直齒圓柱齒輪傳動沖擊載荷分析

楊慧

（安徽文達信息工程學院機電學院）

摘 要：直齒圓柱齒輪傳動是傳統(tǒng)和現(xiàn)在機械運動中應(yīng)用最廣泛的傳動結(jié)構(gòu)，它具有傳動平穩(wěn)，效率高的特點，同時齒輪的參數(shù)設(shè)計，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，齒輪傳動容易產(chǎn)生沖擊現(xiàn)象，沖擊載荷對齒輪的傳動，嚙合，壽命和噪聲都會帶來一定的影響，從而會影響加工的精度。因此當于現(xiàn)在的直齒圓柱齒輪傳動及受力情況入手，先確定沖擊載荷的類型，結(jié)合數(shù)據(jù)對載荷的分布作詳細的分析，推出其沖擊載荷的計算公式，并用實驗數(shù)據(jù)對計算公式對比，最后提出對傳動時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；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

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

2.沖擊載荷的分析與比較

就目前研究情況來看，對于直齒圓柱齒輪自身來說，出現(xiàn)沖擊載荷的原因可以歸納為三個方面：

1）嚙合沖擊。直齒圓柱齒輪在傳動的過程中，每對輪齒的嚙入嚙出，長時間的受載變形導(dǎo)致的幾何誤差讓齒輪在傳動的過程中很容易產(chǎn)生速度沖擊，振動以及噪聲。

2）節(jié)點沖擊。齒輪每對輪齒在嚙合的時候，在經(jīng)過嚙合點的時候，兩輪齒的相對接觸沖擊。

3）動態(tài)傳動誤差。直齒圓柱齒輪傳動的時候，輪齒嚙合的對數(shù)交替變化，輪齒的受載等產(chǎn)生了周期性的動態(tài)變化，對齒輪沖動就容易產(chǎn)生周期性的沖擊載荷。

綜上所論，嚙合沖擊與動態(tài)傳動誤差最為重要，因為齒輪傳動的過程中，伴隨著是每個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的特性，因此對直齒圓柱齒輪傳動的沖擊載荷有必要作出詳細的計算以及防護[6，7]。

3.沖擊載荷的計算與分析

直齒圓柱齒輪傳動過程中，因為存在齒廓微小誤差，長時間的運作會破壞兩齒輪嚙合輪齒之間的共軛關(guān)系，從而傳動速度會有短暫的變化，其中誤差的存在空間會產(chǎn)生一個加速力Fa，這個加速力在每個輪齒的不斷嚙合，會在齒輪上形成一個周期性的沖擊載荷[9，10]，根據(jù)力學原理可設(shè)直齒圓柱齒輪傳動過程中名義載荷為W，沖擊載荷為Wd，兩齒輪的質(zhì)量為m1m2，在嚙合點的齒輪有效的質(zhì)量為m，傳動速度為v，在名義載荷的作用下齒輪傳動時候的變形量為δ，齒輪傳動的時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的近似計算公式

在計算的過程中應(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，當輪齒發(fā)生沖擊載荷變形量δ最大的時候會有一個齒輪輪齒的極限沖擊力F2，齒輪在傳動的時候，名義載荷W可以根據(jù)力學公式求出固定值，因此在齒輪傳動調(diào)試的時候可以跟據(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)生的時候輪齒嚙合有一個加速力Fa，最后對沖擊力的分析，得到?jīng)_擊載荷Wd的計算，同時在齒輪加工制造上造成的不必要的誤差，以及外部設(shè)備的振動因素，這些會對齒輪傳動嚙合的時候造成傳動嚙合誤差，會影響齒輪輪齒不斷嚙合傳遞運動的進行，因此在計算沖擊載荷的同時有時要根據(jù)具體情況再去考慮計算沖擊載荷。

4 不同因素對直齒圓柱齒輪傳動沖擊載荷的影響

4.1直齒圓柱齒輪傳動的內(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]，齒輪在傳動的時候，齒輪輪齒齒根處嚙合的時候單齒嚙合的時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，齒輪在加工的時候有微小的誤差，以及在安裝的時候出現(xiàn)軸向誤差的話，這些誤差會導(dǎo)致齒輪在傳動的過程中，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）齒輪制造時參數(shù)標準，標準參數(shù)要求在齒輪所能達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入到搭配的齒輪輪齒的過渡曲線部分[12]。

4）齒廓重疊干涉。其實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，不然在傳動嚙合的過程中會直接造成卡死，輪齒的碰撞。

4.2齒輪傳動的外部因素影響

對于機械設(shè)備加工的時候，自身會有一定的噪聲以及振動對齒輪傳動會造成嚙合誤差，齒輪的定期潤滑對齒輪傳動時的平穩(wěn)以及噪聲有很好的效果，外界的溫度以及齒輪運轉(zhuǎn)的速度都有一定的影響[13，14]。

4.3輪齒的接觸精度

對載荷較重的齒輪來說，接觸精度好會讓齒輪齒面的載荷分布比較均勻，對輪齒的接觸精度在齒輪粗精加工的時候一定要嚴格要求，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十分普遍，由于齒輪構(gòu)造的自身原因，在傳動過程中很容易產(chǎn)生沖擊載荷，沖擊載荷會讓齒輪傳動的時候，伴隨著輪齒嚙入嚙出的時候，對輪齒造成齒面受損，甚至齒面折斷等危害，大大降低了齒輪傳動的穩(wěn)定性。因此，提出一些對于防護沖擊載荷的發(fā)生以及減少其造成的傷害：

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

6 結(jié)論

在分析齒輪傳動的時候，根據(jù)所學的知識以及查閱的資料，Buckingham在對齒輪傳動動載荷研究很有代表性，通過材料力學詳細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，再通過以前三種經(jīng)典載荷計算方法，作出嚙合時的詳細受力圖，從而得出新的對于沖擊載荷的計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，安裝時的誤差等這些都嚴格要求，最后對于這些結(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提供更好的穩(wěn)定性。

參考文獻

[1]邱宣懷.機械設(shè)計.北京：高等教育出版社，2011.7.

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

[3]謝忠東.機械原理.北京：北京航空航天大學出版社，2011.9.