基于粉末冶金的少齿数齿轮传动研究.pdf

第 2期 2 0 1 1 年 2月 机 械 设 计 与 制 造 Ma c hi n e r y De s i g nMa n u f a c t ur e 1 2l 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 1 0 2 0 1 2 1 0 2 “卜 “ t优 i行 十m e 基 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 7 2 3 0 0 3 St u d y on f e w t e e t h g e a r t r an s mi s s i o n b a s e d o n p o wd er me t a l l u r g y LI Pe n g， W ANG Ba o rai n， GUO Hu i ， ZHANG Gu o h a i S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g o f S h a a n x i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， H a n z h o n g 7 2 3 0 0 3 ， C h i n a 【 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 【 Ab s t r a c t 】 T h e a t g r e s o f f e w t e e t h g e a r d r i v e a n d P o w d e r Me t a l l u r g y G e a r a r e b r i e fly d i s c u s s e d ． The t h o d o fd e s i g n a n d m a n u f a c t u r e W t e e t h g e a r b a s e d o n p o w d e r m e t a l l u r g y i s p r o p o s e d ． The d e s i g n o f f w i e e h g e a r ￡r a n s m is s 。 凡 b a s e d 。 n p o w d e r m e ta ll“ rgy s d is c u s s e d ．N e w id e n s p r o id e d f o r re s e a r c h a n d a p j ；p l i c a t i o n s o ft h e f e w t e e t h g e a r d r i v e ． j 十 K e y w o r d s F e w t e e t h g e a r t r a n s mi s s io n ； P o w d e r me t a ll u r g y G e a r ； T r a n s mi s s i o n d e s i g n 1 k。 ． ． 。 ． ． ． ． 。 ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ” ” ． ． ． - ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． “ ． ． ． ． ． ． ． ． ” ． ． ． ． ” ” ． ． ” ． ． ． ． ” 中图分类号 T H1 3 2 ． 4 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 2 ． 1 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 2 0 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 2 0 1 0 - 0 4 0 7 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 3 ． 1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I I I L 、 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 。 3 ． 3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。 3 ． 4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。 3 ． 5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 L 隙 ，浸油后具有 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 。 3 ． 6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 1 2 2 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 l 所示 ， 给 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 I 陪I 袭 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 。 S a ≤0 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 5 ． 1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[6 1 一 2 矗 一 2 c 2 x ， n 1 ， 式中 齿数； 一齿顶高系数 ； 一变位系数； m 模数。 可知 ， h 1 、 c-- 0 ． 2 5时 ， d r 一 2 ． 5 2 x m， 当 取较小 值 z 2 ～ 4 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 X的增大而减小，因此 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 - d o in v a - i n v a 2 式 中 z --齿数 ； 。 分度圆压力角 ； d ，， 一齿顶 圆直径 ； a一齿顶压a 力角。 当不考虑齿顶高变动 即齿顶高变动系数Ay O 时， 侧有 d m 3 o z 2 h a a O Z C C O S c O S 4 z 2h 。 联解式 2 、 3 、 4 通过数值解法可求得当 2 O 。 ， h 1 时， 5 及 S o O ． 2 5 m对应 的变位系数值 ， 如表 2 所示。在选取变位系 数时只要 x X s o 就能保证齿顶不变尖； 同样如果 就能保 证齿顶厚 5 0 ． 2 5 m。 表 2 o 2 0 。 ， h 1 时不同 S 下的系数值 宣 塾 0 ．0 0 5 5 0 ． 1 2 9 9 0 ． 2 3 5 9 0 ． 3 2 98 0 ．41 4 9 0 ．4 9 3 3 0 ．5 6 6 2 s B ‰ ⋯一0 ． 0 6 9 8 0 ． 1 4 48 0 ． 2 1 3 2 0 ． 2 7 6 5 0 ．3 3 5 7 5 ． 2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 fl 3 5 。 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。 5 ． 2 ． 1 总重合度 与螺旋 角 B的关 系 为 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 ， ， S a 及 的计算如下 t a n a 一 t a n a , 2 t a n ％ ,2 - t a n a t ] ／ 2 竹 5 式中 z 厂 两齿轮的齿数 ； 、 一两齿轮的齿顶圆压力角； 一 两齿轮端面啮合角。 e B s i 盯 j 6 式中 一齿宽 ； m 法面模数 。 5 ． 2 ． 2中心距 a与螺旋角 B的关系 有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 c o s f1 7 式中 z 、 一两齿轮的齿数； 法面模数。 5 ．3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 - 3 ． 1 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。 5 ． 3 ． 2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i 修形和齿向修形考虑进去， 从而节省成本和时间。 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 ， 2 0 0 6 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 ， 2 0 0 0， 1 9 6 9 4 1 ～ 9 4 3 3 3肖志瑜， 李元元．摩托车粉末冶金齿轮的研 制[ J ] ． 汽车工艺与材料 ， 1 9 9 9 2 2 7 2 8 4张国海 ， 王保 民， 蒋学全． 少齿数齿轮传动接触强度的研究[ J ] ． 机械设计 ， 2 0 0 4 ， 2 1 8 1 6 ～ 1 7 5 王保民， 张国海， 蒋学全． 少齿数齿轮传动精度设计及运动误差计算[ n 机械设计 ， 2 0 0 8 ， 2 5 3 4 4 4 5 6何宁， 蒋学全 ．少齿数渐开线圆柱齿轮加工[ J ] ． 重型机械 ， 1 9 9 2 4 5 3 ～ 5 4