用齿轮分析软件的接触分析功能对齿轮修形的优化设计

钱瑞　邓伟

摘要：借助齿轮分析软件完成齿轮的修形，通过接触分析功能比较修形前后齿轮强度、法向力以及接触应力的变化来判断修行的好坏，不需要大量的接触斑点实验，就可模拟出这一实验过程，有效的节省成本并缩短设计周期。

关键词：齿轮分析软件；齿轮修形；接触分析

引言

齿轮作为传动系统的重要部件，在传动过程中齿轮的振动噪音过大是发生异响的主要来源，经过长期的研究发现产生这种问题的原因并不是齿轮参数设计的不合理，而是由于齿面接触状况不理想导致。实际工作中，齿轮会因自身等变形以及其他零部件加工制造误差而出现错位，导致齿轮的接触状况不再理想，从而出现偏载和传递误差过大，从而造成齿轮承载能力下降，产生噪声。为了改善接触状况和提高齿轮传动平稳性必须对齿轮进行修形，优化齿面接触状况，使接触斑点达到最优。

1.修形原理

1.1齿廓修形

一对啮合的齿轮在啮合的过程中载荷的分布有明显的突变现象，相应地，齿轮的弹性变形也随之改变。由于轮齿的弹性变形及制造误差，标准的渐开线齿轮在啮入和啮出时产生啮合冲击。齿廓修形的目的就是将一对相啮合的齿轮发生冲击的齿面部分适当的削去一部分，使啮合刚度变的缓和，减小啮合冲击。因此齿廓修形就是将原来的渐开线齿廓在齿顶或接近齿根圆角的部分修去一部分。

1.2 齿向修形

齿向修形就是根据齿轮受力后产生的变形，将轮齿齿面螺旋线按预定的变形规律进行修整，获得均匀的齿向载荷分布。因此齿向修形就是在齿宽方向修去一部分。

2.修形方式

2.1 齿廓修形

根据设备情况，常采用折线方式修形，线性修改齿轮横截面的顶部与根部，除去理论渐开顶部和根部干涉的部分，使齿轮单双齿负载平稳过渡。如图1：

图1 图2

2.2 齿向修形

根据设备情况，常采用齿向梯形修形，即在齿向两端线性移除材料。如图2。

3.参数优化实例分析

现有工业齿轮箱的一对齿轮副，模数=2.5、小轮齿数=22、大轮齿数=41、齿宽40、中心距a=80、小齿轮变位系数x=0.3586，小轮驱动，驱动电机30Kw，转速1450rpm，在不考虑机构支撑与安装误差的情况下，对齿轮进行修形，以降低噪音。注：材料20CrMnMo，润滑油ISO-VG220。

使用齿轮分析软件对上述参数进行分析，接触分析结果如下：

3.1修形前啮合接触应力（见图3），修形前啮合法向力（见图4），修形后啮合接触应力（见图5），修形后啮合法向力（见图6）。

图3 图4

图5 图6

3.2修行前强度结果

小齿轮：计算弯曲强度安全系数为2.55，计算接触强度安全系数1.12；

大齿轮：计算弯曲强度安全系数为2.85，计算接触强度安全系数1.15。

3.3修行后强度结果

小齿轮：计算弯曲强度安全系数为2.67，计算接触强度安全系数1.25；

大齿轮：计算弯曲强度安全系数为2.98，计算接触强度安全系数1.28。

通过对修形前和修形后齿轮啮合的接触应力与啮合法向力对比，我们发现齿轮齿形修形，可以使接触应力、法向力过渡平滑，有利于减小噪音，对于直齿轮效果尤为明显。修形后的齿轮载荷分布均匀，没有明显的突变，减少了由齿轮受载变形和制造误差引起的啮合冲击，改善了齿面的润滑状态并获得较为均匀的载荷分布，有效提高了齿轮的啮合性能和承载能力。

4.总结

以对工业齿轮箱一对齿轮副参数优化设计主要过程为例， 成功使用齿轮分析软件对齿轮进行齿轮修行优化设计，优化设计的结果表明： 通过齿轮分析软件的使用， 从设计的角度能较大的改善齿轮的强度与其他性能指标，不需要大量的接触斑点实验来验证修形的好坏，缩短设计周期。

参考文献：

[1]朱孝录.齿轮传动设计手册（第二版）.北京：化学工业出版社，2010.

[2]成大先.机械设计手册（第五版）.北京：化学工业出版社，2008.