机械制造中机械齿轮故障激励及特质研究

机械制造中机械齿轮故障激励及特质研究

芮立鑫

南京高精齿轮集团有限公司

摘要：随着我国经济的迅猛增长，机械制造行业也进入了高速发展时期，机械齿轮作为一种重要的机械零部件，由于其长期受到振动、冲击等力的作用，致使机械齿轮非常容易出现故障，一旦机械齿轮发生故障，势必会影响到整个机械设备的正常运转。因此，本文采用有限元分析法对机械制造中，机械齿轮的故障激励及其特质进行深入的研究，以期能够促进我国机械制造行业的发展，提高机械齿轮的制造质量，降低机械齿轮的故障发生几率。

关键词：机械制造；机械齿轮；故障激励

近些年来，我国机械制造行业的发展取得了令世人瞩目的成就，这很大程度得益于机械制造人员的工匠精神，秉承着精益求精、刻苦钻研的理念，不断突破机械制造中遇到的种种技术难题。机械齿轮是机械设备实现正常运转的重要零部件，相比于其他零部件，机械齿轮需要不断的进行啮合运动，在此过程中需要承受很大的振动与冲击力，这也使其受到的故障激励作用要远远高于其他零部件。为了分析机械齿轮所受到的故障激励作用及其相关特质，以便于更好提高机械齿轮的制造质量，本文构建机械齿轮的三维模型，并采用ANSYS有限元软件来对机械齿轮的内部动态激励作用形成机理进行分析，进一步分析了齿轮在出现裂纹情况下所产生的内部动态激励曲线。

一、机械齿轮的故障原因及其技术参数分析

近年来，各种先进的机械设备被应用于各个领域生产中，进而大大推动了这些领域的机械化水平，提高了工业生产效率。与此同时，机械设备故障也频繁发生，其中尤以机械齿轮故障最为常见，如齿轮变薄、断齿等。究其原因，还是在于齿轮在制造、使用、热处理及运行状态等多方面因素存在不同差异，导致机械齿轮的故障发生几率要远远高于其他机械零部件。为了深入探究机械齿轮所受到的故障激励作用及其特质，本文建立了相应的齿轮啮合模型，并通过有限元分析方法对齿轮的技术参数进行了相应的计算。齿轮的技术参数具体如下：齿轮模数为2，压力角为20度，中心距为13cm，齿轮传动比为75:55，齿宽为2cm，齿轮重合度为1.8。

二、机械制造中机械齿轮的故障激励及特质研究

（一）刚度激励及特质

结合对机械齿轮在啮合刚度上的相关定义，假设一对或多对机械齿轮中的轮齿在同时啮合状态下，其1mm的齿宽中存在一个1μm的变形荷载，如果将这些机械齿轮的啮合齿对数定义为m，将被动轮啮合齿变形定义为，将主动轮啮合齿变形定义为，则这些啮合齿之间所产生的接触力定义为，此时便可推导出轮齿所具有的啮合刚度计算公式，即。齿轮在副啮合时，是无法通过实测方法来测量轮齿变形的，尤其是机械齿轮在高速运转过程中，更是无法获得其变形量的。因此，需要通过SolidworksANSYSWorkbench有限元分析软件来对实体接触状

态下的齿轮副啮合进行分析，由此可以得到某个啮合位置下，并且载荷已知情况下被动齿与主动齿所产生的实际变形量，进而得出总变形量，便可计算出各对齿所具有的啮合刚度。求解如下：设定单齿啮合的角度为零，因为该齿轮的啮合周期是4.8度，所以在文中确定的周期为两个，并将步长设定为0.6度。然后通过SolidWorks的应用，沿着从动轮轴线对主动轮进行0.6度的旋转，也就是从动轮自行旋转0.6度，此时主动轮会因啮合也发生旋转，并在下一位置中啮合。通过ANSYS和SolidWorks之间所具有的交互功能，利用ANSYS对模型进行自动更新，以此获得下一位置啮合状态下的机械齿轮有限元模型，由此便可获得下一位置啮合状态下，齿轮所具有的法向变形及其法向作用力。不断重复以上流程，即可对主动轮在17个位置的啮合状态所具有的法向变形及法向作用力进行计算，从而获得17个啮合位置下机械齿轮所具有的啮合刚度。通过样条插样法可获得某个啮合周期中齿轮副所产生的啮合刚度曲线。

（二）误差激励及特质

误差曲线以及实测误差值能够用来反映机械齿轮在故障激励作用下所产生的偏差，其可通过基频傅立叶级数来进行表示，也可通过齿频简谐函数来进行表示。不同精度等级下，齿轮偏差的规定是有所不同的，因此可结合此点，采用齿距累计公差，并通过简谐函数表示法进行机械齿轮的误差模拟，简谐函数频率便是机械齿轮在啮合过程中所具有的频率，同时通过半正弦函数来对基节误差与齿形误差进行表示，在该公式中，机械齿轮的基节误差与齿形误差由c(t)表示，机械齿轮在故障激励作用下所产生的误差幅值及常值则分别由与表示。取，将时间由t表示，机械齿轮所具有的啮合周期定义为，则，主动轮齿数为55个，由z表示，主动轮的转速为1200转每分钟，由m表示，齿轮箱中的机械齿轮为五级精度，由此便可绘制机械齿轮在啮合过程中所产生的时变误差曲线。

（三）冲击激励及特质

通过内部动态激励计算，可以得出，机械齿轮中的齿形所产生的误差激励是

11.5μm，完好轮齿所受到的故障激励作用力为852N，其齿轮副在啮合区域中所受到的故障激励作用相比于有裂纹齿轮副的故障激励作用是极为接近的。机械齿轮在不断啮合的过程中，受到故障激励作用的影响，会使机械齿轮中轮齿的啮合点与理论啮入点发生偏离，进而导致齿轮误差及变形量的产生，从而造成轮齿所受到的啮入冲击力与冲击速度过大。机械齿轮在此状态下继续转动，其啮合点的位置会与理论的啮合点不断接近，此时所产生的啮合冲击力也会随之下降，当实际啮合点位置与理论啮合点位置完全重合时，机械齿轮所受到的啮合冲击力为零，这时其所受到的故障激励作用也为零。当一对轮齿在啮合完成后退出啮合状态时，同样会受到啮出冲击的影响，由此可见啮合冲击所产生的故障激励作用是由两种冲击激励共同形成的。啮合冲击实质上属于一种载荷激励。通过有限元分析法对机械齿轮的三维动力模型进行数值分析，可以确定机械齿轮在啮合及退出啮合时所受到的故障激励作用。由此可见，存在裂纹的轮齿相比于正常轮齿，其所受到的故障激励作用要小的多，而存在深裂纹的轮齿对故障激励作用的影响则要远远高于浅裂纹轮齿对故障激励作用的影响。

结语

随着我国机械制造行业的发展，机械齿轮故障已经成为机械设备运行中的常见故障，对机械齿轮的故障激励及其特质进行研究，有助于帮助机械制造人员更好的了解故障激励作用的形成机理，从而能够更好的避免因故障激励作用，导致机械齿轮受到较大的振动与冲击，有助于降低机械齿轮的故障发生几率，提高机械齿轮的制造质量。

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