齿轮修形
一般来说,对于通用或标准产品,各公司都是根据经验,按经验公 式,制定规范进行齿廓修整。对于重要产品,则作具体分析,详细计算 变形量,并对修形结果进行验证。
齿廓修整一般同时修大、小齿轮的齿顶。过去受大型磨齿机的限制, 大齿轮多不磨齿,常用方法是只修小齿轮的齿顶和齿根,不修大轮。
齿廓修整的设计计算包括3个方面: •修形区长度(修形起始点位置)的确定 •最大修形量; •修形段曲线。
上2式中:δD1、δD2—小、大齿轮在单齿啮合上界点D点的变形量; δB1、δB2—小、大齿轮在单齿啮合下界点B点的变形量。
但是,由于制造误差的存在,以上变形量,还要加上加工误差Δm 即 Δ =δ+Δm
轮齿变形量的估算:
轮齿受载的弹性变形δ0包括轮齿接触变形、弯曲变形、剪切变形和 齿根变形等,用传统方法很难准确确定,通常用轮齿的啮合刚度Cγ来确 定。
α‘t—啮合角; αFen—载荷作用角; r1,r2—小、大齿轮的节圆半径 ; ra1,ra2—小、大齿轮的齿顶圆半径 ; rb1,rb2—小、大齿轮的基圆半径 ; pbt—基齿距;P—节点; B—小齿轮单对齿啮合区下界点; D—小齿轮单对齿啮合区上界点。
图4 齿轮的单、双齿啮合区
同样,在距啮合的终止点E往前一个基圆齿距的B点,小轮前一个齿 开始退出啮合,AB段为双齿啮合区,BD段为单齿啮合区,该B点称为小 齿轮单齿啮合的下(内)界点。因为小齿轮的点蚀大多发生在齿根处 (即AC之间),在齿面接触强度计算时,以B点的赫兹压应力作为起决 定作用的力的判据点。
4)螺旋线修正
2.1基本原理 由于以下因素,造成齿宽方向载荷分布不均匀,影响承载能力,
严重偏载时,会影响齿轮可靠的工作。 •齿轮由于传递功率而是轮齿产生变形(包括弯曲变形、扭转变形、
剪切变形和齿面接触变形等),因此,工作时,原本在常温无载 荷状态下沿齿宽方向均匀接触的状态被改变,载荷沿齿宽方向的 分布会很不均匀,甚至于会严重偏载。 •运转会产生热变形,特别是高速齿轮,温度沿齿宽方向升高且不均 匀,产生螺旋线偏差。 •制造误差,制造产生的螺旋线偏差、箱体轴承孔轴线的平行度偏 差、; •箱体、轴、轴承、机架等受力后产生的变形引起轴心偏移,离心力 造成的径向位移等。
齿廓修整是设想将相啮合齿上发生干涉的齿面部分适当削 去一些,即靠近齿顶的一部分进行修整。修整后,使载荷呈 EBDA的规律分布,使进入啮合的E点载荷为零,然后逐渐增 加到B点达到100%,从D点开始逐渐降低到推退出啮合的A点 载荷又降到零。
对于斜齿轮,一个齿从一端面的齿顶(根)进入啮合,而由另 一端面的1齿根(顶)退出啮合,故修整应在轮齿的两端进行。 斜齿轮因为有轴相重合度,在任意横截面内轮齿的啮合过程有4 次载荷突变,其载荷突变量比直齿轮低,变形比直齿轮小,因此 斜齿轮的冲击、振动、噪声都比直齿轮小。
端面重合度 εα = AE / pb
式中: pb — 基圆齿距。 当1<εα<2时,存在双齿啮合区。在距啮合的起始点A一个基圆齿距的D点,
大轮第二个齿开始进入啮合,DE段为双齿啮合区,该D点称为小齿轮单齿啮合的 上(外)界点。当力作用在D点时齿根应力最大,D点是计算齿根弯曲应力起决 定作用的力的作用点。
齿顶修整段 lab=LAB(2u-LAB)/db 齿根修整段 lac=LAC(2u-LAC)/db 渐开线全长 l =L(2u-L)/ db 式中:u=(ra2-rb2)0.5
1.2.5高速齿轮齿廓修整的特点,齿高不修整部分的公差
对高速齿轮来说,由于小齿轮的平均温度通常要比嗒大齿轮要高 10~15°(速比较小时为5~8°),造成小齿轮的基齿距大于大齿轮 的基齿距。
Δpbt=pbtΔθα’ 式中: pbt—基齿距
Δθ—大小齿轮的温差 α’—热膨胀系数。 为补偿这种变形,采用的办法是改变不修整的理论渐开线一段的公 差带的斜度,即对小齿轮的基齿距进行修整。
对减速传动,主动小齿轮因温度高,压力角已稍小,基齿距已稍 大,在达到一定程度时,具有减小啮合冲击的效果。当温差较大时, 对,主动小齿轮的齿根C处,采用偏向体内的公差带,以减小增大过 多的齿距。
螺旋线修正的方法就是根据轮齿工作时产生的变形,在制造齿轮时对 螺旋线按预定规律进行修整,以期在工作时沿齿宽获得较为均匀的载荷分 布。
2.2 齿轮轴的弯曲和扭转变形
在一对齿轮中,相对而言,小齿轮的弹性变形较大,大齿轮的弹 性变形较小可以忽略。一般仅计算小齿轮的弹性变形(有一种说法 为:当齿数比≥3时,仅计算小齿轮的弹性变形已足够,当齿数比 <3时,应大小齿轮的变形合成。
图1 轮齿受载变形 a) 受载前 b) 受载后
下面分析一下轮齿啮合过程中的载荷突变现象。 图2为一对齿轮的啮合过程。
啮合线、重合度、轮齿单齿啮合的上界点和下界点
正常情况下2个齿轮的啮合线长度取决于两个齿轮的齿顶圆直径。如图4所 示,当小齿轮主动时,大轮齿顶的齿廓与小轮齿根的齿廓在A点相遇,A是啮合 的起始点,到小轮齿顶的齿廓和大轮齿根的齿廓在E点退出啮合,E点为啮合的 终止点。AE为啮合线长度。
对于非高速齿轮,要有利于在额定负荷下正常运转时减小两轮的 基齿距之差的修整原则依然适用:
对减速传动,小齿轮的压力角应稍小,大齿轮的压力角应稍大。 对增速传动,小齿轮的压力角应稍大,大齿轮的压力角应稍小。
常见的齿廓修形方式有4种:
(4)小轮同时修齿顶和齿根,大轮不修。
下面介绍几种实用修形标准: 1)尼曼推荐的修整量,德国公司仍在采用
由于轮齿啮出冲击小于啮入冲击,常常又使啮入的修形长度大于啮出 的修形长度。
渐开线齿廓的长修形和短修形
1.2.2最大修形量
根据Walker的理论,因为单齿啮合区内B点和D点的载荷最大,其相 应的变形也最大,造成啮合的始末点E和A处产生干涉现象。
这样,主动齿轮齿顶部的最大修整量 δA=δB1+δB2 同理,从动齿轮齿顶部的最大修整量 δE=δD1+δD2
δ0=(Fbt/b)·1/Cγ· 1/cosαt μm 式中: Fbt—端面内轮齿上的切向力,N:
b —有效齿宽,mm: αt—端面压力角; Cγ—轮齿啮合刚度,N/(mm·μm),可用ISO6336中的数值,一般 齿轮可取Cγ=20N/(mm·μm)。
加工误差Δm Δm=fpb+1/3ff 或 Δm=fpb 式中: fpb—基圆齿距偏差;
对增速传动,因从动小齿轮因温度高,压力角稍小,基齿距稍大, 会加剧轮齿受冲击的倾向。为此,从动小齿轮的齿顶B处,采用偏向 体内的公差带,即加大小齿轮的压力角,减小其基齿距。
对减速传动,轮齿的弯曲变形和温差的影响有互相抵消的倾向, 但对于增速传动这两种影响却是相互叠加的,所以增速传动小齿轮基 齿距的修整量要比减速传动的基齿距的修整量大。
2)美国Dudley推荐的修整起始点高度见下表
压力角α 20°
22.5° 25°
主动轮 0.4 mn 0.365 mn 0.325 mn
从动轮 0.45 mn 0.415 mn 0.375 mn
修整量为: 从动齿轮齿顶修整量 = 6.5CmWt/(105b) mm 主动齿轮齿顶修整量 = 4.1CmWt/(105b) mm
渐开线齿轮的修形
李钊刚
1,齿廓修整
1.1基本原理
基于以下原因,渐开线齿轮在实际运行中达不到理想渐开线齿轮那样 的平稳,而产生啮合冲击,产生动载荷,并影响承载能力。 •制造误差; •受力元件(齿轮、箱体、轴、轴承等)的变形; •运转产生的温度变形; •轮齿啮合过程中的载荷突变。 以上因素均会引起齿轮的齿距改变(偏离理想齿距值)。当主动轮的 齿距小于从动轮的齿距时,就会产生啮入干涉冲击;当主动轮的齿距 大于从动轮的齿距时,就会产生啮出干涉冲击(图1)。
斜齿轮从轮齿的尖角处进入啮合,倒棱a稍大时有利于 防止崩角。
齿顶倒棱b可取:(0.2~0.3)×45°,并向端面扩大 为(0.3~0.4)×45°。大模数时可取更大一点的值。
倒棱c可稍大于b,但也不要过大,因会减小有效齿宽。
1.2.6齿顶倒棱或倒圆
实际修形示例
例1:小齿轮同时修齿顶和齿根
例2:大、小齿轮都修齿顶,并控制公差带(所谓的K型齿廓)。
啮合线EBDA为轮齿参加啮合的一个周期。其中,EB段和DA段为双齿 啮合区,BD段为单齿啮合区。因此,轮齿啮合过程中的载荷分布明显不 均匀(图3)。
a)轮端面重合度 εα=1.2,
b) εα=1.8
图3 具有不同大小的单对齿啮合与双对齿啮合区时的名义载荷
图4
图4为理论载荷分布图,但是由于啮合点上齿面的接触变 形、齿的剪切变形和弯曲变形等因素的影响,使得在单齿啮合 区的载荷分布有所缓和。整个啮合过程中轮齿承担载荷的幅度 大致为:E点40%,B点从60%急剧跳到100%,BD段为 100%,,D点从100%急剧跳到60%,A点40%。由此可见, 轮齿啮合过程中有明显的载荷突变现象,相应也会引起轮齿弹 性变形的明显变化,引起主从动齿轮的齿距变化,使啮入初始 点发生干涉现象。
最大修整量及修整高度有关,约15mn~17mn,见图5,图6及表。
图5 MAAG公司的基本齿廓
图6 ISO的标准齿廓
表 ISO的标准齿廓 圆弧直径 Φ=((hB/cosα)2+ΔA2)/ΔA
③渐开线 修整段为不同压力角的另一段渐开线。如尼曼,美国费城齿轮公司
都采用这种方法。
1.2.4渐开线齿廓修整长度和啮合线上相应长度的关系式
常用有3种形式:
①抛物线
Walker推荐 主动齿轮在啮合线上,距离齿顶A的距离为x点的修整量Δx=ΔA (x/DA)1.5 从动齿轮在啮合线上,距离齿顶E的距离为x点的修整量Δx=ΔE (x/EB)1.5 日本有学者推荐 Δx=ΔA(x/DA)1.22
②圆弧 其修整段在修整起始点为与基本齿廓相切的圆弧,圆弧的半径和
1.2.1修形区长度(修形起始点位置)的确定;
大体上分2种方法。