机械设备中齿轮传动的应用分析

摘 要：随着社会经济的迅速发展，对齿轮传动的要求也愈加苛刻，在齿轮传动的使用寿命、性能、传动扭矩、速度等都有着严格的要求，以此满足不同场合的運动形式，广泛的应用在挤出机、真空管、牵引机、切割机等机械设备。因此对齿轮传动的应用分析显得尤为重要，进一步为齿轮的应用奠定良好的基础。

关键词：机械设备，齿轮传动，应用分析

引言

齿轮是使用量大、用途面广的传动件，齿轮产品广泛的应用在挤出机、真空管、水箱、牵引机和切割机等领域[1-2]。在机械设备中，机械的传动是最常见的传动方式之一，尤其在减速机中，是不能缺少的部件。齿轮传动具有传动比准确、减速比容易控制、扭矩可以放大、承载能力高和可靠性高。随着社会经济的快速发展，机械设备的需求与日俱增，因此对齿轮传动的研究显得尤为重要[3]。

1. 齿轮的强度计算

由于齿轮在运动过程中，会出现失效的现象，如：轮齿折断，齿面磨损、齿面点蚀等异常问题，这样不利于齿轮的使用，其性能也发生改变，影响了机械设备中齿轮传动的正常运作[4]。本文以标准硬齿面渐开线圆柱齿轮啮合传动为研究对象，合理的分析该齿轮的应用。

1.1硬齿面直齿圆柱齿轮的受力分析

由于齿轮传动一般均加以润滑，啮合齿间的摩擦力通常很小，在计算轮齿受力时，为简化计算，一般忽略不计。

法向载荷Fn的方向为沿着齿轮的啮合方向且与轮齿表面垂直，在分度圆上分解法向载荷Fn ：切于分度圆的圆周力Ft 与沿着半径方向的径向力Fr ，则有如下计算公式：

（1）

式（1）中， T1为小齿轮传递的名义转矩，单位为 N mm； 为分度圆压力角，单位为（o）；

1.2齿轮传动的计算载荷

根据挤出机、切割机等机械设备的运动特点、原动机的工作特点、联轴器的缓冲作用，会对动载荷有着一定的影响，可以通过计算得到动载荷所需的使用系数KA。其使用系数的参考表，如表1所示。

2. 建立齿轮传动的三维模型

Solid Works company 是美国达索系统（Dassault）公司的一个下属公司，该公司专门从事三维产品设计、工程结构分析和数据管理的工作。该软件为每一位用户提供了一个系列的解决方案。从产品设计、有限元分析、工程图纸、渲染到PDM数据管理、二维设计、三维建模到零件的组合、干涉核验等功能均可完成。

在 Solid Works 零件绘制界面上，根据一对齿轮的啮合状态，将其三维模型进行建立，根据基本尺寸得到三维模型；再将两个齿轮进行装配，即形成啮合的传动模式，在“齿轮配合”命令下，选取小齿轮一个轮齿的齿顶，再选取大齿轮一个轮齿的齿顶，即可得到正确啮合的渐开线硬齿面直齿圆柱齿轮传动。完成的装配体如图1所示。

3齿轮传动的有限元静力分析

把 Solid Works 中的三维模型导入到 ABAQUS 中，大小齿轮的相对位置没有发生改变，也没有出现两个齿轮的模型干涉或重叠情况。添加齿轮材料属性40Cr，其材料的密度为7850，弹性模量2.06e11，泊松比为0.3；在添加约束，采用齿轮的接触面来进行约束分析；最后在进行网格划分，网格的密度与分析结果呈正相关关系，但是网格密度越大，分析计算所需要耗费的时间就越多，因此，网格的划分对于整个模型的计算效率至关重要。通齿轮传动的接触分析，得到网格划分如图4所示。给小齿轮的参考点上施加转速104.67rad/s的载荷，得到一对齿轮啮合的有限元分析云图，其齿轮传动接触应力云图如图5所示。

综上所述，得到理论的计算结果，其中小齿轮的接触强度许用应力值为979MPa，大齿轮的接触强度许用应力为1034MPa，故该模型的静力分析结果中的两个齿轮最大接触应力值都在各自的许用范围内，数值合理。

4.总结

通过对标准渐开线直齿齿轮啮合传动为分析对象，在圆柱齿轮啮合传动的原理和自身特点的基础上，对轮齿的强度进行计算，并通过SOLIDWORKS建立一对齿轮的三维图形，再经ABAQUS 软件对三维模型进行有限元分析，验证了硬齿面齿轮传动的正确性和可行性，为齿轮传动的优化设计提供了一定的理论依据。

参考文献：

[1] 汪利群.粉末冶金齿轮提升消防车取力器传动效率研究[J].工业仪表与自动化装置，2018（01）：52-54+65.

[2] 李彦启，赵西莉，郭军伯，刘明涛，史培丰.基于虚拟样机技术的内平动分度凸轮机构动力学分析[J].机械传动，2018（04）：119-124.

[3] 刘颖.煤矿机械传动齿轮失效形式分析及改进措施[J].煤炭技术，2013，32（01）：38-39.

[4] 潘宏侠，姚竹亭.齿轮传动系统状态检测与故障诊断[J].华北工学院学报，2001（04）：313-318.

作者简介：

潘邦耀（1986.9.19）男，汉族，佛山南海人，本科学历，从事机械设计工作。