機械齒輪傳動優(yōu)化設(shè)計要點分析獲獎科研報告

機械齒輪傳動優(yōu)化設(shè)計要點分析獲獎科研報告

摘

要：簡述了機械齒輪傳動的特點，通過對齒輪傳動國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的綜述，詳細的分析了機械齒輪傳動的技術(shù)要點，并以此提出相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計建議，為工程實踐提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：齒輪;優(yōu)化設(shè)計;傳動;振動

機械齒輪傳動主要作用是幫助我們傳遞物體運動，也幫助我們傳遞動力。在機械齒輪傳動過程中，對齒輪的要求也很高，務(wù)必保證齒輪平穩(wěn)運轉(zhuǎn)，并要有足夠的承載能力承受物體重量。

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齒輪傳動基本原理

齒輪傳動是指由齒輪副傳遞運動和動力的裝置，它是現(xiàn)代各種設(shè)備中應(yīng)用最廣泛的一種機械傳動方式。齒輪傳動是靠齒與齒的嚙合進行工作的，輪齒是齒輪直接參與工作的部分，即一對相同模數(shù)（齒的形體）的齒輪相互嚙合將動力或運動由甲軸傳送給乙軸，以完成動力或運動傳遞。它的傳動比較準(zhǔn)確，效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，壽命長。

齒輪傳動按其主要功能可分為：運動傳遞、動力傳遞、或運動和動力傳遞兼而有之。以運動傳遞為主要功能的齒輪傳動，其研究目標(biāo)是提高傳動精度。而以動力傳遞為主要功能的齒輪傳動，其研究則主要圍繞以下幾個方面進行：提高承載能力，降低振動噪聲，提高傳動效率，節(jié)約制造資源，提高加工效率，避免環(huán)境污染。如圖1所。

圖1動力傳動齒輪研究的任務(wù)

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齒輪傳動研究現(xiàn)狀

2.1

國外研究現(xiàn)狀

關(guān)于齒輪傳動研究領(lǐng)域比較有影響力的國際會議主要涉及德國國際齒輪會議、日本國際運動與動力傳動會議、中國齒輪（機械傳動、動力傳動）國際會議;美國動力傳動與齒輪會議。在上述國際齒輪會議中，又以德國的國際齒輪會議影響最大，其特點是參加國家多、高水平學(xué)者多，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界均很重視。研究內(nèi)容主要圍繞失效機理，傳動效率和綠色傳動幾個方面展開，詳見下述表1和表2所示。

2.2

國內(nèi)研究現(xiàn)狀

中國進入工業(yè)化國家，中國齒輪傳動的發(fā)展具有重要意義，其過程可大致分為四個階段。

第一階段是從20

世紀(jì)40

年代末到20

世紀(jì)60

年代，中國開始有了自己的齒輪工業(yè)，其間共有160

家左右齒輪制造廠（車間）。1956

年成立了（北京）機械科學(xué)研究院，下設(shè)齒輪傳動研究室，這是中國最早的齒輪技術(shù)研究開發(fā)機構(gòu)。

第二階段是20

世紀(jì)70

年代。那時齒輪生產(chǎn)廠家約有200家左右，涉足齒輪技術(shù)的研究所有7所，諸如鄭州機械研究所，西安重型機械研究所，成都工具研究所等等。同時，從事齒輪傳動技術(shù)研究的高等院校大約有10

;所。

第三階段是20

世紀(jì)80

年代。那時，主要齒輪生產(chǎn)廠家發(fā)展到500

多家，研究所10

余所，而從事齒輪傳動技術(shù)研究的高等院校上升到30

余所。

第四階段是20

世紀(jì)80

年代到21

世紀(jì)初。這一時期中國的齒輪傳動技術(shù)已趨于成熟，主要齒輪制造企業(yè)有600

余家，產(chǎn)值達31

億美元。在這期間，從事齒輪傳動技術(shù)的研究所為10個，高等院校20

余所。

3

優(yōu)化設(shè)計分析

齒輪傳動是靠齒與齒的嚙合進行工作的，輪齒是齒輪直接參與工作的部分，所以齒輪的失效主要發(fā)生在輪齒上。根據(jù)齒輪的失效形式可以在輪齒破壞、齒面腐蝕、齒面摩擦、齒面膠合以及塑性變形等方面加以優(yōu)化。

3.1

輪齒破壞

輪齒破壞通常有兩種情況：一種是由于多次重復(fù)的彎曲應(yīng)力和應(yīng)力集中造成的疲勞破壞;另一種是由于突然產(chǎn)生嚴(yán)重過載或沖擊載荷作用引起的過載破壞。尤其是脆性材料（鑄鐵、淬火鋼等）制成的齒輪更容易發(fā)生輪齒脆斷。兩種破壞均起始于輪齒受拉應(yīng)力的一側(cè)。增大齒根過渡圓角半徑、改善材料的力學(xué)性能、降低表面粗糙度以減小應(yīng)力集中，以及對齒根處進行強化處理（如噴丸、滾擠壓）等，均可提高輪齒的抗折斷能力。

3.2

齒面腐蝕

輪齒工作時，前面嚙合處在交變接觸應(yīng)力的多次反復(fù)作用下，在靠近節(jié)線的齒面上會產(chǎn)生若干小裂紋。隨著裂紋的擴展，將導(dǎo)致小塊金屬剝落，類似于腐蝕破壞。齒面腐蝕的繼續(xù)擴展會影響傳動的平穩(wěn)性，并產(chǎn)生振動和噪聲，導(dǎo)致齒輪不能正常工作。齒面的損傷腐蝕是潤滑良好的閉式齒輪傳動常見的失效形式。提高齒面硬度和降低表面粗糙度值，均可提高齒面的抗腐蝕能力。

3.3

齒面摩擦

輪齒嚙合時，由于相對滑動，特別是外界硬質(zhì)微粒進入嚙合工作面之間時，會導(dǎo)致輪齒表面磨損，產(chǎn)生較大的摩擦。齒面逐漸磨損后，齒面將失去正確的齒形，嚴(yán)重時導(dǎo)致輪齒過薄而折斷，齒面磨損對開式齒輪傳動有重要影響，摩擦力顯著。為了減少磨損，重要的齒輪傳動應(yīng)采用閉式傳動，并注意潤滑。

3.4

齒面膠合

在高速重載的齒輪傳動中，齒面間的壓力大、溫升高、潤滑效果差，當(dāng)瞬時溫度過高時，將使兩齒面局部熔融、金屬相互粘連，當(dāng)兩齒面做相對運動時，粘住的地方被撕破，從而在齒面上沿著滑動方向形成帶狀或大面積的傷痕，低速重載的傳動不易形成油膜，摩擦發(fā)熱雖不大，但也可能因重載而出現(xiàn)冷膠合。采用黏度較大或抗膠合性能好的潤滑油，降低表面粗糙度以形成良好的潤滑條件;提高齒面硬度等均可增強齒面的抗膠合能力。

3.5

塑性變形

硬度較低的軟齒面齒輪，在低速重載時，由于齒面壓力過大，在摩擦力作用下，齒面金屬產(chǎn)生塑性流動而失去原來的齒形。提高齒面硬度和采用黏度較高的潤滑油，均有助于防止或減輕齒面塑性變形。

4、結(jié)論

通過對齒輪傳動國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的綜述，總結(jié)了機械齒輪傳動的技術(shù)要點以及優(yōu)化建議。為了能夠確保機械齒輪持續(xù)穩(wěn)定地傳動，就需相關(guān)技術(shù)人員能夠積極投身于實踐探索當(dāng)中，以積累更多的實踐經(jīng)驗，全面把握機械齒輪的傳動失效特性，擇取最佳的優(yōu)化措施，保證機械齒輪可一直處于穩(wěn)定性的傳動狀態(tài)，避免傳動失效