浅谈齿轮强度设计几个问题的探讨.doc

浅谈齿轮强度设计几个问题的探讨.doc浅谈齿轮强度设计几个问题的探讨 0 引言齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一。公元前 300 多年, 古希腊哲学家亚里士多德在《机械问题》中, 就阐述了用青铜或铸铁齿轮传递旋转运动的问题。 17 世纪末到 18 世纪初,人们开始对齿轮的强度问题进行研究。欧洲工业革命以后, 齿轮技术得到高速发展, 齿轮传动在机械传动及整个机械领域中的应用极其广泛。齿轮设计成为机械设计中重要的设计内容之一。目前国际上比较常见的有关齿轮强度设计公式, 除了我国的国家标准( GB) 有关齿轮强度的计算方法以外主要有: 国际标准化组织( ISO) 计算方法; 美国齿轮制造商协会( AGMA) 标准计算方法; 德国工业标准( DIN) 计算方法; 日本齿轮工业会( JGMA) 计算方法; 英国 BS 计算方法等。作者在从事机械设计特别对齿轮设计的教学中,发现不少地方的知识点描述比较简单, 不容易理解, 为此, 在文中对齿轮设计的几个问题如齿轮的失效方式、齿轮强度设计的历史、现状进行了深入分析, 探讨我国齿轮强度设计的历史来源以及在齿轮设计中的一些困惑。通过深入的分析, 有助于大家更好地理解齿轮设计公式的意义和来龙去脉。 1 齿轮失效方式的探讨齿轮在传动过程中会出现各种形式的失效,甚至丧失传动能力。齿轮传动的失效方式与齿轮的材料、热处理方式、润滑条件、载荷大小、载荷变化规律以及转动速度等有关。人们对齿轮失效的认识是一个发展的过程。 18 世纪中叶人们就开始对齿轮的失效进行研究。对齿轮摩擦磨损、点蚀形成和齿面胶合有了初步的认识。 1928 年, 白金汉发表了有关齿轮磨损的论文, 并将齿面失效分为点蚀、磨粒磨损、胶合、剥落、擦伤和咬死等 6 种失效形式。 1939 年, Rideout 将齿轮损伤分为正常磨损、点蚀、剥落、胶合、擦伤、切伤、滚轧和锤击等 8 种形式。 1953 年 Borsoff 和 Sorem 将齿轮损伤分为 6类。 1967 年尼曼根据大量试验, 对渐开线齿轮的 4 种失效形式画出了承载能力的限制关系图, 并指出当齿轮转速较低时, 影响软齿面齿轮承载能力的主要因素是点蚀, 影响硬齿面齿轮承载能力的是断齿; 而对于高速重载传动齿轮, 影响因素往往是胶合。自上世纪 50 年代以来, 一些国家以标准的形式对齿轮损伤形式进行分类, 对名词术语、表现特征、引发原因等都有规定。如 1951 年美国将齿轮损伤分为两大类, 一类是齿面损坏, 包括磨损、塑性变形、胶合、表面疲劳等, 另一类是轮齿的折断。前一大类齿面损坏是齿轮作为高副由于摩擦学原因而引起的表面损伤; 后一大类轮齿的折断是轮齿作为受力构件由于体积强度不够而发生的破坏。 1968 年奥地利国家标准规定了齿轮损伤的名词术语。 1983 年, 我国颁布了齿轮轮齿损伤的术语、特征和原因国家标准( GB /T3481 - 83) ,将齿轮损伤形式分为 5 大类,即磨损、齿面疲劳( 包括点蚀和剥落)、塑性变形、轮齿折断和其他损伤,共 26 种失效形式。 1997 年,我国颁布了对 GB/T3481 - 1983 修订的 GB/T3481 -1997 国家标准。目前我国在大多数的机械设计教材和机械设计手册中齿轮失效方式都进行了简化,一般分为 5 大类,即轮齿折断、齿面疲劳点蚀、齿面胶合、齿面磨损和塑性变形。 2 齿轮强度设计的探讨 轮齿弯曲强度计算 1785 年, 英国瓦特提出了齿根弯曲强度的计算方法, 把轮齿看成为矩形截面的板状悬臂梁,随后出现多种弯曲强度计算公式。 1893 年,路易斯发表了轮齿弯曲强度计算式,而且用内切抛物线法找齿轮的危险截面, 这一方法称为“抛物线法”[12] , 如图 1 所示。路易斯以载荷作用于齿顶推导出齿根弯曲应力公式, 但是对于重合度大于 1 小于 2 的齿轮传动,理论上只有当单对齿啮合时,载荷才全部由一个齿承受。对于重合度大于 2 小于 3 的足够精密的齿轮,因为同时有 2 对以上的齿轮在啮合,其最大弯曲应力的作用点要低。在此之后,又出现 30° 切线法、尼曼法、白金汉法等。 1980 年, ISO 提出“渐开线圆柱齿轮承载能力的基本原理”( ISO 6336 - 1980) ,公布了轮齿弯曲强度、齿面接触强度的计算方法。过去,我国的齿轮强度计算方法一直比较混乱,没有统一的标准, 对生产、科研以及教学带来诸多问题。于是, 1981 年我国成立了“渐开线圆柱齿轮承载能力计算方法”国家标准课题组, 以 ISO6336-1980 为根据, 开展全面的研究工作。 1983 年颁布了渐开线圆柱齿轮承载能力计算方法的国家标准( GB /T3480-1983) 。目前, 我国有关齿轮弯曲强度的设计公式基本上采用 30° 切线法, 即作与轮齿对称中心线成 30&deg