基于圖解法的壓力機變位齒輪齒根過渡圓弧分析
2016-9-2 來源：江蘇省徐州鍛壓機床廠集團有限公司 作者：田理中，榮璐，李廣娟
摘要：為了分析壓力機齒輪加工中齒根圓弧過渡曲線形狀對齒輪嚙合的影響，通過圖解法得出齒輪齒形，模擬該齒形傳動時的嚙合狀態并檢查干涉。提出齒輪傳動設計時的注意事項和解決方法。
關鍵詞：壓力機；齒輪加工；齒根圓弧；圖解法
齒輪是機械壓力機里最重要的零件之一，起著傳遞動力、降低轉速、增大扭矩的作用。壓力機工作時，齒面嚙合處受到強力沖擊，在達到公稱力時所受沖擊力最大。輪齒的彎曲強度是衡量齒輪性能的一個重要參數，齒輪是否發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度有關。從輪齒的受力情況來看，輪齒齒根為傳動中應力最集中的位置，GB／rI’3480中也規定了以齒根部位左右兩過渡曲線與300切線相切點的截面作為危險截面進行計算。準確分析齒根過渡曲線輪廓可以更好地核算齒輪強度，檢查齒輪嚙合運轉中的干涉，優化齒輪傳動的嚙合性能。
1、開式單點壓力機齒輪傳動系統存在的問題
由于傳動結構限制和工作空間需要，開式單點壓力機的體積非常有限。為實現滑塊設計的沖裁次數，壓力機傳動系統就必須保持一定的傳動比。開式單點壓力機大多數為兩級傳動，第一級為帶傳動，由電機傳至飛輪。壓力機的一個工作周期里大部分的時間為空轉，為了降低電機功率在系統中設置了飛輪。電機帶動飛輪旋轉，飛輪旋轉時儲存能量，沖裁時釋放一部分能量，空轉時補充能量。所以飛輪必須保證一定轉速，還要考慮結構尺寸分配給飛輪一部分傳動比。其余的傳動比分配給齒輪傳動，采用單級傳動此級齒輪的傳動比就相對較大。為了保證彎曲強度，齒輪的模數不能太小。在保證外形尺寸的前提下，大齒輪齒數不會太多，為了保證傳動比就導致小齒輪齒數變少，齒數少于一定數值時便會產生根切。為避免加工時出現根切現象，設計時就需采用大變位系數。采用大變位時會產生一些問題，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，聯接漸開線和齒根圓的過渡曲線在整個齒形中所占的比例也會增加。這一段曲線的正確計算分解對提高壓力機傳動性能，降低噪聲和振動都有重要的參考意義。
2、圖解法分析壓力機齒輪的齒根過渡曲線
我公司開式單點壓力機的齒輪大部分是由滾齒機加工而來的，滾齒機的滾刀屬于齒條刀具，加工方法屬于展成法。滾齒機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，當齒輪變位量為正時，這段曲線為延伸漸開線的等距曲線。
以我公司1600kN開式單點壓力機齒輪軸為例，小齒輪齒數13，模數12，為避免根切，使用大變位量0．5。繪制齒根過渡曲線計算圖解如圖1所示。
圖l齒根過度曲線計算圖解
由圖可知，當變位量為正時，滾刀基準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動軌跡。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的長度和位置由變位系數決定，當變位系數確定時此段線段也就確定下來了。此段線段相對位置和線段長度保持不變，這樣可以當成剛體連接。從分度圓和延伸漸開線上的對應點連線上取等距點，這個過程為此圖解法的畫法關鍵，也是嚙合的基本原理，即為共軛齒廓接觸點的法線應當通過嚙合節點。
3、過渡曲線干涉及解決
隨著對壓力機傳動精度要求的不斷提高，硬齒面齒輪成為壓力機傳動系統的發展趨勢。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，對提高齒輪的接觸彎曲強度和傳動精度有重要影響，其中成形磨齒機應用最為廣泛。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。當齒數較少或變位量較大時，漸開線起始點在齒根圓之上。成形磨齒機對模擬滾刀形成的齒根齒形沒有通用的解決方法，當前對齒根過渡曲線最常用的處理方法為從漸開線起始點做向心線，再用圓弧與齒根圓連接。少數情況下這種齒形在齒輪嚙合的過程中會出現配對齒輪與直線段產生干涉，如圖2所示。這種干涉會導致嚙合過程中傳動比不恒定，甚至引起嚙合噪聲、振動。為了避免此類問題的發生，在齒輪設計時應當進行過渡曲線干涉計算，校核齒輪工作齒廓的邊界點和齒廓上漸開線起始點的位置，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：
圖2齒根過度曲線十涉
4、結論
不同型號的壓力機使用的傳動系統各不相同，模數、齒數、變位等齒部參數的變化都會影響齒廓形狀，使用不同的加工方法得到的齒廓也不一樣。很多企業已經開始使用三維軟件模型和有限元分析技術計算齒輪的強度和應力分布，使用運動仿真來檢驗齒輪嚙合的干涉。根據具體參數和加工方法精確地計算模擬出齒形，對壓力機設計過程中傳動系統的強度、可靠性計算，壓力機生產使用中出現問題的解決和產品結構優化升級都有重要的參考意義。
參考文獻：
【1】陳大先．機械設計手冊【M】．北京：化學工業出版社，2008．
【2】何曉華，陳兵奎．齒條形刀具對齒輪彎曲疲勞強度的影響分析【J】．機械傳動，20ll，35(7)：58—61．
【3】國太勇，梁迎春，黎文勇澌開線齒輪齒根過渡曲線形狀優化設計m．機械傳動，1996，20(1)：21—22．
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