提升齿轮传动寿命的强度匹配方法

杨灿辉

（重庆机床（集团）有限责任公司，重庆401336）

提升齿轮传动寿命的强度匹配方法

杨灿辉

（重庆机床（集团）有限责任公司，重庆401336）

齿轮驱动的设计经常与传动元件寿命缩短的现象。而通过传动元件的强度匹配可以有效的解决这个问题，从而提高齿轮的传动寿命。从齿轮啮合机理的角度出发，经过对标准的设计参数的更改，使得蜗杆设计不仅可以满足传动比和强度的要求，而且反映了紧凑的结构，同时实现了传动部分的啮合强度匹配。本文首先简要阐述了齿轮动态特性，再此基础上研究了两种齿轮参数的修正方法，即改变模量和同时改变压力角和单一齿轮改变齿厚的两种方法。

齿轮；传输寿命；力量匹配；方法

随着工具设计和制造水平的提高和程序化软件的应用和普及，传统的标准设计理念逐渐被淘汰。在机械传动中，齿轮初期啮合由于硬度不同会产生磨损现象，长时间的磨损现象会导致动能失效。因此，驱动器再设计时要着重考虑齿轮啮合的传动比、强度、啮合结构等要求，这样就可以使变速箱动能传递实现最大化。

国内外有很多关于齿轮强度的设计，实验和分析法是较为传统的齿轮强度设计方法。近些年，有限元法深入剖析了各种对齿轮强度磨损的影响。例如，在盒子尺寸限定的情况下，通过压力角和模量的改变就可以调整变位系数，以达到提高传递强度的目的。本文介绍了经过驱动元件的耐久度来提高齿轮传动寿命方法：首先是通过改变模数来提高蜗轮的耐久性；其次是采用增大塑料齿轮齿厚而减薄蜗杆的齿厚来保证啮合强度的匹配性，以保证是塑料齿轮与金属蜗杆的有效啮合传动。

1 齿轮的动态特性

齿轮的动态特性有齿轮的固定性、动态性、动态参数等三大特性。

（1）固有特性

齿轮的固定性指的是驱动系统的固有的传动频率和模式，齿轮的固定特性是齿轮系统的动态特性重要的组成部分之一。其主要特点对齿轮系统的固定传动频率与模式通过参数方法进行研究的一种方式。通过有限元法计算齿轮和箱体结构的固有频率和模式。运用对齿轮系统的灵敏度、动态优化设计来研究齿轮系统的结构、几何、传动规律、模式等参数，并对其进行相应的改进，提高传动系统的固有特性。

（2）动态响应

齿轮系统在动态作用下的动态响应是齿轮系统动力学研究的主要部分，包括齿轮的在传动过程中的啮合以及零部件的动态响应等。研究齿的动态啮合力主要是了解齿轮动态产生的机理、尺寸、性质等。齿轮的驱动系统是一个参数激励的传动系统，与其它机械振动系统不同的是齿轮驱动系统具有动态稳定性问题。通过对齿轮传动系统的动态稳定性问题进行分析，找出其影响稳定性的关键原因所在，为齿轮传动系统的相关设计提供参考。

（3）动态系统参数

齿轮动态系统参数主要是进行对齿轮在传动过程中各种动态性能的研究，是研究齿轮系统动性能对齿轮传动的影响。通过对行星齿轮传动系统动力学灵敏度分析，定量各种齿轮系统灵敏度参数以对齿轮在系统在传动过程中的动态进行优化设计。

2 可变模量和可变压力角设计

当传动箱内齿轮在传动过程中啮合时，进入啮合区域内的各个齿轮要满足其啮合条件。齿轮的交替啮合是最为正确的结合方式，必须使啮合线上的两个相近齿轮在啮合线基圆距离相等，两个齿廓啮合线与齿距相等，即：

上式中，Pb1与Pb2代表齿轮的基圆齿距。

将Pb1＝πmicosai带入式一可得：

由于齿轮强度在设计中，模数和压力角参数都是标准值，所以公式二要满足m1=m2、a1＝a2.由于齿轮强度在设计中，模数和压力角参数都是标准值，所以公式二要满足。因此，通常的接合条件是：主驱动轮模量和压力角相等。但从式二中可以看出，只要两对齿轮基线一致就可以正常啮合。而对于蜗轮传动来讲，其主要材料是铜合金，而钢是蜗杆的主要材料，因此要进行淬火。在使用过程中由于蜗杆硬度较高，早期会对涡轮产生磨损。如果综将蜗杆、涡轮的强度系数综合考虑，早期的磨损问题便可以得到解决。即通过式二可知，这样不仅增加了蜗杆压力角和模数使得蜗轮强度增加，而且在降低蜗杆强度同时减少了蜗杆与涡轮的初期磨损。

根据式一、式二，齿轮强度设计过程中同时增加模量与压力角来进一步提高强度系数。

3 变齿厚设计

3.1 塑料齿轮非标准化设计

标准化的齿轮模量和压力角制造在我国工业领域已经实现。而且，在两个齿轮啮合条件相匹配的情况下，满足等式方程就能实现齿轮的正确啮合。由于塑料齿轮由模具成型，没有机加工的难易问题，可以设计成非标准的塑料齿轮，这种设计好处在于：cosa函数在（0，π/2）区间内，余弦函数是递减函数，即a越大cosa越小。假设m1和a1取非标准值，如m1=1，a1=20°此时，可以设计出非标配套的齿轮，而且其值比原先的参数较大，齿轮强度的提升对于齿轮副来讲作用也非常明显。鉴于此，塑料齿轮的强度设计范围可以更加广阔，其实用性以及使用价值都得到提升。

4 结语

在传动箱结构相似、中心距离相等的情况下，增加了铜蜗杆模数与压力角可增强齿轮强度，显著提升蜗杆臂的啮合强度。其次，铜涡轮齿厚增大，减薄蜗杆齿厚，这大大的提升了塑料齿轮和金属蜗杆的使用年限，且陈本较低，适合批量生产。采用本文介绍的方法，开发的蜗轮在越野车以及踏板自动起落架减速机上得到应用，使用效果良好。

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Enhance the Strength of the Gear Transmission Life Matching Method

YANG Can-hui
（Chongqing Machine Tool（group）Co.，Ltd.，Chongqing 401336，China）

The design of the gear drive and transmission components often shorten the life of the phenomenon.And by the strength of the drive element matching can effectively solve the problem，to raise life of gear transmission.From the perspective of gear meshing mechanism，after the change of design parameters of the standard，makes the worm design can not only meet the requirements of transmission ratio and intensity，and reflects the structure of compact，part of the meshing transmission strength match at the same time.At first，this paper briefly expounds the gear dynamic characteristics，and then based on this research the two kinds of the correction method of gear parameters，namely the change of modulus and at the same time changed pressure Angle and the single gear tooth thickness of the two methods.

gear；transmission of life；power matching；methods

TG457.25

A

1672-545X（2017）08-0277-02

2017-05-06

杨灿辉（1979-），男，湖南涟源人，工程硕士，高级工程师，研究方向：齿轮机床设计。