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基于圖解法的壓力機(jī)變位齒輪齒根過渡圓弧分析

2016-9-2 來源：江蘇省徐州鍛壓機(jī)床廠集團(tuán)有限公司作者：田理中，榮璐，李廣娟

摘要：為了分析壓力機(jī)齒輪加工中齒根圓弧過渡曲線形狀對(duì)齒輪嚙合的影響，通過圖解法得出齒輪齒形，模擬該齒形傳動(dòng)時(shí)的嚙合狀態(tài)并檢查干涉。提出齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)的注意事項(xiàng)和解決方法。

關(guān)鍵詞：壓力機(jī)；齒輪加工；齒根圓弧；圖解法

齒輪是機(jī)械壓力機(jī)里最重要的零件之一，起著傳遞動(dòng)力、降低轉(zhuǎn)速、增大扭矩的作用。壓力機(jī)工作時(shí)，齒面嚙合處受到強(qiáng)力沖擊，在達(dá)到公稱力時(shí)所受沖擊力最大。輪齒的彎曲強(qiáng)度是衡量齒輪性能的一個(gè)重要參數(shù)，齒輪是否發(fā)生彎曲變形和輪齒折斷等失效很大程度上與齒輪的彎曲強(qiáng)度有關(guān)。從輪齒的受力情況來看，輪齒齒根為傳動(dòng)中應(yīng)力最集中的位置，GB／rI’3480中也規(guī)定了以齒根部位左右兩過渡曲線與300切線相切點(diǎn)的截面作為危險(xiǎn)截面進(jìn)行計(jì)算。準(zhǔn)確分析齒根過渡曲線輪廓可以更好地核算齒輪強(qiáng)度，檢查齒輪嚙合運(yùn)轉(zhuǎn)中的干涉，優(yōu)化齒輪傳動(dòng)的嚙合性能。

1、開式單點(diǎn)壓力機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)存在的問題

由于傳動(dòng)結(jié)構(gòu)限制和工作空間需要，開式單點(diǎn)壓力機(jī)的體積非常有限。為實(shí)現(xiàn)滑塊設(shè)計(jì)的沖裁次數(shù)，壓力機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)就必須保持一定的傳動(dòng)比。開式單點(diǎn)壓力機(jī)大多數(shù)為兩級(jí)傳動(dòng)，第一級(jí)為帶傳動(dòng)，由電機(jī)傳至飛輪。壓力機(jī)的一個(gè)工作周期里大部分的時(shí)間為空轉(zhuǎn)，為了降低電機(jī)功率在系統(tǒng)中設(shè)置了飛輪。電機(jī)帶動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn)，飛輪旋轉(zhuǎn)時(shí)儲(chǔ)存能量，沖裁時(shí)釋放一部分能量，空轉(zhuǎn)時(shí)補(bǔ)充能量。所以飛輪必須保證一定轉(zhuǎn)速，還要考慮結(jié)構(gòu)尺寸分配給飛輪一部分傳動(dòng)比。其余的傳動(dòng)比分配給齒輪傳動(dòng)，采用單級(jí)傳動(dòng)此級(jí)齒輪的傳動(dòng)比就相對(duì)較大。為了保證彎曲強(qiáng)度，齒輪的模數(shù)不能太小。在保證外形尺寸的前提下，大齒輪齒數(shù)不會(huì)太多，為了保證傳動(dòng)比就導(dǎo)致小齒輪齒數(shù)變少，齒數(shù)少于一定數(shù)值時(shí)便會(huì)產(chǎn)生根切。為避免加工時(shí)出現(xiàn)根切現(xiàn)象，設(shè)計(jì)時(shí)就需采用大變位系數(shù)。采用大變位時(shí)會(huì)產(chǎn)生一些問題，加工中最顯而易見的就是齒頂厚度減薄。在漸開線齒廓以下，聯(lián)接漸開線和齒根圓的過渡曲線在整個(gè)齒形中所占的比例也會(huì)增加。這一段曲線的正確計(jì)算分解對(duì)提高壓力機(jī)傳動(dòng)性能，降低噪聲和振動(dòng)都有重要的參考意義。

2、圖解法分析壓力機(jī)齒輪的齒根過渡曲線

我公司開式單點(diǎn)壓力機(jī)的齒輪大部分是由滾齒機(jī)加工而來的，滾齒機(jī)的滾刀屬于齒條刀具，加工方法屬于展成法。滾齒機(jī)加工出齒輪的齒廓三段曲線由滾刀刀刃的各部分切出，漸開線起始圓以上為滾刀直刃所包絡(luò)形成，齒根處為滾刀刀頂橫刃形成的圓弧，連接這兩段直線的部分為齒根過渡曲線。齒根過渡曲線由刀頂圓弧角展成的過程中切出，當(dāng)齒輪變位量為正時(shí)，這段曲線為延伸漸開線的等距曲線。

以我公司1600kN開式單點(diǎn)壓力機(jī)齒輪軸為例，小齒輪齒數(shù)13，模數(shù)12，為避免根切，使用大變位量0．5。繪制齒根過渡曲線計(jì)算圖解如圖1所示。

圖l齒根過度曲線計(jì)算圖解

由圖可知，當(dāng)變位量為正時(shí)，滾刀基準(zhǔn)線在齒輪分度圓之上，延伸漸開線為滾刀刀頂圓弧的圓心的運(yùn)動(dòng)軌跡。齒根過渡曲線為延伸漸開線以刀尖圓弧為半徑的等距線。刀頂圓弧的圓心到滾刀齒槽的純滾點(diǎn)的長(zhǎng)度和位置由變位系數(shù)決定，當(dāng)變位系數(shù)確定時(shí)此段線段也就確定下來了。此段線段相對(duì)位置和線段長(zhǎng)度保持不變，這樣可以當(dāng)成剛體連接。從分度圓和延伸漸開線上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)連線上取等距點(diǎn)，這個(gè)過程為此圖解法的畫法關(guān)鍵，也是嚙合的基本原理，即為共軛齒廓接觸點(diǎn)的法線應(yīng)當(dāng)通過嚙合節(jié)點(diǎn)。

3、過渡曲線干涉及解決

隨著對(duì)壓力機(jī)傳動(dòng)精度要求的不斷提高，硬齒面齒輪成為壓力機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。硬齒面的最終工序以磨齒為主，磨齒加工可有效提高齒輪加工精度、齒面粗糙度，對(duì)提高齒輪的接觸彎曲強(qiáng)度和傳動(dòng)精度有重要影響，其中成形磨齒機(jī)應(yīng)用最為廣泛。成形磨齒法的原理是由金剛石輪按照齒槽形狀修磨砂輪至尺寸一致，再由砂輪磨出漸開線齒形。當(dāng)齒數(shù)較少或變位量較大時(shí)，漸開線起始點(diǎn)在齒根圓之上。成形磨齒機(jī)對(duì)模擬滾刀形成的齒根齒形沒有通用的解決方法，當(dāng)前對(duì)齒根過渡曲線最常用的處理方法為從漸開線起始點(diǎn)做向心線，再用圓弧與齒根圓連接。少數(shù)情況下這種齒形在齒輪嚙合的過程中會(huì)出現(xiàn)配對(duì)齒輪與直線段產(chǎn)生干涉，如圖2所示。這種干涉會(huì)導(dǎo)致嚙合過程中傳動(dòng)比不恒定，甚至引起嚙合噪聲、振動(dòng)。為了避免此類問題的發(fā)生，在齒輪設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行過渡曲線干涉計(jì)算，校核齒輪工作齒廓的邊界點(diǎn)和齒廓上漸開線起始點(diǎn)的位置，若前者的位置超過后者則需采用修緣處理或者重新選擇齒輪參數(shù)：

圖2齒根過度曲線十涉

4、結(jié)論

不同型號(hào)的壓力機(jī)使用的傳動(dòng)系統(tǒng)各不相同，模數(shù)、齒數(shù)、變位等齒部參數(shù)的變化都會(huì)影響齒廓形狀，使用不同的加工方法得到的齒廓也不一樣。很多企業(yè)已經(jīng)開始使用三維軟件模型和有限元分析技術(shù)計(jì)算齒輪的強(qiáng)度和應(yīng)力分布，使用運(yùn)動(dòng)仿真來檢驗(yàn)齒輪嚙合的干涉。根據(jù)具體參數(shù)和加工方法精確地計(jì)算模擬出齒形，對(duì)壓力機(jī)設(shè)計(jì)過程中傳動(dòng)系統(tǒng)的強(qiáng)度、可靠性計(jì)算，壓力機(jī)生產(chǎn)使用中出現(xiàn)問題的解決和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)都有重要的參考意義。

參考文獻(xiàn)：

【1】陳大先．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)【M】．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008．

【2】何曉華，陳兵奎．齒條形刀具對(duì)齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度的影響分析【J】．機(jī)械傳動(dòng)，20ll，35(7)：58—61．

【3】國(guó)太勇，梁迎春，黎文勇澌開線齒輪齒根過渡曲線形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)m．機(jī)械傳動(dòng)，1996，20(1)：21—22．

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