圓弧齒線圓柱齒輪減速器設(shè)計(jì)及傳動(dòng)性能分析*

馬登秋，葉振環(huán)，安 玉，劉曉宇

(遵義師范學(xué)院 工學(xué)院，貴州 遵義 563006)

0 引 言

傳統(tǒng)減速器普遍存在體積龐大、質(zhì)量大、大傳動(dòng)比時(shí)低效率及噪音高等問題，給日常生產(chǎn)帶來諸多問題[1-2]。為了滿足行業(yè)發(fā)展需要，工程技術(shù)人員對減速器進(jìn)行了大量的研究，提出了多種新型減速器設(shè)計(jì)方案。梁錫昌等[3]將現(xiàn)有的減速器分為了大傳動(dòng)比減速器、高功率密度減速器、高精度減速器、低噪聲減速器、超大功率減速器、微型減速器、質(zhì)量限制減速器等，并指出了新型減速器的發(fā)展方向。同時(shí)，研究人員也對各種新型減速器展開了研究，并取得了豐碩的研究成果[4-7]，為圓弧齒線圓柱齒輪減速器的設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支持。

圓弧齒線圓柱齒輪具有重合度大、高承載力、高效率、長壽命、高平穩(wěn)性、低噪聲、無軸向力等特點(diǎn)，可以彌補(bǔ)直齒、斜齒以及人字齒等齒輪傳動(dòng)的不足，受到研究人員的廣泛關(guān)注[8]。圓弧齒線圓柱齒輪的原始概念首次由日本長谷川吉三郎提出。后來，TSENG R T和TSAY C B等[9-10]利用矢量法對弧齒線圓柱齒輪進(jìn)行了研究，推導(dǎo)了它的數(shù)學(xué)模型，并分析了該齒輪的接觸特征；狄玉濤[11]對圓弧齒線圓柱齒輪的嚙合干涉、軸線平行度誤差、中心距對嚙合性能等基礎(chǔ)理論進(jìn)行了討論；彭福華[12]提出了采用圓拉法來加工曲線齒輪，加工效率方面得到了很大改善，但由于成本高，很難推廣；林子光[13]將曲線圓柱齒輪應(yīng)用于齒輪油泵，解決了直齒輪油泵的困油問題；宋愛平等[14]對圓弧齒線圓柱齒輪的嚙合機(jī)理與特性進(jìn)行了研究，分析比較了各種常見的齒輪加工方法的優(yōu)劣；ALFONSO F A[15-16]通過對直齒輪、斜齒輪和圓弧齒線圓柱齒輪傳動(dòng)的接觸應(yīng)力和傳動(dòng)誤差的比較，證明了圓弧齒線圓柱齒輪傳動(dòng)具有一定的優(yōu)越性。

學(xué)者們雖在圓弧齒線圓弧齒輪嚙合特性、承載能力、加工方法上進(jìn)行了理論分析，但是一直未見其大規(guī)模的應(yīng)用，其原因在于：(1)齒輪齒廓齒形不統(tǒng)一、齒輪設(shè)計(jì)參數(shù)選取標(biāo)準(zhǔn)未建立；(2)齒輪接觸特性研究尚未形成系統(tǒng)；(3)齒輪檢測方法和測量參數(shù)項(xiàng)目及檢測標(biāo)準(zhǔn)尚未建立；(4)圓弧曲線圓柱齒輪傳動(dòng)副臺架試驗(yàn)尚未進(jìn)行。

為此，本文擬將圓弧齒線圓柱齒輪應(yīng)用到減速器傳動(dòng)系統(tǒng)中，并對圓弧齒線圓柱齒輪減速器傳動(dòng)系統(tǒng)和漸開線圓柱齒輪減速器傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)性能優(yōu)劣進(jìn)行分析比較。

1 圓弧齒線圓柱齒輪減速器設(shè)計(jì)

減速器傳動(dòng)系統(tǒng)主要由低速軸、高速軸、中間軸、1-4號圓弧齒線圓柱齒輪、軸承等組成。電機(jī)直接用聯(lián)軸器與高速軸(輸入軸)連接，將力矩/運(yùn)動(dòng)輸入減速器傳動(dòng)系統(tǒng)，通過兩對圓弧齒線圓柱齒輪嚙合運(yùn)動(dòng)將力矩/運(yùn)動(dòng)傳至低速軸(輸出軸)，進(jìn)而為外部設(shè)備提供動(dòng)力/運(yùn)動(dòng)。

為了對比分析同規(guī)格下，圓弧齒線圓柱齒輪減速器與外嚙合漸開線圓柱齒輪減速器接觸性能的優(yōu)劣，本文在進(jìn)行減速器設(shè)計(jì)時(shí)，有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)如箱體、軸承、軸、齒輪大小及安裝中心距等主要尺寸均設(shè)置相同。

查閱資料可知：ZQA型減速器為外嚙合漸開線圓柱齒輪減速器，適用于建材、起重、運(yùn)輸、化工和輕工等行業(yè)。筆者選擇根據(jù)ZQA型減速器設(shè)計(jì)圓弧齒線圓柱齒輪減速器，具體型號為ZQA50。

關(guān)鍵安裝尺寸如表1所示。

表1 圓弧齒線齒輪減速器關(guān)鍵安裝尺寸

齒輪基本參數(shù)如表2所示。

表2 ZQA50減速器齒輪基本參數(shù)

其余參數(shù)按國標(biāo)選取。

2 圓弧齒線圓柱齒輪及減速器三維建模

根據(jù)圓弧齒線圓柱齒輪成形原理[17-19]，在理論上，圓弧齒線圓柱齒輪可用齒輪毛坯和圓弧齒線基本齒條相互運(yùn)動(dòng)，完成三維數(shù)字模型的切制。在切制標(biāo)準(zhǔn)圓弧齒線圓柱齒輪時(shí)，齒輪毛坯分度圓應(yīng)與圓弧齒線基本齒條分度線相切，且運(yùn)動(dòng)關(guān)系滿足下式：

S=θ×R

(1)

式中:θ—齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度；R—齒輪毛坯分度圓半徑；S—圓弧齒線基本齒條的位移。

基于以上方法，筆者在UG的建模環(huán)境下，利用UG/Open grip語言進(jìn)行二次開發(fā)，編制程序，在UG零件建模環(huán)境下，調(diào)用程序，輸入所切制齒輪的模數(shù)、齒數(shù)以及齒線半徑(R=500 mm)，切制所需齒輪。根據(jù)ZQA50型漸開線圓柱齒輪減速器的齒輪參數(shù)，完成圓弧齒線圓柱齒輪減速器1-4號齒輪的切制。

觀察切制的圓弧齒線圓柱齒輪齒面可知：齒輪齒面存在許多的加工“刀痕”，不可直接用于有限元分析，需要進(jìn)行進(jìn)一步的處理。

以中間軸大齒輪為例(其余不在累贅敘述)，具體處理步驟如下：

(1)在齒輪端面上建立設(shè)計(jì)特征圓柱面，選定某一個(gè)齒，圓柱面與齒廓相交，利用求交線命令得到齒面曲線后，采用連結(jié)命令將其連結(jié)起來；

(2)分別在第一步選擇輪齒的中截面和兩端面繪制齒輪齒廓曲線，并利用“通過曲線網(wǎng)格”命令得到齒面；

(3)對所得到的齒面陣列進(jìn)行縫合，通過設(shè)計(jì)的特征圓柱(半徑大于齒頂圓半徑)與縫合的齒面求差，可以得到圓弧齒輪的實(shí)體模型，如圖1所示。

圖1 圓弧齒線圓柱齒輪齒面處理

最后進(jìn)行后續(xù)處理，如軸孔、鍵槽、倒角等。

其他幾號圓弧齒線圓柱齒輪齒輪，根據(jù)同樣的方法得到，如圖2所示。

圖2 圓弧齒線圓柱齒輪

對于圓弧齒線圓柱齒輪減速器其他零件，如箱體、軸承蓋、軸承、墊片、油標(biāo)、窺視孔、擋油環(huán)、連接螺栓、卸油螺釘、軸承蓋螺釘?shù)?，根?jù)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行三維建模，在此不再贅述。

并且，本文進(jìn)一步建立圓弧齒線圓柱齒輪減速器的裝配模型，為后續(xù)接觸性能有限元仿真提供技術(shù)支持。

3 減速器接觸性能分析

減速器傳動(dòng)系統(tǒng)中，影響其傳動(dòng)性能主要結(jié)構(gòu)因素為齒輪-軸-軸承所構(gòu)成的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，因此，本文只對圓弧齒線圓柱齒輪和ZQA50漸開線圓柱齒輪減速器中，齒輪-軸-軸承所構(gòu)成的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行有限元仿真，比較傳統(tǒng)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)與圓弧齒線圓柱齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。

3.1 減速器有限元建模

(1)模型導(dǎo)入。將已裝配的圓弧齒線圓柱齒輪和ZQA50漸開線圓柱齒輪減速器主要傳動(dòng)系統(tǒng)導(dǎo)出為_.xt格式文件，并將其導(dǎo)入Ansys Workbench中，并設(shè)置各零件材料為45號鋼；

(2)接觸設(shè)置。設(shè)置各嚙合齒輪齒面間的接觸為Frictional，摩擦因數(shù)為0.01，其余接觸設(shè)置為Bonded，但需要合理選擇接觸面；

(3)約束與載荷設(shè)置。在高速軸、中間軸添加Cylindrical Support，并設(shè)置切向Free，在低速軸輸出端面添加Fixed Support，在高速軸電機(jī)輸入端加載力矩Moment，大小為100 N·m，對整傳動(dòng)系統(tǒng)加載一個(gè)Standard Earth Gravity；

(4)網(wǎng)格劃分。傳動(dòng)系統(tǒng)總體采用自動(dòng)劃分網(wǎng)格，但在齒輪嚙合接觸面處，利用Sizing細(xì)化齒面網(wǎng)格，網(wǎng)格大小設(shè)置為2 mm；

(5)求解設(shè)置。分別對減速器高速軸、高速軸齒輪、中間軸、中間軸齒輪、低速軸、低速軸齒輪，設(shè)置應(yīng)力求解項(xiàng)。

3.2 減速器接觸性能對比分析

通過以上的分析，本文可以得到圓弧齒線圓柱齒輪減速器與ZQA50漸開線圓柱齒輪減速器傳動(dòng)系統(tǒng)的整體應(yīng)力圖，如圖3所示。

圖3 減速器傳動(dòng)系統(tǒng)整體應(yīng)力圖

由圖3可知：最大應(yīng)力均出現(xiàn)在高速軸大齒輪，圓弧齒線圓柱齒輪減速器為145.51 MPa，ZQA50漸開線圓柱齒輪減速器為295.77 MPa。

由此可見，圓弧齒線圓柱齒輪接觸應(yīng)力比斜齒輪傳動(dòng)小，說明圓弧齒線齒輪傳動(dòng)性能比漸開線斜齒輪傳動(dòng)優(yōu)越。

圓弧齒線圓柱齒輪減速器與ZQA50漸開線圓柱齒輪減速器傳動(dòng)系統(tǒng)高速軸齒輪應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4 高速軸齒輪應(yīng)力圖

由圖4可知：圓弧齒線圓柱齒輪減速器高速軸齒輪最大應(yīng)力為29.176 MPa，ZQA50漸開線圓柱齒輪減速器高速軸齒輪最大應(yīng)力為114.85 MPa。

由此可見，圓弧齒輪最大應(yīng)力較小，且圓弧齒線圓柱齒輪的應(yīng)力分布明顯比斜齒輪應(yīng)力分布好，圓弧齒輪應(yīng)力分布在齒輪中截面附近，說明圓弧齒線圓柱齒輪傳動(dòng)性能比斜齒輪優(yōu)越。

筆者采用同樣分析方法，分析圓弧齒線圓柱齒輪與傳統(tǒng)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)齒輪應(yīng)力的分布和大小，如圖5所示。

圖5 中間軸大齒輪、中間軸、低速軸齒輪應(yīng)力圖

根據(jù)上述分析，總體而言，圓弧齒線圓柱齒輪的接觸比斜齒輪優(yōu)越；圓弧齒線圓柱齒輪接觸區(qū)域在齒寬中截面附近，且嚙合接觸的齒面多，即重合度大。其中，低速軸齒輪接觸的位置往輸出軸端面偏移了一定位移，原因在于對輸出軸端添加了Fixed Support，而對另一端沒有添加支撐。此時(shí)，低速軸相當(dāng)于是一根懸臂梁，在力的作用下發(fā)生變形，導(dǎo)致齒輪接觸面發(fā)生偏移。

對于接觸應(yīng)力，圓弧齒線圓柱齒輪的中間軸大齒輪最大應(yīng)力為20.516 MPa，中間軸最大應(yīng)力為105.71 MPa，低速軸齒輪最大應(yīng)力為145.51 MPa；傳統(tǒng)齒輪系統(tǒng)的中間軸大齒輪最大應(yīng)力為63.002 MPa，中間軸最大應(yīng)力為295.77 MPa，低速軸齒輪最大應(yīng)力為295.77 MPa。

由此可知，圓弧齒線圓柱齒輪的接觸應(yīng)力較傳統(tǒng)齒輪小，說明在傳遞相同扭矩時(shí)，圓弧齒線齒輪在結(jié)構(gòu)上可以做得更緊湊，同時(shí)節(jié)約材料，成本更低。

傳動(dòng)系統(tǒng)高速軸和低速軸應(yīng)力云圖如圖6所示。

圖6 高/低速軸應(yīng)力圖

由圖6可知：圓弧齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)高/低速軸最大應(yīng)力分別為12.199 MPa和51.728 MPa，傳統(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng)高/低速軸最大應(yīng)力分別為10.842 MPa和19.676 MPa。

由此可見，圓弧齒線圓柱齒輪減速器傳動(dòng)系統(tǒng)高/低速軸的應(yīng)力較大，但是仍均滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語

根據(jù)ZQA50型漸開線圓弧齒輪減速器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，本文對圓弧齒線圓柱齒輪減速器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并利用UG NX8.0建立了圓弧齒線圓柱齒輪和ZQA50減速器三維模型；利用UG/Open grip語言編制了圓弧齒線圓柱齒輪程序，通過齒條和毛坯之間的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行了圓弧齒線圓柱齒輪切制，對齒面刀痕進(jìn)行了處理后，最終完成了建模；對減速器主要傳動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析，對比分析了兩種減速器接觸性能的優(yōu)劣。

研究結(jié)果表明：圓弧齒線圓柱齒輪接觸比傳統(tǒng)齒輪好，齒輪接觸區(qū)域在齒寬中截面附近，且嚙合接觸齒面多，即重合度大；圓弧齒線圓柱齒輪接觸最大應(yīng)力比傳統(tǒng)齒輪最大應(yīng)力小，傳遞相同扭矩時(shí)，圓弧齒線齒輪結(jié)構(gòu)上更緊湊；在軸上應(yīng)力大小均滿足強(qiáng)度要求。

總體而言，圓弧齒線圓柱齒輪比傳動(dòng)齒輪的傳動(dòng)性能優(yōu)越。該研究結(jié)果可為圓弧齒線圓柱齒輪減速器的生產(chǎn)與制造提供相關(guān)依據(jù)。