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關鍵詞:多齒嚙合 載荷分布 瞬時嚙合剛度 有限元法
國內外已有較多學者對多齒對嚙合載荷齒間載荷分配進行過研究[1,2],文獻[1]在不考慮接觸參數對計算結果的影響分析得出當有雙對齒參與嚙合時,齒對1、2分別占總載荷的45%和55%;當有三對齒參與嚙合時,齒對1、2、3的齒面載荷分別占總載荷的21%、62%和17%,文獻[2]提出摩擦系數對嚙合過程載荷分配影響不大的結論,但對于影響接觸分析結果的其他參數未進行分析。
針對上述未能對多齒對嚙合齒間載荷精確分配具體分析等問題,本文將多對齒嚙合齒間載荷分配轉換為對齒輪輪齒剛度的計算的模型,利用有限元法對節點載荷與法向變形位移進行分析,計算齒輪嚙合剛度,根據剛度分配齒間載荷。不但能得到多齒嚙合載荷齒間分配,也為齒輪的強度計算及齒輪修形提供理論依據。
1、建立齒間載荷分配分析模型
1.1 瞬時嚙合剛度的概念
受載齒輪副在嚙合過程中從動齒輪相對主動齒輪有一回轉滯后量,反映到嚙合線上即是齒輪副的嚙合變形,在任意嚙合位置的瞬時嚙合剛度[2]為:
(1)
式中:——單位齒寬端面法向載荷();
——主動齒輪的傳遞扭矩();
——主動齒輪基圓半徑();
——齒寬()。
求解任意嚙合位置的瞬時嚙合剛度的實質是求解該位置的嚙合變形,本文采用三維有限元法來求解。
1.2 節點載荷、柔度系數與法向變形方程的建立
將同時嚙合的幾條接觸線離散為有限單元,各單元承擔的線載荷轉化為集中載荷作用在單元的節點上,利用有限元法求出各節點的柔度,結合變形協調條件和力平衡條件[3]建立起以節點力和嚙合變形為未知量的線性方程組。
(2)
引入柔度系數,寫成方程組的形式:
(3)
式中:——節點i的作用載荷()
——節點j處作用單位力引起的主、被動輪齒在i點的法向變形之和;
——齒輪基圓螺旋角。
1.3 建立齒間載荷分配模型
假設每一對輪齒分別承擔的載荷為,,…,總載荷為。
根據式(3)要求,分別計算出在對應載荷情況下,主、被動輪齒各節點的法向變形,計算各節點的瞬時剛度,再計算出主、被動輪齒在該載荷情況下各自的瞬時剛度和。
對于彈性體而言,其變形及剛度時可以當作是彈簧來處理,計算出串聯后兩彈簧的總剛度:
(4)
多對輪齒嚙合時,相當于多個彈簧并聯,則多對輪齒嚙合時的總剛度:
(5)
由齒輪瞬時嚙合剛度概念,根據公式(1)計算出在總載荷下的總位移:
(6)
由變形協調條件知齒輪嚙合時同時嚙合的幾條接觸線上的節點具有相同的嚙合變形,對應齒嚙合時承受的載荷為:
(7)
2、嚙合線處節點法向位移的計算
由節1,節點嚙合剛度與載荷和變形無關,在計算沿接觸線節點的法向位移時,設定作用在每一點載荷為均布載荷。
2.1 有限元計算模型的建立
斜齒輪傳動同時參與嚙合的齒輪對可以通過計算齒輪傳動的重合度。本文選擇計算的齒輪基本參數為:如下表:法向模數mn(mm)為5.5,法面分度圓壓力角為200,螺旋角為25.20,大齒輪齒數為102,小齒輪齒數為27,大齒輪齒寬122mm,小齒輪齒寬為125mm;斜齒輪配合參數:實際中心距397mm,總重合度為3.44,端面重合度為1.4344,基節為17.717mm。這里選取一對齒輪剛進入全齒嚙合狀態。
2.1.1 齒輪約束的確定
在約束齒輪時,將距離加載處4倍模數以外的節點去掉,并將距離加載處4倍模數的所有節點六個自由度全部固定。
2.1.2 載荷的施加
主動輪輸入轉矩為934,計算出。令全齒嚙合時的載荷為,另一對齒為非全齒嚙合,載荷為,則用于有限元計算的總載荷為。每對輪齒嚙合處節點的載荷為均布載荷。
2.2 節點法向位移的計算及結果處理
有限元計算中,邊界上的節點會出現計算邊界效應,在計算節點法向位移時,必須去除邊界處的節點。可對剩下的節點線形擬合,以計算出法向位移總和。
以第一對齒嚙合大齒輪計算為例:有限元計算后取沿接觸線上節點的位移。以齒輪端面圓柱中心為坐標中心,齒寬方向為橫坐標,節點法向位移變化量為縱坐標,建立坐標系,去除邊界處的節點,直線擬合(圖1)。
同理計算出小齒輪在同樣載荷情況下節點的法向位移。擬合直線合并到一張圖上,如(圖2)。
擬合后的直線方程為:
大斜齒輪:
小斜齒輪:
3、輪齒剛度分析及齒間載荷分布
3.1 輪齒剛度的計算
2.2節中詳細計算了沿接觸線節點的法向位移,由式(1)可計算出沿接觸線上每一節點的剛度。
第一對全齒嚙合:大斜齒輪并聯總剛度:
小斜齒輪軸并聯總剛度:
同理可以計算出其它齒輪的大小齒輪并聯后的總剛度。
第二對全齒嚙合:
第三對非全齒嚙合:
3.2 齒間載荷的分配
3.1節分別計算出各輪齒的剛度,由式(4)計算出嚙合齒輪對的等效總剛度。
第一對全齒嚙合等效總剛度:
第二對全齒嚙合等效總剛度:
第三對非全齒嚙合等效總剛度:
齒輪的總剛度為:
由式(6)計算出在載荷作用下齒輪總位移:
由式(7)可以計算出嚙合齒輪對所承受的載荷:
第一對全齒嚙合承受載荷:
第二對全齒嚙合承受載荷:
第三對非全齒嚙合承受載荷:
3.3 齒間載荷的分配結果的分析
3.2節中計算出每對輪齒嚙合時承受的載荷,同時也可計算出每對齒承受的載荷占總載荷的百分比分別為37.673%、39.883%、20.135%,利用接觸分析方法計算出的三對齒嚙合時1、2、3的齒面載荷進行比較。兩種分析方法分析的結果表明:當有三對齒參與嚙合時,第二對全齒嚙合的輪齒承受的載荷是最大的,其次為第一對全齒嚙合的輪齒,承受的載荷最少的是第三對非全齒嚙合的輪齒;本文計算結果表明,第二對輪齒承受的載荷雖然最大,占總載荷的39.883%,但第一對全齒嚙合的輪齒承受的載荷載總載荷中也占有很大的比重,為總載荷的37.673%。這與本文提出的按齒輪嚙合剛度分配載荷的計算方法計算出的結果是一致的。
4、結語
本文提出一種新的計算多齒對嚙合載荷齒間分配的方法。通過對接觸線處節點法向位移的分析,具體分析計算出多對齒嚙合齒間載荷的分配,為輪齒強度分析和齒輪修形創造條件。
參考文獻
消“斑”行動之一
――八寶甜蜜粥
原料:香梗米200克,大紅棗10顆,赤豆20克,蓮子20克,生山藥30克,白扁豆15克,薏苡仁10克,芡實10克。
做法:取一只干凈砂鍋,除去梗米暫時備用,將其余原料倒入。加水至砂鍋三分之二處,大火煮沸后改小火煎煮45分鐘,再加梗米同煮至粥熟飄香,依個人口味放冰糖適量,即成。
說明:八寶粥補中益氣,健脾除濕,記住早晚各服一碗,長期食用。
消“斑”行動之二
――牛奶核桃糊
原料:琥珀桃仁300克,牛奶200克,豆漿200克,黑芝麻200克。
做法:將核桃仁、黑芝麻倒入食品攪拌機磨碎,然后將牛奶與豆漿混合,慢慢倒入攪拌機,邊倒邊磨。大功告成,將已濃稠的核桃糊倒進鍋里煮沸,加白糖,如想豐富口味還可以在煮沸時打入生雞蛋邊攪邊煮,成蛋奶核桃糊。
說明:核桃糊養顏美白、滋陰潤燥,每日兩次,早晚食用。
消“斑”行動之三
――地黃香酥鴨
原料:光鴨一只600克左右,生山藥200克,生地黃100克,寧夏枸杞40克,另取蔥、姜、鹽、味精、黃酒、白胡椒粉、高湯等備用。
做法:光鴨去內臟后拆去全身骨頭,用鹽、胡椒粉、黃酒把鴨身內外反復均勻抹透,再加蔥、姜腌上一個小時。取一個大海碗,把生地黃切片用紗布包好墊在碗底,山藥去皮切片連枸杞平鋪在紗布上層,把腌好的鴨肉細細切小塊后加高湯一起上火蒸大概2個小時,肉酥鴨香。
說明:鴨肉蛋白質含量高,含不飽和脂肪酸和微量元素豐富,不僅滋陰養顏,平補填精,而且最關鍵的,它吃多一點也不會胖哦!
消“斑”行動之四
――玉露美膚飲
原料:新鮮雪梨200克,葡萄300克,甘蔗250克,天然蜂蜜100克。
關鍵詞:直齒圓柱齒輪;斜齒輪;測繪方法;萬能工具顯微鏡;研究
萬能工具顯微鏡同其他的測量儀器不同,他是一種光學機械式兩坐標測量儀器,通常用來精密機械零件的長度、角度和螺紋等,在測量的過程中主要采用影響法和軸切法。其長度測量讀數可精確到微米,角度測量讀數可精確到分。齒輪在生產的過程中需要保障其加工精度,采用萬能工具顯微鏡能夠保障齒輪各個尺寸的精度,進而生產出合格的齒輪產品。
1 萬能工具顯微鏡概況
由于萬能工具顯微鏡帶有輪廓目鏡、圓弧目鏡頭等多種可更換目鏡頭;具備測量刀、頂針架等多種附件;又能在儀器縱橫向甚至鉛重方向三個坐標方向進行長度測量,是長度尺寸測量的常用儀器之一。在使用這種儀器測量的過程中需要注意目鏡和物鏡的調焦順序及被測件表面的毛刺和磕痕對測量結果的影響。在齒輪的加工中,齒輪的表面經常會產生一些細小的毛刺,需要事先將齒輪表面的毛刺去掉,然后再利用萬能工具顯微鏡進行測量,這樣才能夠保障生產出合格的齒輪。
2 直齒圓柱齒輪的測繪方法
雖然直齒圓柱齒輪的參數和尺寸比較多,但是每種齒輪都有齒輪的標準制度。一般將齒輪的模數作為其他參數和尺寸的計算依據,所以在測繪的過程中需要準確的判定齒輪模數的大小。與此同時,齒輪的壓力角也是判定齒輪齒形的基本參數,也需要準確的測量出壓力角的大小。在我國齒輪的生產主要采用的是模數制,在實際測繪的過程中主要有以下幾種方法。
2.1 測量全齒高(h)法
采用這種方法進行測繪的過程中,齒全高(h)可以用萬能工具顯微鏡來測量。在具體測量的過程中,如果可以通過齒輪帶孔的測量間接的求出齒全高(h),只需要測量內孔壁到齒頂和齒根的距離,內孔到齒頂與內孔到齒根的距離之差即為齒全高(h)。在得到齒輪的齒全高(h)后,利用相關的公式可以計算出直齒圓柱齒輪的模數和徑節。以下是計算齒輪的模數和徑節時所用到的公式。
2.2 測量齒頂圓直徑(D)法
在采用這種方法時需要首先算出齒輪的齒數z,齒輪齒頂圓直徑(D)采用萬能工具顯微鏡測量。這樣利用公式:m=D/ Z+2就能夠得出齒輪的模數。但是需要注意的是,在齒輪的齒數為偶數是才能夠直接測量。當直齒圓柱齒輪的齒數是基數時,測量出來的尺寸并不是齒輪齒頂圓直徑(D),這個尺寸只是齒頂到齒槽兩齒面與齒頂圓交點的距離d。如果要得出準確的齒頂圓直徑(D),就需要用上述測得的距離(d)乘以一個校正系數k(校正系數可以通過表(1)查得)。這樣齒頂圓直徑(D)就為:D=k*d。
2.3 測量中心距(A)法
在采用上述方法進行測繪時,需要按照萬能工具顯微鏡的操作方法進行操作,同時還需要主要萬能工具顯微鏡使用的注意事項,這樣才能夠確保測量數據的準確性。
3 斜齒輪的測繪方法
在斜齒輪測繪的過程中,斜齒輪齒向誤差的測量是很重要的。為了能夠確保齒輪的精度和產品生產的需要,需要利用萬能工具顯微鏡對斜齒輪齒向誤差進行測量,進而保障齒輪精度。具體的測量分為以下幾個方面。
3.1 計算出導程(λ)
3.2 計算儀器縱向移動距離(L)
在計算儀器縱向移動距離時需要先求出1°的導程,然后再根據被測齒輪的輪寬B來計算出儀器的縱向移動距離L。為了消除測量的誤差,所轉的度數應當取整數。在測量之前需要做一個專用的卡箍,這樣能夠提高測量的精度和消除分度頭的回程誤差。專用卡箍的孔隨心軸直徑一般為30mm,測量時需要先將卡箍套在心軸上,然后再將裝在心軸上的齒輪置于分度頭與頂尖之間,最后緊固好頂絲1、2、3,這樣可以使卡箍緊緊貼在分度頭的撥桿上,進而消除分度頭的回程誤差。
3.3 求出分度頭的轉角(α)
4 結束語
對直齒圓柱齒輪和斜齒輪測繪方法研究能夠提高齒輪加工的精度和質量,通過對測繪方法的研究還能夠解決實際生產中的相關問題,進而提高產品的質量和企業的經濟效益。
[參考文獻]
1、內齒輪是環形的,外圈光滑,內圈有齒。
2、外齒輪是原盤形的,外圈有齒,在機械上很常見的就是外齒輪,一般分度圓的周長為L等于M乘Z。
3、內齒輪和外齒輪的原理完全一致,內齒輪的齒槽相當于外齒輪的齒,內齒輪的頂切就相當于外齒輪的根切,在設計、計算內齒輪參數時,把齒槽就當做外齒輪的齒即可。
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