粉末冶金齿轮提升消防车取力器性能研究

汪利群

（广东轻工职业技术学院，广东 广州510300）



粉末冶金齿轮提升消防车取力器性能研究

汪利群

（广东轻工职业技术学院，广东 广州510300）

摘要：消防车用取力器作为一种驱动消防泵、消防云梯、抢险救援随车吊等消防装置的齿轮装置，广泛应用于各种类型的消防车；粉末冶金温压斜齿轮制造成本低，既具有优异的力学性能，又具有良好的耐磨、耐高温和耐蚀性；本文将粉末冶金齿轮应用于取力器，使用有限元法分析了传动齿轮的特性，进行了传动效率实验，粉末冶金齿轮传动效率高，使用寿命长，制造成本低，提升了取力器传动性能，具有广阔应用前景。

关键词：消防车；取力器；粉冶齿轮；有限元；传动效率

消防车是目前消防部队灭火抗灾、抢险救援的主要作战武器。从罐类消防车消防泵的驱动到特种类消防车随车吊的使用，以及举高类消防车支腿的展开与臂架的举升，都须通过取力器将发动机的输出动力传输到消防装置并转换为各种运动。取力器性能的优劣决定了消防泵是否能发挥其性能，以至影响到整台消防车的性能。粉末冶金温压齿轮较之普通合金齿轮制造成本低、精度更高、耐磨性更好、抗疲劳负荷冲击性更强、具有良好的耐高温和耐蚀性。

本文将粉末冶金齿轮应用在消防车取力器上，使用有限元法分析了其传动齿轮的动态特性，进行了进行了粉末冶金温压斜齿轮和合金斜齿轮传动效率对比实验，试验结果表明：粉末冶金温压斜齿轮综合动态性能比合金斜齿轮更为优越，提升了取力器的传动性能，具有广阔的应用和前景。

1　消防车取力器结构形式

取力器是通过齿轮传动传递动力的装置。根据安装位置和作用的不同，消防车用取力器的取力方式大体上分为五类：变速器上盖取力、变速器副轴取力、全功率取力、传动轴取力和侧取力。

我国汽车行业从国外引进带同步器的汽车变速器，这种变速器变速容易、灵活、结构紧凑、不易打齿造成损坏。但这种变速器不能实现变速器上盖取力，促使我国研发出了在车辆离合器与变速器之间加设独立的取力装置，实现全功率取力的取力方式，见图1.其结构原理：从变速器轴上直接取力，而输入轴直接输出第一动力源到车辆变速器，同时通过中间轴的齿轮驱动输出轴旋转而输出第二动力源到消防装置。这是目前国内外最流行的取力方式。这种形式的取力器润滑方便，全功率输出。因而传输功率大，传递效率高，使用可靠，易于实现消防车的双动功能，可以实现边行驶边喷水，适用于大吨位的罐类消防车和联用类消防车等。由于其安装位置处于离合器与变速器之间，又被称为夹心式取力。

图1　全功率取力

在取力器结构中，齿轮作为传动系统中最关键的部件，其传动性能、疲劳强度、传动效率，直接影响取力器的整体性能，因此，齿轮关键部件的设计尤为重要。取力器传动功率大，高负载，发热量大，采用合理的齿轮设计，能提高传动性能，增加使用寿命，降低使用成本。

本人采用粉末冶金温压斜齿轮传动，满足取力器的性能要求，粉末冶金温压齿轮较之普通合金齿轮制造成本低、精度更高、耐磨性更好、抗疲劳负荷冲击性更强、具有良好的耐高温和耐蚀性。

2　粉末冶金温压斜齿轮性能及有限元分析

2.1粉末冶金斜齿轮性能

粉末冶金温压成形技术能以较低的成本制造出高密度的粉末冶金零件，为粉末冶金零件在性能与成本之间找到了一个最佳的结合点。它保持了传统粉末冶金工艺少无切削加工的特点，与常规锻坯机械加工相比，可减少工序，缩短工时，节约原料；同时，大大改善粉末冶金材料的力学性能，因而具有显著的经济效益和社会效益，特别是象齿轮类等轮廓较复杂的粉末冶金结构零件，经济尤显突出。

粉末冶金齿轮与合金钢齿轮的毛坯质量、零件质量和材料利用率对比如表1所示。合金钢齿轮的加工余量大，浪费材料资源，切削加工过程中消耗大量能源；粉末冶金成形少无切削加工，材料利用率高。由表1可以看出粉末冶金齿轮比合金钢齿轮的材料利用率高约60%.

表1　材料利用率对比

采用粉末冶金温压工艺可以大大简化高性能齿轮的制造工艺，省去大量机加工工序，其机加工费用仅为传统加工方法的四分之一，总生产成本比合金钢齿轮的生产成本降低约40%左右。

2.2粉末冶金渐开线斜齿轮有限元模态分析

齿轮的固有特性，包括固有频率和振型，对系统的动态响应、动载荷的产生与传递以及系统振动的形式等具有重要的影响。然而，在齿轮系统的设计阶段，不能得到齿轮固有特性的实验数据，只能通过理论计算得到动力学分析的参数，目前最好的方法是有限元动力分析方法。

使用MSC/Patran对斜齿轮进行前后处理，建立斜齿轮的有限元模型。使用Import命令导入UG建立的精确CAD模型文件，对模型进行网格划分（Element meshing），

粉末冶金斜齿轮有限元模型模态分析的边界条件的设定依据实际的工作情况。在斜齿轮啮合过程中，内表面和轴采用键连接，在有限元模型中可以把齿轮和轴过盈配合联接看成刚性联接，忽略键槽的影响。这样的简化对动力学研究来说，误差很小。为了能够准确地反映齿轮啮合的实际状态，将斜齿轮内表面进行约束，约束X、Y、Z向移动和绕X、Y轴转动五个自由度，余下绕Z轴旋转的自由度。以此作为斜齿轮进行模态分析的位移边界条件。

模态是由系统的固有特性决定的，与外载荷无关，不需要设置斜齿轮的载荷边界条件。设置好的有限元模型如图2，对模型进行检查，设置工况（Load Cases），提交Nastran进行模态计算分析。

图2　斜齿轮有限元模型

对图2的斜齿轮有限元模型进行约束模态计算，用振型叠加法求解振动响应问题通常不必求出全部的固有频率和振型，越是低阶，影响越大，通常取5-10阶，精度已足够。表2仅给出齿轮系统前10阶固有频率。图3仅给出了斜齿轮的前1、3、5、6阶固有振型。

表2　斜齿轮前十阶固有频率（Hz）

图3　粉末冶金斜齿轮各阶模态振型云纹图

斜齿轮结构的固有振型主要是端面上轮齿圆周振动和扭振，轴向、径向基本无振动（见图3），各模态振型不同之处在于轮齿周向振动的方向，第一阶振型各轮齿同时逆时针弯曲，第二到第五阶振型各轮齿弯曲状态不同，第六阶模态出现了轮齿的扭转。低阶的模态振型对振动响应的影响大。因此，圆周振是斜齿轮发生共振可能性最大的振型。在齿轮系统的设计中要充分考虑齿轮固有频率和振型，使工作频率远离齿轮的固有频率，避免共振发生。

3　齿轮系统传动效率实验研究

一般说来，高速、重载齿轮传动，由于线速度较高，会引起较大的动载荷，从而影响整机的安全性和平稳性；当传动比较大时，齿面的相对滑动速度也就较高，导致胶合、磨损的概率大大增加；载荷较大相应的力变形较大。因此，齿轮传动尤其是大功率齿轮传动，要求传动装置具有较高的效率。

齿轮传动装置的功耗有两个重要的来源，即啮合损失、轴承及油封等处的功率损失，而其中具有决定性的当然是啮合损失。在当今机械工业各领域中，都非常重视对齿轮传动效率的研究，如能将齿轮传动装置的效率提高哪怕一个百分点，也是具有十分重要的意义的。

在消防车取力器中粉末冶金温压斜齿轮的传动效率特性的研究，对于分析啮合过程中动态性能，指导设计高效的齿轮传动装置，提升经济效益，具有重要的意义。本文拟进行38CrMoAl合金斜齿轮与粉末冶金温压斜齿轮传动效率对比试验，找出材料因素在传动效率上的影响。

在JSS-A机械设计综合试验台对同参数的38CrMoAl斜齿轮及粉末冶金温压斜齿轮在相同工况下进行了传动效率比较试验，试验完成后发现粉末冶金斜齿轮的效率要明显高于38CrMoAl斜齿轮。为清楚起见，作效率随加载功率变化情况的曲线图，图4所示为试验转速为600r/min时的曲线图，图中“○”和“△”分别表示粉末冶金斜齿轮和38CrMoAl斜齿轮的试验点，样条线为根据试验点所作的代表变化趋势的曲线。从图中可以看出在各负载下粉末冶金斜齿轮的传动效率均高于38CrMoAl斜齿轮。

图4600　r/min时的效率试验

4　结束语

（1）消防车取力器整体性能取决于齿轮传动性能，使用MSC/Patran建立了粉末冶金斜齿轮三维有限元模型，并提交MSC/Nastran计算了固有模态和振型，计算出了可能发生共振的频率振型，为优化设计提供了参考。

（2）传动效率试验证明了粉末冶金斜齿轮是一种性能优良的齿轮。在相同的工况下，粉末冶金温压斜齿轮的传动效率比相应的合金斜齿轮要高1-4%传动效率最高可超过99%，传动更平稳，使用寿命更长，提升了取力器的综合性能，因而具有广阔的应用前景。

参考文献：

［1］H.Vinayak，R.Singh.Multi_body dynamics and modal analysis of compliant gear bodies.Journal of Sound and Vibration，1998，210（2），171-214

［2］Sarafinchan D，Jones P，Buckley-Golder K，David H.Powder metal bearings and gears with steel-like performance［J］.SAE Trans.，2001，110（5）:296～302

［3］李元元，肖志瑜，潘国如，等.温压技术的应用、发展及其在我国的工业化前景.粉末冶金技术，

［4］屈盛官.大功率发动机高性能粉末冶金油泵齿轮研究［J］.中国机械工程.2005，（10）.

［5］Skoglund P，Dizdar S.High density gears by new forming technology［J］.SAE Trans.，2002，111（5）:166-172.

Research on Powder Metallurgy Gear Lifting Fire Tanker Performance

WANG Li-qun
（Guangdong Industry Technical College，Guangzhou Guangdong 510300，China）

Abstract：Gear device driving fire pump，fire ladder，rescue truck crane and other fire fighting，fire tanker power take off is now widely used in various types of fire vehicle；Powder metallurgy helical gear has low manufacturing cost，excellent mechanical properties，good wear resistance，high temperature and corrosion resistance.In this article the powder metallurgy helical gear is applied on power take off and the finite element method is used on analysis of the characteristic of the transmission gear.The transmission efficiency experiment has been done to prove that powder metallurgy gear transmission has high efficiency，long service life，low manufacturing cost and can enhance the power transmission capability.

Key words：fire tanker；power take-off；metallurgy gear；finite element；transmission efficiency

中图分类号：S776.29+3

文献标识码：A

文章编号：1672-545X（2016）03-0252-03

收稿日期：2015-12-13

基金项目：广东轻工职业技术学院科研启动基金2014资助项目（KJ201404）

作者简介：汪利群（1978-），女，硕士，讲师，主要从事计算机辅助设计、制造及工程分析方面的研究。