直齿圆柱齿轮传动冲击载荷分析

杨慧

（安徽文达信息工程学院机电学院）

摘 要：直齿圆柱齿轮传动是传统和现在机械运动中应用最广泛的传动结构，它具有传动平稳，效率高的特点，同时齿轮的参数设计，齿轮的直径可以满足不同工况的要求，伴随着轮齿啮入啮出的同时，齿轮传动容易产生冲击现象，冲击载荷对齿轮的传动，啮合，寿命和噪声都会带来一定的影响，从而会影响加工的精度。因此当于现在的直齿圆柱齿轮传动及受力情况入手，先确定冲击载荷的类型，结合数据对载荷的分布作详细的分析，推出其冲击载荷的计算公式，并用实验数据对计算公式对比，最后提出对传动时的载荷危害提出一些合理的建议。

关键词：直齿圆柱齿轮传动；受力；冲击现象；冲击载荷

1.直齿圆柱齿轮冲击载荷发展现状

当今著名国内外的专家学者对齿轮传动的冲击载荷都进行了一定的研究，DB.Wallace研究了直齿圆柱齿轮的动载荷和齿根应力，1993年，S Vijayrangan和N.Gansan利用三维有限元计算了冲击载荷下齿根应力随时间的变化，由此可知，冲击载荷对齿轮传动的影响很大，但是现有文献对冲击载荷的深入研究计算还不是很多，本文先是通过材料力学与经典力学的方法分析直齿圆柱齿轮传动是的受力分布即名义载荷，再通过对传动冲击载荷的确定，不同因素对冲击载荷的影响，计算载荷系数，最后与经典冲击载荷的方法对比分析，找出影响直齿圆柱齿轮传动冲击载荷的主要因素，并加以修改，提出对冲击载荷的防护保护传动系统的平稳性。

2.冲击载荷的分析与比较

就目前研究情况来看，对于直齿圆柱齿轮自身来说，出现冲击载荷的原因可以归纳为三个方面：

1）啮合冲击。直齿圆柱齿轮在传动的过程中，每对轮齿的啮入啮出，长时间的受载变形导致的几何误差让齿轮在传动的过程中很容易产生速度冲击，振动以及噪声。

2）节点冲击。齿轮每对轮齿在啮合的时候，在经过啮合点的时候，两轮齿的相对接触冲击。

3）动态传动误差。直齿圆柱齿轮传动的时候，轮齿啮合的对数交替变化，轮齿的受载等产生了周期性的动态变化，对齿轮冲动就容易产生周期性的冲击载荷。

综上所论，啮合冲击与动态传动误差最为重要，因为齿轮传动的过程中，伴随着是每个轮齿不断的交替啮入啮出，轮齿齿面上的应力是不均匀分布的，很容易导致轮齿的受载变形，这是直齿圆柱齿轮传动的特性，因此对直齿圆柱齿轮传动的冲击载荷有必要作出详细的计算以及防护[6，7]。

3.冲击载荷的计算与分析

直齿圆柱齿轮传动过程中，因为存在齿廓微小误差，长时间的运作会破坏两齿轮啮合轮齿之间的共轭关系，从而传动速度会有短暂的变化，其中误差的存在空间会产生一个加速力Fa，这个加速力在每个轮齿的不断啮合，会在齿轮上形成一个周期性的冲击载荷[9，10]，根据力学原理可设直齿圆柱齿轮传动过程中名义载荷为W，冲击载荷为Wd，两齿轮的质量为m1m2，在啮合点的齿轮有效的质量为m，传动速度为v，在名义载荷的作用下齿轮传动时候的变形量为δ，齿轮传动的时候受冲击载荷的变形量为δm，设e是由齿轮制造的误差以及受载荷变形误差组成，因此可得冲击载荷Wd的近似计算公式

在计算的过程中应充分考虑齿轮的内部因素变形δm，轮齿变形所受到的冲击力Fa，当轮齿发生冲击载荷变形量δ最大的时候会有一个齿轮轮齿的极限冲击力F2，齿轮在传动的时候，名义载荷W可以根据力学公式求出固定值，因此在齿轮传动调试的时候可以跟据最大变形量δ参考以上的公式求出齿轮所能承受的最大冲击载荷Wdmax，得到冲击载荷发生的时候轮齿啮合有一个加速力Fa，最后对冲击力的分析，得到冲击载荷Wd的计算，同时在齿轮加工制造上造成的不必要的误差，以及外部设备的振动因素，这些会对齿轮传动啮合的时候造成传动啮合误差，会影响齿轮轮齿不断啮合传递运动的进行，因此在计算冲击载荷的同时有时要根据具体情况再去考虑计算冲击载荷。

4 不同因素对直齿圆柱齿轮传动冲击载荷的影响

4.1直齿圆柱齿轮传动的内部因素影响

内部因素有：齿轮的刚度，变形造成的几何误差，以及过渡曲线干涉，齿廓重叠干涉，齿轮最大啮入深度小于某一规定值等。

1）齿轮的刚度[11]，齿轮在传动的时候，齿轮轮齿齿根处啮合的时候单齿啮合的时候齿轮的综合刚度小，则弹性变形就大，在齿顶处双齿啮合的时候，齿轮的综合刚度大，轮齿的弹性变形就小。

2）轮齿的变形，齿轮在加工的时候有微小的误差，以及在安装的时候出现轴向误差的话，这些误差会导致齿轮在传动的过程中，两齿轮偏离了正确的啮合轨迹，容易造成轮齿的直接碰撞。

3）齿轮制造时参数标准，标准参数要求在齿轮所能达到的啮入深度的位置上，它的柔轮和刚轮的齿顶都是不能进入到搭配的齿轮轮齿的过渡曲线部分[12]。

4）齿廓重叠干涉。其实齿廓重叠干涉十分好处理。只要将任意齿轮在啮合位置的两齿廓，在它们的工作段不相交就可以了。

5）齿轮最大啮入深度小于某一规定值。如果出现了齿轮在啮入的过程中，最大的啮入深度小于了它自身的规定值，不然在传动啮合的过程中会直接造成卡死，轮齿的碰撞。

4.2齿轮传动的外部因素影响

对于机械设备加工的时候，自身会有一定的噪声以及振动对齿轮传动会造成啮合误差，齿轮的定期润滑对齿轮传动时的平稳以及噪声有很好的效果，外界的温度以及齿轮运转的速度都有一定的影響[13，14]。

4.3轮齿的接触精度

对载荷较重的齿轮来说，接触精度好会让齿轮齿面的载荷分布比较均匀，对轮齿的接触精度在齿轮粗精加工的时候一定要严格要求，从而降低冲击载荷的发生性。

5 冲击载荷的危害以及改善措施

在日常生活中，直齿圆柱齿轮的传动十分普遍，由于齿轮构造的自身原因，在传动过程中很容易产生冲击载荷，冲击载荷会让齿轮传动的时候，伴随着轮齿啮入啮出的时候，对轮齿造成齿面受损，甚至齿面折断等危害，大大降低了齿轮传动的稳定性。因此，提出一些对于防护冲击载荷的发生以及减少其造成的伤害：

在齿轮制造的时候，要严格按照要求，对齿轮的基本参数以及粗精加工时候工艺性要按照标准，同时也要提高齿轮的加工精度，加强轮齿的接触精度[15]，齿轮制造时候的误差要控制在合格范围之内，在安装的时候也要注意安装误差，齿轮传动的时候，要定期对轮齿的润滑，减少轮齿之间的摩擦力，对设备要定期维护及调试，降低冲击载荷的可能性，为齿轮传动提供更好的安全性。

6 结论

在分析齿轮传动的时候，根据所学的知识以及查阅的资料，Buckingham在对齿轮传动动载荷研究很有代表性，通过材料力学详细分析齿轮的受载分析，提出轮齿的变形以及轮齿刚度的影响，再通过以前三种经典载荷计算方法，作出啮合时的详细受力图，从而得出新的对于冲击载荷的计算方法以及影响冲击载荷的因素：轮齿的接触精度，轮齿的刚度，齿轮加工制造的误差，安装时的误差等这些都严格要求，最后对于这些结论提出一些关于减小冲击载荷危害的措施，为直齿圆柱齿轮传动提供更好的稳定性。

参考文献

[1]邱宣怀.机械设计.北京：高等教育出版社，2011.7.

[2]朱荆璞，张德惠编.机械工程材料学.北京：机械工业出版社，1988.

[3]谢忠东.机械原理.北京：北京航空航天大学出版社，2011.9.