齒輪作為各類機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的核心,在工作過程中的穩(wěn)定性和可靠性直接決定著機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的可靠性和安全性。因此,針對機(jī)械設(shè)備對傳動(dòng)精度和壽命要求的不斷提升,提出了一種新的磨齒修形方法。運(yùn)用該方法,極大地提升了齒輪的齒形精度,能夠顯著降低在嚙合過程中的齒頂邊緣接觸現(xiàn)象,降低振動(dòng)沖擊,提升齒輪的使用壽命。

隨著科技的發(fā)展和進(jìn)步,各類機(jī)械設(shè)備的廣泛應(yīng)用已經(jīng)成為推動(dòng)人類生產(chǎn)效率提高、社會(huì)快速發(fā)展的巨大動(dòng)力,作為傳動(dòng)機(jī)械的核心構(gòu)件,齒輪的工作性能和使用壽命直接決定了機(jī)械設(shè)備傳動(dòng)系統(tǒng)的工作性能和經(jīng)濟(jì)性。由于傳統(tǒng)插齒法加工的齒輪齒形精度較差,導(dǎo)致在嚙合過程中極易產(chǎn)生振動(dòng)和沖擊,不僅極大地限制了機(jī)械設(shè)備工作性能的提升, 而且加劇了齒輪在嚙合過程中的磨損,給傳動(dòng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行帶來了較大的安全隱患。本文在前人研究的基礎(chǔ)上,提出了一種新的齒輪加工中的磨齒修形方法,能夠顯著提升齒輪齒面的一致性和成形精度,對提升齒輪傳動(dòng)精度和使用壽命具有極大的意義。 

1.蝸桿磨齒機(jī)理的分析 

蝸桿砂輪磨齒機(jī)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 蝸桿砂輪磨齒機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1可知,在采用蝸桿砂輪磨齒機(jī)進(jìn)行磨齒的過程中x軸表示徑向進(jìn)給軸,y軸表示切向進(jìn)給軸,z軸表示軸向進(jìn)給軸,A向表示磨齒機(jī)的回轉(zhuǎn)軸, B向表示磨齒機(jī)的傳動(dòng)軸,C向表示齒輪的旋轉(zhuǎn)軸。該齒輪機(jī)的磨齒采用和待磨齒輪相同的齒形,磨齒機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)控制切向進(jìn)給軸、軸向進(jìn)給軸以及磨齒機(jī)的回轉(zhuǎn)軸進(jìn)行聯(lián)動(dòng)作業(yè),首先將磨齒機(jī)的回轉(zhuǎn)軸調(diào)整到水平位置,然后控制磨齒機(jī)的切向進(jìn)給軸、軸向進(jìn)給軸機(jī)械能聯(lián)動(dòng)配合運(yùn)行,使砂輪沿著t-t方向進(jìn)行進(jìn)給運(yùn)動(dòng),在進(jìn)給的過程中可以根據(jù)對齒形精度要求和加工效率要求的不同適當(dāng)調(diào)節(jié)磨齒時(shí)的精度,從而完成對齒輪齒形的修正。 

2.齒面磨削偏差的分析 

采用蝸桿磨齒方案,對齒輪的輪齒進(jìn)行修形處理,修形處理的精度用曲面偏差來表示,該偏差主要是指齒面上各個(gè)點(diǎn)位沿著齒面外法線方向上的測量誤差,曲面偏差為正則表示該處高于理論齒面,曲面偏差為負(fù)則表示該處低于理論齒面。在磨削時(shí)采用的磨削砂輪的分度圓半徑為200mm,輪齒的修形系數(shù)為0.001,齒廓拋物線頂點(diǎn)系數(shù)設(shè)置為1.2,磨削齒輪的螺旋角度設(shè)置為0°,則磨齒后齒輪的曲面偏差如圖2所示,磨削后齒輪齒面的曲面偏差最大約為2μm,整體表現(xiàn)為齒輪輪齒頂部的偏差量為正值,越往齒根的方向偏差量越小,在齒根位置的偏差量約為-1.2μm,該偏差分布對齒輪嚙合的主要影響在于會(huì)降低在嚙合過程中的壓力角,影響在輪齒嚙合過程中的嚙合接觸面積。

圖2 齒輪磨齒修形后的曲面偏差

3.修形后齒面承載特性的分析

由于齒輪輪齒精密度較高,為了對磨齒修形前后的齒輪承載情況進(jìn)行分析,本文采用ANSYS仿真分析軟件建立齒輪傳動(dòng)的仿真分析模型,設(shè)置齒輪接觸時(shí)的接觸單元數(shù)量為4418個(gè),接觸區(qū)域采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分方案,網(wǎng)格數(shù)量為293284 個(gè),齒輪輪齒材料的彈性模量為200GPa,泊松比為0.25,齒輪在嚙合過程中的轉(zhuǎn)矩為1129N·m,優(yōu)化前后的齒輪在嚙合時(shí)的應(yīng)力分布情況如圖3所示。

圖3  優(yōu)化前后齒輪的接觸應(yīng)力分布情況

由仿真分析結(jié)果可知,優(yōu)化前齒輪在嚙合過程中的最大接觸應(yīng)力發(fā)生在主接觸線位置,最大接觸應(yīng)力約為1174MPa,對齒輪進(jìn)行磨齒修形后在相同 的嚙合條件下的最大接觸應(yīng)力降低為923MPa,比優(yōu)化前降低了約21.4%。嚙合過程中齒頂部分的最大嚙合力比優(yōu)化前降低了9.5%,齒根部分的最大嚙合力比優(yōu)化前降低了32.7%,對齒面接觸位置的嚙合均勻性的提升顯著。并且根據(jù)對嚙合時(shí)的接觸情況分析,優(yōu)化前兩個(gè)齒輪在接觸位置的嚙合線呈現(xiàn)了中間窄、兩側(cè)寬的現(xiàn)象,導(dǎo)致嚙合時(shí)的應(yīng)力均集中在中間齒面的嚙合位置處,導(dǎo)致長期嚙合時(shí)極易在該處產(chǎn)生疲勞破壞。優(yōu)化后輪齒嚙合時(shí)的嚙合線分布較為均為,使整個(gè)接觸位置的應(yīng)力分布均勻,能夠有效地提升嚙合時(shí)的穩(wěn)定性,降低疲勞破壞對齒面的影響。 

4.結(jié)論 

針對傳統(tǒng)加工方案下齒輪輪齒的精度差,在嚙合過程中僅能滿足低速的傳動(dòng)需求,在高速傳動(dòng)過程中極易導(dǎo)致振動(dòng)、沖擊,引起齒面磨損加劇,嚴(yán)重影響傳動(dòng)系統(tǒng)的使用安全性和壽命的現(xiàn)狀,本文提出的新的齒輪磨齒修形工藝,采用蝸桿砂輪磨齒機(jī)對齒輪齒形進(jìn)行修磨處理,顯著提升了齒形的精度, 極大地提升了齒輪嚙合時(shí)的可靠性和使用壽命。

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