於Palloid設計來說,其數值由1280MPa變化到1700Mpa。這是由於在加載後其齒麵接觸區接近於被動輪的齒頂導致的。這同樣也能用來接觸3-9WZL齒輪彎曲應力的急劇增加。采用Wiener114設計齒輪具有較低的接觸應力變化情況,其數值從1380Mpa變化到1480Mpa。

總結與展望

不同的齒輪設計類型,對於優化齒輪接觸應力和彎曲應力起到一定作用。對齒麵增加扭矩後,齒麵接觸區範圍將會擴大,可以優化齒麵應力分布。另外一個主要因素是關於齒麵接觸區在加載後的敏感性控製,在受載後,齒麵接觸區變化越小,其齒麵的彎曲應力和接觸應力變化越小。同樣的道理可以應用在應力中,齒麵接觸區越靠近中心,意味著其最大應力變化越小。對於高速比的齒輪設計來說,承載能力的優化設計同樣需要確定以上所提到的一些列受載後的特性。不論采用何種設計形式,滿足所需要的一係列性能即為一種成功的設計,各類形式的齒輪之間沒有明顯的優劣之分。
 
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