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    1. 齒輪技術
      齒輪的疲勞強度和使用壽命計算

      發布時間:2021.03.23 09:37  瀏覽次數:  作者:

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      錐齒輪的設計已完善建立。齒形優化在全球范圍內被廣泛使用,以確保滿意的低噪排放以及齒面和彎曲應力達到需要的數量。

       

      但是齒輪的使用壽命如何計算呢?Klingelnberg(克林貝格)在大家熟悉的KIMoS(Klingelnberg Integrated Manufacturing of Spiral Bevel Gears)軟件包增加了一個模塊,基于使用壽命計算中的新研發工作來計算錐齒輪和準雙曲面齒輪的使用壽命。



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      圖1:自動的錐齒輪檢測臺


      錐齒輪的設計是相當復雜的工作。與圓柱齒輪不同,錐齒輪總是成對設計。設計工程師必須要考慮很多相互矛盾的目標,包括最小的尺寸,最大的承載能力,減少噪音,以及工廠制造的建議性。



      但是經常會忽略一個方面:齒輪的疲勞強度如何?


      如果齒輪的最大載荷沒有超過材料的承載極限,載荷消失之后,齒形復原。在幾百次使用的情況下,這種假設可以成立。但是我們討論的是幾百萬次的使用,損傷將會在遠低于材料承載極限的受載狀況下出現。這就是熟知的疲勞。



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      圖2:無齒面修形的失配圖


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      圖3:有齒面修形的失配圖


      疲勞強度測試-OEM制造商和一級齒輪供應商的核心競爭力-通過耗時的傳動測試完成的。這些測試是基于經驗確定的載荷譜,其產生的傷害與實際工作條件下產生的傷害相同。奧利康TS30錐齒輪測試臺就是其中一種用于這種耐久測試的機床。



      如果錐齒輪的使用壽命可以直接計算,而不用對每個設計進行昂貴且費時的測試會怎么樣??


      Klingelnberg(克林貝格)新版的KIMoS,實現了在確定的工況下計算錐齒輪的使用壽命的功能,并且同時適用于滾齒和銑齒的齒輪。


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      圖 4:在無齒面修形的情況下的載荷譜和維勒曲線

       

      為了計算錐齒輪的疲勞強度,三個基本要素必須要知道:齒輪的精確形狀,材料特性,以及齒輪副的工作條件。KIMoS把所有這些要素都考慮在內。疲勞強度是用邁納爾法則進行計算的,基于線性累積損傷假設。


      通過結合載荷譜,齒面上的載荷集中度,以及齒根的彎曲應力和材料的周期性應力-應變特性。如果能獲得總的點蝕和斷裂的累積損傷,KIMoS就可以計算錐齒輪副的使用壽命。


      為了形成相當有限數量的載荷狀態的載荷譜,必須使用一種計數方法來計算承載次數。如果真實的載荷包含很多不同的載荷循環,例如,雨水計數法可用來統計這些周期性的事件,這使得我們可能將實際工作條件下的相當減少數量的載荷循環轉化為載荷譜。



      未來,齒輪的使用壽命計算會取代耐久性測試嗎?


      答案很明確:不會。但是計算疲勞強度可以對不同設計進行非常有效的比較。當耐久測試數據存在時,我們可以比較準確的對齒輪副的期望的使用壽命進行估算。


      那就是為什么KIMoS提供給齒輪設計工程師這種功能,使得工程師做出的設計不僅僅符合形狀和噪音排放要求,也同時考慮疲勞壽命。


      下面的實例顯示相同尺寸數據的兩個設計,但是一個帶齒形修形如圖2,一個不帶齒形修形如圖3。齒輪數據如下:齒數Z=13/38, 大輪外節圓直徑250mm,偏置量20mm。


      這個例子顯示了齒形修形的潛力。左邊的設計,齒輪的使用壽命大概在14000小時,主要是小輪齒根應力的限制。右邊的設計,齒輪的使用壽命大概是34000小時,但是,這里,也是計算得到的疲勞的原因是小輪齒根斷裂。


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      圖 5:有齒面修形的情況下的載荷譜和維勒曲線


      KIMoS不僅能讓設計工程師優化齒輪副噪音特性和承載能力,而且能對具體載荷的使用壽命進行優化。這為輕型設計的新潛力鋪平了道路,并實現了更高效,更堅固的齒輪設計。



      簡要回顧

      · 任何類型的鋼材都會在承受一定數量的表面和彎曲應力的載荷循環后而屈服。取決于載荷譜的各個相對獨立情況,可根據邁爾納累積損傷假說理論計算總損傷。

      · 因為有其特定位移,一種局部的方法用來計算作用齒面的每個位置。這種方法考慮錐齒輪和準雙曲面齒輪副的單個位移特性。

      · 采用材料特性和真實的輪齒形狀作為基礎,保證了最準確的使用壽命計算。



      大昌華嘉齒輪應用技術總監朱志剛編譯

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