基于齿顶修形分析改善斜齿轮组接触方式及接触应力.pdf

凿岩机械气动工具（总第19 4期）基于齿顶修形分析改善斜齿轮组接触方式及接触应力吕志信1.2.3（1.中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西太原0 3 0 0 0 6;2.山西天地煤机装备有限公司，山西太原0 3 0 0 0 6;3.煤矿采掘机械装备国家工程实验室，山西太原0 3 0 0 0 6）摘要：本文的研究目的是分析单级斜齿轮组啮合特性，改善其接触应力的分布。齿顶修形和齿向修形是在齿轮传动理论基础上发展起来的轮齿修形方法。文中建立了线形齿顶的斜齿轮副数学模型，并采用有限元分析和KissSoft预测的方法获得接触应力的分布,验证了轮齿修形对齿轮啮合过程中接触应力的影响。关键词：斜齿轮；齿形修正；接触应力；接触方式中图分类号：TH132.417文献标志码：AImprove the Contact Mode and Contact Stress of Helical Gear GroupBased on Tooth Tip Modification AnalysisLYU Zhi-xinl.2.3(1.China Coal Technology&Engineering Group Taiyuan Research Institute Co.,Ltd.,Taiyuan030006,Shanxi;2.Shanxi Tiandi Coal Mining Machinery Co.,Ltd.,Taiyuan 030006,Shanxi;3.China National Engineering Laboratory for Coal Mining Machinery,Taiyuan 030006,Shanxi)Abstract:The purpose of this study is to analyze the meshing characteristics of a single stage helical geargroup and improve its distribution of contact stress.Firstly,establish a mathematical model of a helical gear pairwith linear tooth tips.Tooth tip modification and tooth orientation modification are methods of gear toothmodification developed on the basis of gear transmission theory.And the distribution of contact stress was obtainedusing finite element analysis and KissSoft prediction methods to verify the influence of gear tooth modification oncontact stress during gear meshing process.Key words:helical gear;profile modification;contact stress;contact method学,用数学的方法推导出斜齿轮的啮合度，由此1引言发展出齿轮传动和差动几何学。此外，以模拟接齿轮是机械设备中的重要组成部分，起着传输动力、转换转矩以及改变转速的作用.2。在平行轴之间的高速或高扭矩动力传输时,斜齿轮比正齿轮承载能力高、传动平稳3.41。通过几何触方式和接触应力分布等，并对其进行分析改善，可提高齿轮的传递效率。迄今为止，研究人员建立了各种类型的数学模型和齿轮传动理论5.6 。收稿日期:2 0 2 3-0 8-3 0作者简介：吕志信（19 8 5），男，山西昔阳人，硕士，山西天地煤机装备有限公司，工程师，从事煤机设备大修与服务。24安装机械汽幼琪2024年第1期基于齿顶修形分析改善斜齿轮组接触方式及接触应力表1斜齿轮组设计参数2斜齿轮设计参数图1描绘了具有该设计的斜齿轮组的实体模型，参数见表1。图2 为轮齿修形示意图，C.为齿顶宽修正量，L.为齿顶长修正量，E为齿向修正量，w为齿宽。3齿顶接触分析3.1静态传输缺陷假设在静态理想条件下斜齿轮组啮合表面成拓扑方式，通过专用软件计算了小齿轮与大齿轮之间的刚体接触应力。TE=0表示齿轮和齿轮之间渐开线轮廓的接触存在“缺口形”缺陷,通过齿顶修形和齿向修形能够改善此类缺陷。3.2接触形式啮合过程中的接触方式采用图3 中的表面拓扑方式。当小齿轮从-8 旋转至+16 时，分别由图4、图5表示小齿轮和大齿轮齿的接触形式。图1斜齿轮减速器的实体模型Ca设计参数模数,mm齿数变位系数法向压力角螺旋升角齿宽，mm齿向修正量,mm齿顶宽修正量,mm齿顶长修正量,mm4负载齿接触分析在理想啮合条件下，通过有限元分析方法，同时也可通过KissSoft软件分析接触应力。将有限元分析和KissSoft软件的接触应力计算结果做比较。4.1有限元分析建立了斜齿轮组的有限元模型,在此基础上划分了网格，并在计算机程序内部生成齿顶啮合的数学模型，如图6 所示。在有限元分析中，小齿轮转动中心处施加217Nm的扭矩，使小齿轮与大齿轮啮合接触，在分析中齿轮组处于静态中。选取齿轮组材料的特性：杨氏模量为2 0 6 GPa,泊松比为0.3。图7、图8 分别为小齿轮旋转角度为0 时小齿轮和大W小齿轮2440.5220013.80708121大齿轮21490.00200-13.8065一121E(a)齿顶修形(b)齿向修形图2 车轮齿修形示意图2024年第1期安装机械艺幼琪25凿岩机械气动工具（总第19 4期）10-1-2-3-4-5-12-10图3静传动下斜齿轮组的啮合状态齿轮齿面接触应力。根据图7 和图8，该斜齿轮组显示在接触比一定时，瞬时接触齿对数为3。图中箭头分别为在小齿轮和大齿轮上最大接触应力的位置。小齿轮接触应力最高为9 8 6MPa,而大齿轮为9 8 5MPa。齿轮组最大接触应力发生在开始进人啮合的位置。4.2 KissSoft 预测图9 为理想状态下大、小齿轮的接触应力云-8-6Angle of rotation degree4-224图,采用KissSoft预测的高接触应力区。图10 为啮合过程中接触应力最大值时的小齿轮的转动角度,且接触最大应力为10 2 1MPa时，小齿轮的+16-8图4小齿轮在理想状态下的接触形式8+16Max:986.2MPa图5大齿轮在理想状态下的接触形式线性齿顶补偿了大齿轮的渐开线轮廓。有限元分析得到的最大接触应力为9 8 6大齿轮MPa,与KissSoft预测的10 2 1 MPa,两者之间的误差值只有(10 2 1-9 8 6)/9 8 6=3.5%,这是可以接受的工程误差。小齿轮5结论本文研究了斜齿轮的接触方式和接触应力，图6斜齿轮组的有限元模型CPRESSMak:+9.862e+02Elem:PART-1-L62448Node:161097图7理想状态下小齿轮上的接触应力26安准机械汽劫琪2024年第1期基于齿顶修形分析改善斜齿轮组接触方式及接触应力Max:984.6MPaCPRESSMaG+9.846e-02Eem:PART-2-1.62126Node:72479图8 理想状态下大齿轮上的接触应力Stress MPa0.000275.000550.000小齿轮825.000高接触应力区1100.000大齿轮高接触应力区图9在理想状态下，小齿轮和大齿轮的接触应力云图参考文献：stress,MPaA1000900-800-700600-500400-300-200-100-0-12.0图10不同旋转角度下的接触应力并且通过齿轮的轮齿修形进行补偿，采用有限元分析法和KissSoft预测的方法进行仿真，使接触方式和接触应力达到理想啮合状态。接触开始时线性齿顶的凸出和渐开线表面的增大都会导致接触应力增高。CBD-6.00Angle of rotation,E6.01杨大勇,刘旭东,付学中,等面齿轮传动新齿形与齿面修形研究现状与展望J科学技术与工程,2 0 2 3,23(17):7174-7182.2黄一伦，陈旭，胡玉梅高速直齿轮齿面有限元网格精准离散方法J重庆理工大学学报(自然科学),2023,37(03):129-137.3孙秀全考虑齿面磨损的多间隙耦合下的斜齿轮动态特性研究D太原理工大学,2 0 2 1.4杨柯硬齿面斜齿轮齿端齿向修形对轴承能力的影响D武汉科技大学,2 0 14.12.05王羽达渐开线圆柱齿轮啮合弹性接触分析及修形研究D东华大学，2 0 2 1.6杨玉良，斜齿轮系统热弹耦合及修形减振研究D.大连理工大学，2 0 16.2024年第1期安装机械艺幼琪27