機(jī)械齒輪傳動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析獲獎(jiǎng)科研報(bào)告

機(jī)械齒輪傳動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析獲獎(jiǎng)科研報(bào)告

摘

要：簡(jiǎn)述了機(jī)械齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)齒輪傳動(dòng)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的綜述，詳細(xì)的分析了機(jī)械齒輪傳動(dòng)的技術(shù)要點(diǎn)，并以此提出相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)建議，為工程實(shí)踐提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：齒輪;優(yōu)化設(shè)計(jì);傳動(dòng);振動(dòng)

機(jī)械齒輪傳動(dòng)主要作用是幫助我們傳遞物體運(yùn)動(dòng)，也幫助我們傳遞動(dòng)力。在機(jī)械齒輪傳動(dòng)過(guò)程中，對(duì)齒輪的要求也很高，務(wù)必保證齒輪平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，并要有足夠的承載能力承受物體重量。

1

齒輪傳動(dòng)基本原理

齒輪傳動(dòng)是指由齒輪副傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)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(jī)械傳動(dòng)方式。齒輪傳動(dòng)是靠齒與齒的嚙合進(jìn)行工作的，輪齒是齒輪直接參與工作的部分，即一對(duì)相同模數(shù)（齒的形體）的齒輪相互嚙合將動(dòng)力或運(yùn)動(dòng)由甲軸傳送給乙軸，以完成動(dòng)力或運(yùn)動(dòng)傳遞。它的傳動(dòng)比較準(zhǔn)確，效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，壽命長(zhǎng)。

齒輪傳動(dòng)按其主要功能可分為：運(yùn)動(dòng)傳遞、動(dòng)力傳遞、或運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞兼而有之。以運(yùn)動(dòng)傳遞為主要功能的齒輪傳動(dòng)，其研究目標(biāo)是提高傳動(dòng)精度。而以動(dòng)力傳遞為主要功能的齒輪傳動(dòng)，其研究則主要圍繞以下幾個(gè)方面進(jìn)行：提高承載能力，降低振動(dòng)噪聲，提高傳動(dòng)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(dòng)力傳動(dòng)齒輪研究的任務(wù)

2

齒輪傳動(dòng)研究現(xiàn)狀

2.1

國(guó)外研究現(xiàn)狀

關(guān)于齒輪傳動(dòng)研究領(lǐng)域比較有影響力的國(guó)際會(huì)議主要涉及德國(guó)國(guó)際齒輪會(huì)議、日本國(guó)際運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力傳動(dòng)會(huì)議、中國(guó)齒輪（機(jī)械傳動(dòng)、動(dòng)力傳動(dòng)）國(guó)際會(huì)議;美國(guó)動(dòng)力傳動(dòng)與齒輪會(huì)議。在上述國(guó)際齒輪會(huì)議中，又以德國(guó)的國(guó)際齒輪會(huì)議影響最大，其特點(diǎn)是參加國(guó)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?jī)?nèi)容主要圍繞失效機(jī)理，傳動(dòng)效率和綠色傳動(dòng)幾個(gè)方面展開(kāi)，詳見(jiàn)下述表1和表2所示。

2.2

國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

中國(guó)進(jìn)入工業(yè)化國(guó)家，中國(guó)齒輪傳動(dòng)的發(fā)展具有重要意義，其過(guò)程可大致分為四個(gè)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(guó)開(kāi)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(jī)械科學(xué)研究院，下設(shè)齒輪傳動(dòng)研究室，這是中國(guó)最早的齒輪技術(shù)研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)。

第二階段是20

世紀(jì)70

年代。那時(shí)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(jī)械研究所，西安重型機(jī)械研究所，成都工具研究所等等。同時(shí)，從事齒輪傳動(dòng)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(shí)，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(dòng)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(shí)期中國(guó)的齒輪傳動(dòng)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(dá)31

億美元。在這期間，從事齒輪傳動(dòng)技術(shù)的研究所為10個(gè)，高等院校20

余所。

3

優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

齒輪傳動(dòng)是靠齒與齒的嚙合進(jìn)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(guò)載或沖擊載荷作用引起的過(guò)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(guò)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(duì)齒根處進(jìn)行強(qiáng)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(shí)，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(huì)產(chǎn)生若干小裂紋。隨著裂紋的擴(kuò)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(kuò)展會(huì)影響傳動(dòng)的平穩(wěn)性，并產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，導(dǎo)致齒輪不能正常工作。齒面的損傷腐蝕是潤(rùn)滑良好的閉式齒輪傳動(dòng)常見(jiàn)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(shí)，由于相對(duì)滑動(dòng)，特別是外界硬質(zhì)微粒進(jìn)入嚙合工作面之間時(shí)，會(huì)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(shí)導(dǎo)致輪齒過(guò)薄而折斷，齒面磨損對(duì)開(kāi)式齒輪傳動(dòng)有重要影響，摩擦力顯著。為了減少磨損，重要的齒輪傳動(dòng)應(yīng)采用閉式傳動(dòng)，并注意潤(rùn)滑。

3.4

齒面膠合

在高速重載的齒輪傳動(dòng)中，齒面間的壓力大、溫升高、潤(rùn)滑效果差，當(dāng)瞬時(shí)溫度過(guò)高時(shí)，將使兩齒面局部熔融、金屬相互粘連，當(dāng)兩齒面做相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，粘住的地方被撕破，從而在齒面上沿著滑動(dòng)方向形成帶狀或大面積的傷痕，低速重載的傳動(dòng)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(rùn)滑油，降低表面粗糙度以形成良好的潤(rùn)滑條件;提高齒面硬度等均可增強(qiáng)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(shí)，由于齒面壓力過(guò)大，在摩擦力作用下，齒面金屬產(chǎn)生塑性流動(dòng)而失去原來(lái)的齒形。提高齒面硬度和采用黏度較高的潤(rùn)滑油，均有助于防止或減輕齒面塑性變形。

4、結(jié)論

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