基于粉末冶金的少齿数齿轮传动研究

第2期 2011年2月 机械设计与制造 2l 文章编号：10013997(201 1)02012102 “卜“ t优 于粉末冶金的少齿数齿轮传动研究 李鹏王保民郭辉张国海 (陕西理工学院机械学院，汉中723003) on on I aouo23003，【摘 要】简述了少齿数齿轮传动及粉末冶金齿轮的特点，综合少齿数齿轮齿轮传动及粉末冶金的 点，提出了基于粉末冶金法设计制造少齿数齿轮的方法，对基于粉末冶金的少齿数齿轮传动的设计进 了讨论，为少齿数齿轮传动的研究及应用提供了新的思路。 关键词：少齿数齿轮传动；粉末冶金齿轮；传动设计 【he he on is he w i ee h 凡n s ew s apj ；j 十 ew k。+ +。+。+ +”+”+-+ + +“+ +”+”+”+”+” 中图分类号：文献标识码：A 1引言 少齿数齿轮传动具有单件传动比大、结构紧凑、重量轻等诸 多优点，但由于加工制造比较困难，一直难于广泛应用。 粉末冶金作为一种高效、节材、节能的机械结构零件制造技 术，在制造用一般方法难以成形的形状复杂零件时具有突出的优 越性。将粉末冶金应用在少齿数齿轮的制造中必将为少齿数齿轮 传动的发展与应用带来新的突破。 2少齿数齿轮传动概述 21少齿数齿轮传动的概念和特点 少齿数渐开线圆柱齿轮传动是指小齿轮齿数Z】8的渐开 线圆柱齿轮传动。它有着单级传动比大、结构紧凑、重量轻等优 点，特别适用于中小功率，结构尺寸受限制，传动比大的场合。目 前，国外在摩托车发动机等产品中已有成熟的应用，国内在助力 车、电动自行车、电动工具等领域也有应用的尝试。 2。2少齿数齿轮传动的研究现状 在国内针对少齿数渐开线齿轮的研究已有20余年，在设计 计算、强度校核、精度计算、加工制造等方面都取得了不少成果， 也进行了一些应用的尝试。但目前针对少齿数齿轮的研究基本都 是基于滚齿，滚齿应用在普通渐开线圆柱齿轮加工中有着无可替 代的优势，但应用在少齿数齿轮方面却有许多局限。 由于少齿数齿轮齿数较少，为了避免根切设计时都采用很 大的变位系数。大的变位系数虽然可以解决根切问题却导致端面 重合度 降低、齿面滑动系数增大等新的问题，为了满足连续传 动，少齿数齿轮一般都采取大的螺旋角 和和齿宽B，这无形中 又增大了轴向载荷和整个传动装置的尺寸。 在加工方面，虽然通过改造普通滚齿机加工少齿数齿轮的 来稿日期：20107 方法已得以实现，但其表面质量与加工效率却难以满足生产实践 需要。 3粉末冶金齿轮特点 31易于制造 用粉末冶金法可以较容易制造出具有不规则曲线、偏心，不 规、键槽、花键等难加工的齿轮。一般粉末冶金法制造齿轮时 只需要成形烧结一热处理一回火一浸油5道工序，而常规的机械 加工法确需要众多的加工设备及工序。 3_2材料利用率高 由于粉末冶金可以直接成形为成品零件的形状，且烧结前 的任何压坯废品都可重新粉碎和加以利用。因此其材料利用率可 达9 5以上。 33粉末冶金齿轮的重复性非常好 粉末冶金齿轮是由模具压制成形的，一般情况下，一副模具 可压制约几万至几十万件齿轮压坯。而机械加工中由于刀具的磨 损、加工装置刚性不足及齿轮坯的差异等原因，很难使制造的齿 轮形状、尺寸高度统一。 34节省后处理及组装费 用粉末冶金法可将几个零件一体化制造，从而可省下以后 的处理与组装费用。 35粉末冶金齿轮具有较好的自润性 粉末冶金齿轮的材料具有一定量的连通孑油后具有 较好的自润滑，从而可以提高耐磨性。在实际中可通过控制不同 部位的密度来实现自润性与强度的协调。 36粉末冶金齿轮齿面粗糙度好，啮合噪音低 在粉末冶金生产中，为便于脱模，压模工作面的粗糙度都 122 李鹏等：基于粉末冶金的少齿数齿轮传动研究 第2期 非常好，压制出来的齿轮齿面粗糙度很高，再加之粉末冶金材料 的吸噪性及自润性，使得其啮合噪音比普通钢制齿轮的等级小。 4粉末冶金法少齿数齿轮的比较优势 少齿数齿轮由于齿数较少，在滚切时为了避免根切必须采 用很大的变位系数。而粉末冶金少齿数齿轮不存在根切问题，因 此可以避免由于大变位而引起的许多不利因素，如表 出了粉末冶金与滚切渐开线圆柱齿轮的比较。 表1粉末冶金与滚切少齿数渐开线圆柱齿轮的比较 粉末冶金法 滚切法 餐 璺 璺 慧 !享 ，采用较大的螺旋角，轴向载荷较大 角口 轴向载荷较小或不存在 齿宽齿 采用较大 ，网4度差，齿向载荷不 载荷均匀孪 动装置尺木 1、 斗女 |I1 q筐 刨 且八 八 齿顶圆 一般不会出现齿顶变尖 易出现齿顶变尖( O)，使得实 齿厚 。 ()现象 际啮合线缩短，端面重合度降低 实际啮合线为正常情况，且实际啮合线靠近小齿轮齿根侧， 品具有自润性，可以有效减缓甚至出现节点外啮合，相对滑动系 齿面磨损 数大，齿面磨损严重 适合大批量需要，生产效率适合小批量及单件需要，生产效率 训 高，单件成本低，重复性好 比较低，单件成本也比较大 5粉末冶金少齿数齿轮的传动设计 51粉末冶金少齿数齿轮的变位 。粉末冶金少齿数齿轮不存在根切问题，因此它可以不变位。 为了提高小齿轮的齿根弯印强度，我们可以对它进行一定的正变 位。同时，由齿根圆直径计算公式61 =( 一2矗 一2c+2x)，n (1， 式中： 齿数； 一齿顶高系数； 一变位系数；m模数。 可知，h =1、5时， 一25+2x)m，当 取较小值(z= 24)时为了保证一定的齿根圆直径，也应该对它进行正变位。 变位齿轮的顶圆齿厚S 随变位系数此 在选择粉末冶金少齿数齿轮变位系数时首要考虑的问题是齿顶 顶厚 ，齿顶厚s。的计算公式为：S=+2) 式中：分度圆压力角；d，一齿顶圆直径；角。 当不考虑齿顶高变动(即齿顶高变动系数)时，侧有 d( + )m (3)o=z+2h (4) z+2h。+ 联解式(2)、(3)、(4)通过数值解法可求得当 2O。，h =1时， 5 及25表2所示。在选取变位系 数时只要xXs样如果 就能保 证齿顶厚5 025m。 表2 o=20。，h =1时不同S 下的系数值 宣塾 ! 00055 01299 02359 03298 04149 04933 05662 一00698 01448 021 32 02765 03357 52粉末冶金少齿数齿轮的螺旋角B 粉末冶金少齿数齿轮可以采用螺旋角35。的斜齿，也可 以采用直齿，一般以传动的总重合度 及中心距。的需要为依 据进行确定选择。 521总重合度 与螺旋角了传动的连续及平稳性，一般要求总重合度 大于等于 某一值。总重合度为端面重合度与轴向重合度之和：8 s ，采 用直齿( =o)时 =0， ，计算如下： ： ( 2(2(2竹) (5) 式中： 、 一两齿轮的齿顶圆压力角； 一两齿轮端面啮合角。 e=盯 j (6) 式中： 一齿宽；m 法面模数。 522中心距时可以通过改变螺旋角 来调整中心距a，标准斜齿轮传 动的中心距计算公式如下： f I 2)(2(7) 式中：z 、 一两齿轮的齿数； 法面模数。 53粉末冶金少齿数齿轮的齿廓 与滚切少齿数齿轮相同，粉末冶金少齿数齿轮的工作齿廓 同样为基圆的渐开线。但由于粉末冶金少齿数齿轮并不像滚切少 齿数齿轮那样基于范成法，而是基于模具的成形法，因此它的齿 廓设计具有自身特点。 5粉末冶金少齿数齿轮的齿根过渡曲线 轮齿的齿根弯曲强度与齿根过渡曲线的形状及尺寸有关， 滚切少齿数齿轮的齿根过渡曲线取决于刀具齿顶形状，而粉末冶 金少齿数齿轮的齿根过渡曲线取决于模具型腔，因此可以较方便 的把它设计成有利于提高齿根弯曲强度的形式。 532粉末冶金少齿数齿轮的齿廓及齿向修形 在生产实际中，为了提高承载能力、延长使用寿命，提高传动 平稳性、降低噪声等目的，我们经常要对加工好的齿轮进行齿廓修 形和齿向修形。对于粉末冶金少齿数齿轮来说，可以在谢斗模具的 时候就把齿扇而节省成本和时间。 6结论 相比于滚齿，有粉末冶金法制造少齿数齿轮确实有诸多优 势。目前，粉末冶金齿轮在汽车、摩托车、家电等行业已有成功应 用，为粉末冶金少齿数齿轮的研究和应用提供了重要依据。 参考文献 1孙桓，陈作模，葛文杰机械原理(第七版)M北京：高等教育出版社， 2006 2王宁侠，王鸿，王乃信沙齿数渐开线圆柱齿轮机构的研究J机械科学 与技术，2000，19(6)：9419433 3