齿轮模数对传动性能的影响及选择

2016-07-24孟永红张利军李卫军王雅娟洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司

四川水泥 2016年6期

关键词：传动装置齿数模数

孟永红张利军李卫军王雅娟(洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司)

齿轮模数对传动性能的影响及选择

孟永红张利军李卫军王雅娟
(洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司)

模数作为齿轮的关键参数，对齿轮的承载能力和传动性能具有重要的作用。通过理论分析并结合工作经验，围绕模数对齿轮的影响展开研究，给出了不同应用场合齿轮设计的模数选择方法及注意事项，指导设计生产。

1 模数对承载能力的影响

模数是齿轮的一个最基本参数，对于齿数一定的齿轮，模数越大其径向尺寸也越大。为便于制造、检验和互换，齿轮模数值已实现标准化（详见GB/T1357-1987）。对于模数的选择，可根据齿轮副齿数及中心距计算，也可根据经验确定，如软齿面取(0.007～0.02)*a，硬齿面取(0.016～0.0315)*a，最后圆整至标准值。然而不同应用场合，模数的选择规则是不一样的，上述方法无法保证传动系统获得较好的传动性能。

为研究齿轮模数对承载能力的影响，对固定中心距下，不同模数的齿轮副的承载能力展开分析。表1为中心距为220mm，公称速比为4的6组渐开线直齿轮副的基本参数，采用GB/T3480对其弯曲疲劳强度安全系数SF、接触疲劳强度安全系数CF及重合度CR进行计算。结果如图1所示，在固定中心距下，随着模数的增大，齿轮副的弯曲疲劳强度增加较为明显，而齿轮副的接触疲劳强度由于与齿轮副的齿廓曲率密切相关，变化较为平缓，并有下滑趋势。故大模数齿轮具有较强的抗弯曲抗冲击能力，适用于冲击载荷较大的场合。

表1 齿轮副基本参数

图1 不同模数齿轮副弯曲及接触变化曲线

2 模数对传动特性的影响

齿轮传动系统中，影响传动特性的因素很多，主要包括内部激励和外部激励，内部激励主要包括时变啮合刚度激励、传递误差激励和啮合冲击激励等，其中齿轮的刚度激励是影响齿轮动态载荷的关键因素之一，故模数作为影响齿轮啮合刚度的关键参数，其选择的合理性对齿轮副的传动特性具有重要的影响。

图2为表1中三组齿轮副在相同载荷作用下的扭转刚度曲线，由图可知，随着模数的增大，齿轮副的时变扭转刚度在一个啮合周期内的波动区域逐渐变大，进而导致齿轮副在运行过程中会产生较大的刚度激励；相对于大模数齿轮副，小模数齿轮的时变刚度波动区域较小，且啮合刚度相对较大。根据系统动力学理论可建立齿轮副的动力学模型，通过分析可知，合理选择齿轮模数，优化调整齿轮副啮合刚度，可显著减小齿轮副运行时的动态载荷，改善传动特性，提高运行的可靠性。

3 模数的选择及应用

在齿轮设计过程中，选择大模数少齿数还是小模数多齿数，需考虑以下几个方面：

1)工况

图2 不同模数齿轮副扭转刚度

对于矿山、冶金、建材等领域，如破碎机、辊压机、轧机、回转窑等齿轮传动装置，工况较为恶劣，齿轮副承受较大的冲击载荷，由于齿距偏差、齿形偏差等因素的影响，小模数齿轮的实际工作重合度无法保证，在较大冲击载荷的作用下易导致断齿、点蚀等失效，而大模数齿轮的单齿抗弯强度较高，故能够满足承载要求。对于轻工机械用齿轮传动装置，如纺织、化工等领域，齿轮副工况较为平稳且体积相对较小，精度容易保证，宜选用小模数多齿数齿轮。

2)平稳性

衡量齿轮运行平稳性的主要指标是振动和噪声，对于矿山等低速重载领域，由于现场主机振动噪声较大，齿轮传动装置自身的振动噪声对环境的影响可以忽略不计，同时为提高齿轮传动装置的可靠性，一般选用大模数齿轮。对于船舶、透平机、车辆等齿轮传动装置，对其振动和噪声提出较高的要求，且齿轮体积相对较小，轮齿精度容易保证，常选用小模数多齿数齿轮。

3)加工能力

齿轮的精加工方式很多，主要有磨齿、滚齿、剃齿、梳齿、珩齿等，不同的加工形式，生产的轮齿精度也各不相同。小模数齿轮要求有较高的齿形精度和较小的齿距偏差，大模数齿轮为保证运行的连续性，对齿距偏差要求比较高，故在选择齿轮模数时，也应适当考虑生产厂家的加工能力和水平。