搜索一種有效提高齒輪彎曲強(qiáng)度和降低齒輪噪聲的方法
2017-07-05 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
隨著科技進(jìn)度,汽車工業(yè)的快速發(fā)展,特別是全球化環(huán)保意識的提高和對安全及舒適性的要求越來越高,人們對汽車變速器提出了越來越高的質(zhì)量要求。
漸開線圓柱齒輪齒根圓角以往在變速器廠不太重視。我們知道,切齒刀具的齒頂圓角半徑不同,所得到的齒根過渡曲線圓角也不相同。我國齒輪國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了基準(zhǔn)齒廓的齒根圓角半徑 ,除非產(chǎn)品圖紙對齒根圓角半徑有特別注明要求之外,通常都沒有嚴(yán)格檢驗(yàn)并控制這一參數(shù)。但是,實(shí)踐表明采用單圓孤齒根圓角可以極大地提高齒輪抗彎強(qiáng)度從而提高承載能力。采用齒頂為整圓弧的切齒刀具,加工單圓孤齒根圓角來提高齒輪強(qiáng)度已經(jīng)越來越受到了重視。
齒形、齒向修形,可以有效降低齒輪傳動噪聲,提高齒輪承載能力和安全系數(shù),延長齒輪工作壽命。我國現(xiàn)有的滾齒-剃齒生產(chǎn)加工方式不僅具有較高的加工效率和較低的加工成本,而且也可大幅度提高齒輪精度和表面粗糙度。剃齒能實(shí)現(xiàn)齒形、齒向修形,從而降低齒輪傳動噪聲,提高齒輪承載能力和安全系數(shù),延長齒輪工作壽命。在現(xiàn)代齒輪加工中,齒輪噪聲控制已成為一個重要的質(zhì)量控制環(huán)節(jié),齒輪噪聲控制水平不僅代表一個齒輪制造廠的質(zhì)量水平,而且直接受到有關(guān)環(huán)保法規(guī)的制約。
齒輪彎曲強(qiáng)度的影響因素及控制方法
載荷作用側(cè)的齒廓根部的最大拉應(yīng)力作為名義彎曲應(yīng)力,并經(jīng)相應(yīng)的系數(shù)修正后作為計(jì)算齒根應(yīng)力。主要與嚙合起始圓直徑、齒根過渡曲線及危險截面齒厚有關(guān)。
1)嚙合起始圓直徑
圖1 嚙合起始圓直徑
圖中:rg1、rg2—嚙合起始圓半徑,mm;rb1、rb2—基圓半徑,mm。
嚙合起始圓直徑推導(dǎo)比較簡單,這里不再復(fù)述。
2)危險截面齒厚SFn
齒形系數(shù)YF是考慮載荷作用于單對齒嚙合區(qū)外界點(diǎn)時齒形對名義彎曲應(yīng)力的影響(參見圖2),按圖2所示定義,外齒輪的齒形系數(shù)YF可由下式確定:
式中:mn— 齒輪法向模數(shù),mm;an— 法向分度圓壓力角;
aFen,hFe ,SFn的定義見圖 2。
式(1)適用于標(biāo)準(zhǔn)或變位的直齒輪和斜齒輪。對于斜齒輪,齒形系數(shù)按法截面確定,即按當(dāng)量齒數(shù)zn進(jìn)行計(jì)算。大、小輪的齒形系數(shù)應(yīng)分別確定。
圖 2 影響外齒輪齒形系數(shù) YF的各參數(shù)
3) 提高抗彎強(qiáng)度的有效途徑——采用單圓孤齒根圓角
采用齒條型刀具加工齒輪時,如果刀具齒廓的頂部只具有一個圓角(即整圓弧,見圖3-a),則切出的齒根過渡曲線如圖4-a所示。
采用齒條型刀具(如滾刀)加工齒輪時,如果刀具齒廓的頂部具有兩個圓角(見圖3-b)則切出的齒根過渡曲線如4-b所示。
a)
b)
圖3 齒條型刀具齒頂圓角
a)
b)
圖4 不同刀尖圓尖切出的的齒根過渡曲線
實(shí)踐表明采用齒頂為整圓弧的切齒刀具,加工出的單圓孤齒根圓角不僅加大危險截面的齒厚SFn厚度,并且大大降低了齒根應(yīng)力集中。實(shí)驗(yàn)證明齒輪的抗彎強(qiáng)度可以提高20%以上。
齒輪傳動噪聲的影響因素及控制方法
齒輪噪聲更準(zhǔn)確地應(yīng)稱為齒輪傳動噪聲,其聲源為齒輪嚙合傳動中的相互撞擊。齒輪傳動中的撞擊主要由齒輪嚙合剛性的周期性變化以及齒輪傳動誤差和安裝誤差引起。
1) 齒輪嚙合剛性的周期性變化對傳動噪聲的影響
嚙合剛性的變化是指齒輪傳動中因同時嚙合齒數(shù)不同而引起的嚙合輪齒承受載荷的變化,并由此引起輪齒變形量的變化。在直齒輪傳動中,嚙合線上的同時嚙合齒數(shù)在1~2對之間變化,而其傳動的扭矩近似恒定。因此,當(dāng)一對輪齒嚙合時,全部載荷均作用于該對輪齒,其變形量較大;當(dāng)兩對輪齒嚙合時,載荷由兩對輪齒共同承擔(dān),每對輪齒的負(fù)荷減半,此時輪齒變形量較小。這一結(jié)果使齒輪的實(shí)際嚙合點(diǎn)并非總是處于嚙合線的理論嚙合位置,由此產(chǎn)生的傳動誤差使輸出軸的運(yùn)動滯后于輸入軸的運(yùn)動。主、被動齒輪在嚙合線外進(jìn)入嚙合時,其速度的瞬時差異造成在被動齒輪齒頂處產(chǎn)生撞擊。在不同載荷下齒輪傳動產(chǎn)生的噪聲程度不同,其原因在于不同載荷下輪齒產(chǎn)生的變形量不同,造成的撞擊程度不同。斜齒輪的嚙合剛性取決于嚙合輪齒的接觸線總長度,故同時嚙合齒數(shù)的變化對嚙合剛性影響不大。
2) 齒輪傳動誤差和安裝誤差對傳動噪聲的影響
齒輪傳動裝置空載運(yùn)行時,傳動噪聲的影響因素主要為齒輪的加工誤差和安裝誤差,包括齒形誤差、齒距誤差、齒圈跳動、安裝后齒輪的軸線度、平行度及中心距誤差等。當(dāng)然,這些誤差對傳動裝置在負(fù)載下運(yùn)行的傳動噪聲也有影響。
a. 齒形誤差會引起與嚙合頻率相同的傳動誤差及噪聲,是引起嚙合頻率上噪聲分量的主要原因。中凹齒形是不能接受的,加工中應(yīng)盡量避免。
b. 齒距誤差為隨機(jī)誤差,產(chǎn)生的噪聲頻率與嚙合頻率不同,不會提高嚙合頻率上的噪聲幅度,但會加寬齒輪噪聲音頻的帶寬。
c. 軸線在節(jié)平面上投影的不平行、齒向誤差以及軸在傳動負(fù)載下的變形會使輪齒在齒寬方向上的接觸長度縮短,造成嚙合剛性下降,由此產(chǎn)生的傳動誤差及齒輪傳動嚙合剛性的周期性變化是產(chǎn)生噪聲的另一原因,其對斜齒輪傳動影響更大。
3) 控制齒輪噪聲的有效途徑——齒輪修形
齒輪傳動中的撞擊是產(chǎn)生噪聲的主要原因,因此,消除或減小齒輪傳動中的撞擊是降低噪聲的有效途徑。采用齒輪修形能有效減小齒輪傳動中的撞擊,從而控制齒輪傳動噪聲,因此該方法在齒輪傳動設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。
齒輪修形在某些場合下比提高齒輪精度更為有效。雖然提高齒輪精度可以減小齒輪傳動誤差,降低齒輪傳動噪聲(尤其是空載狀態(tài)下的噪聲),但在負(fù)載下可能會因輪齒變形而產(chǎn)生傳動誤差,且隨著載荷增加,傳動誤差及噪聲也隨之增大。而采用齒輪修形卻能有效改善這一現(xiàn)象。圖5所示為齒形、齒向的修形曲線,供大家參考。 各個變速器生產(chǎn)廠家應(yīng)從實(shí)際出發(fā),結(jié)合本企業(yè)的產(chǎn)品特點(diǎn),開發(fā)出適合自已企業(yè)的修形曲線。
a)
b)
圖5 齒形、齒向的修形
圖5a:a=mn,例,mn=3.5,a=3.5 mm;
圖5b:a=嚙合長度X(端面重合度-1)/2,例,嚙合長度=12,端面重合度=1.3,a=12x(1.3-1)/2=1.8 mm;
齒輪修形方式主要有齒形修形和齒向修形。
a. 齒形修形,齒形修形的齒頂和齒根修形起始點(diǎn)分別位于單一齒廓嚙合時的最高點(diǎn)和最低點(diǎn),齒頂和齒根修形量等于特定載荷下一對齒嚙合時的輪齒變形量。并且輪齒的修形起始點(diǎn)應(yīng)分別靠近齒頂和齒根,以保證有足夠長的齒面無修形,即保證在嚙合線上至少有一個基距的長度范圍為標(biāo)準(zhǔn)漸開線齒形傳動。齒形修形可保證在特定載荷下齒輪的傳動誤差最小。當(dāng)載荷變化時,因輪齒變形量不同,會產(chǎn)生一定的傳動誤差(空載下傳動誤差最大)。齒形修形適用于傳動載荷和傳動速度恒定的場合。
b. 齒向修形齒向修形對于減小大螺旋角斜齒輪的傳動誤差尤為重要。由于斜齒輪的嚙合剛性與同時嚙合輪齒的接觸線總長度成正比,如嚙合輪齒的接觸線總長度保持恒定,則齒輪的傳動誤差將不受傳動載荷變動的影響。如果齒輪軸線不平行,在載荷作用下軸的變形或齒輪齒向的熱處理變形將使齒輪的載荷移向輪齒一端,使齒面的實(shí)際接觸寬度縮短。這不僅會造成輪齒局部過載損壞,而且會使斜齒輪嚙合的接觸線總長度急劇減小,從而嚴(yán)重影響斜齒輪傳動的嚙合剛性,導(dǎo)致因載荷變動而產(chǎn)生傳動誤差。將輪齒在齒向上修成鼓形或錐形可減小軸線不平行及軸負(fù)載后變形的影響,但對鼓形量應(yīng)嚴(yán)格控制,因?yàn)楣男瘟窟^大會造成嚙合輪齒接觸線總長度變短,影響齒輪的嚙合剛性。為消除或減小傳動誤差,有必要對齒形和齒向同時進(jìn)行修形。在某些特殊場合,對斜齒輪齒面進(jìn)行拓?fù)湫扌慰墒过X輪傳動噪聲顯著降低。試驗(yàn)證明:①齒向修形可降低傳動噪聲2~8分貝;②齒形修形可降低傳動噪聲5分貝(尤其適用于直齒輪傳動)。
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