機械設備中齒輪傳動的應用分析

摘 要：隨著社會經濟的迅速發(fā)展，對齒輪傳動的要求也愈加苛刻，在齒輪傳動的使用壽命、性能、傳動扭矩、速度等都有著嚴格的要求，以此滿足不同場合的運動形式，廣泛的應用在擠出機、真空管、牽引機、切割機等機械設備。因此對齒輪傳動的應用分析顯得尤為重要，進一步為齒輪的應用奠定良好的基礎。

關鍵詞：機械設備，齒輪傳動，應用分析

引言

齒輪是使用量大、用途面廣的傳動件，齒輪產品廣泛的應用在擠出機、真空管、水箱、牽引機和切割機等領域[1-2]。在機械設備中，機械的傳動是最常見的傳動方式之一，尤其在減速機中，是不能缺少的部件。齒輪傳動具有傳動比準確、減速比容易控制、扭矩可以放大、承載能力高和可靠性高。隨著社會經濟的快速發(fā)展，機械設備的需求與日俱增，因此對齒輪傳動的研究顯得尤為重要[3]。

1. 齒輪的強度計算

由于齒輪在運動過程中，會出現(xiàn)失效的現(xiàn)象，如：輪齒折斷，齒面磨損、齒面點蝕等異常問題，這樣不利于齒輪的使用，其性能也發(fā)生改變，影響了機械設備中齒輪傳動的正常運作[4]。本文以標準硬齒面漸開線圓柱齒輪嚙合傳動為研究對象，合理的分析該齒輪的應用。

1.1硬齒面直齒圓柱齒輪的受力分析

由于齒輪傳動一般均加以潤滑，嚙合齒間的摩擦力通常很小，在計算輪齒受力時，為簡化計算，一般忽略不計。

法向載荷Fn的方向為沿著齒輪的嚙合方向且與輪齒表面垂直，在分度圓上分解法向載荷Fn ：切于分度圓的圓周力Ft 與沿著半徑方向的徑向力Fr ，則有如下計算公式：

（1）

式（1）中， T1為小齒輪傳遞的名義轉矩，單位為 N mm； 為分度圓壓力角，單位為（o）；

1.2齒輪傳動的計算載荷

根據(jù)擠出機、切割機等機械設備的運動特點、原動機的工作特點、聯(lián)軸器的緩沖作用，會對動載荷有著一定的影響，可以通過計算得到動載荷所需的使用系數(shù)KA。其使用系數(shù)的參考表，如表1所示。

2. 建立齒輪傳動的三維模型

Solid Works company 是美國達索系統(tǒng)（Dassault）公司的一個下屬公司，該公司專門從事三維產品設計、工程結構分析和數(shù)據(jù)管理的工作。該軟件為每一位用戶提供了一個系列的解決方案。從產品設計、有限元分析、工程圖紙、渲染到PDM數(shù)據(jù)管理、二維設計、三維建模到零件的組合、干涉核驗等功能均可完成。

在 Solid Works 零件繪制界面上，根據(jù)一對齒輪的嚙合狀態(tài)，將其三維模型進行建立，根據(jù)基本尺寸得到三維模型；再將兩個齒輪進行裝配，即形成嚙合的傳動模式，在“齒輪配合”命令下，選取小齒輪一個輪齒的齒頂，再選取大齒輪一個輪齒的齒頂，即可得到正確嚙合的漸開線硬齒面直齒圓柱齒輪傳動。完成的裝配體如圖1所示。

3齒輪傳動的有限元靜力分析

把 Solid Works 中的三維模型導入到 ABAQUS 中，大小齒輪的相對位置沒有發(fā)生改變，也沒有出現(xiàn)兩個齒輪的模型干涉或重疊情況。添加齒輪材料屬性40Cr，其材料的密度為7850，彈性模量2.06e11，泊松比為0.3；在添加約束，采用齒輪的接觸面來進行約束分析；最后在進行網格劃分，網格的密度與分析結果呈正相關關系，但是網格密度越大，分析計算所需要耗費的時間就越多，因此，網格的劃分對于整個模型的計算效率至關重要。通齒輪傳動的接觸分析，得到網格劃分如圖4所示。給小齒輪的參考點上施加轉速104.67rad/s的載荷，得到一對齒輪嚙合的有限元分析云圖，其齒輪傳動接觸應力云圖如圖5所示。

綜上所述，得到理論的計算結果，其中小齒輪的接觸強度許用應力值為979MPa，大齒輪的接觸強度許用應力為1034MPa，故該模型的靜力分析結果中的兩個齒輪最大接觸應力值都在各自的許用范圍內，數(shù)值合理。

4.總結

通過對標準漸開線直齒齒輪嚙合傳動為分析對象，在圓柱齒輪嚙合傳動的原理和自身特點的基礎上，對輪齒的強度進行計算，并通過SOLIDWORKS建立一對齒輪的三維圖形，再經ABAQUS 軟件對三維模型進行有限元分析，驗證了硬齒面齒輪傳動的正確性和可行性，為齒輪傳動的優(yōu)化設計提供了一定的理論依據(jù)。

參考文獻：

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[2] 李彥啟，趙西莉，郭軍伯，劉明濤，史培豐.基于虛擬樣機技術的內平動分度凸輪機構動力學分析[J].機械傳動，2018（04）：119-124.

[3] 劉穎.煤礦機械傳動齒輪失效形式分析及改進措施[J].煤炭技術，2013，32（01）：38-39.

[4] 潘宏俠，姚竹亭.齒輪傳動系統(tǒng)狀態(tài)檢測與故障診斷[J].華北工學院學報，2001（04）：313-318.

作者簡介：

潘邦耀（1986.9.19）男，漢族，佛山南海人，本科學歷，從事機械設計工作。