诹议建立 [齿轮几何强度设计学] 理论
河海大学常州校区 胡瑞生 2008.11.11
我国 GB/T19406-2003《漸开线直齿和斜齿圆柱齿轮承载能力计算方法》工业标准,等同采用[ISO 9085:2002 国际齿轮标准] 。ISO-9085标准理论体系庞大复杂, 长达九万文字,我国执行有相当难度, 贯彻标准本身也存有不少疑难悬案,著者曾从工程设计及校核计算实践的角度, 发表过[发掘ISO-9085齿轮强度标准孕藏的机理] 等论文, 今在此提出如下拙见再度简议此事。ISO《标准》在文本第1页声明 " …… 本标准提供一种不同齿轮设计的对比方法, 其目的不在于确保装配后传动齿轮系统的性能, 也不是针对一般工程界使用, 而是为有经验的齿轮设计人员所使用, 他基于类似设计的知识与 对所讨论的章节影响的了解,为公式中系数选择合理的数值。"《标准》的开头语,是以西方思维方式表达的专业术语,与我国传统文化思维习惯有距离,普通工程人员不易看懂其实质意思？不确保传动系统性能的齿轮标准宗旨是什么? 大中专工科院校如何教授齿轮设计理论 ? 缺乏经验的齿轮设计人员如何掌握贯彻标准 ? 著者体会其文字实质包括的含义是 泛指设计制造齿轮有多项指标 :
[a]. 完成动力传递功能,使齿轮在规定寿命期内 安全可靠地承载额定功率 ;
[b]. 使齿轮减速或增速,完成速度转换功能, 连续平稳运转 ;
[c]. 提高齿轮工艺性能,避免切削加工干涉 ;[d]. 提高齿轮运转啮合性能,避免啮合干涉, ;
[d]. 合理使用齿轮材质,降低成本与能源消耗;[e]. 包容齿轮于有润滑的封闭装置内, 使温升正常;而ISO齿轮标准,只指导有经验的设计人员,为 [A] 项指标选择合理系数, 而不管辖齿轮设计制造其余目标,但设计人员却必需兼顾其他各项指标, 否则齿轮必然成为废品.次品！
为此著者提出建立 [齿轮几何强度设计学] 理论---为简洁行文以下节称为[设计学], 统筹兼顾其他各项指标。此[设计学] 应该有一个概括所有几何参数与强度参数的统一公式, 以便用数学分析法统一处理各项参数的相互关系 ; 尤其应将ISO标准中 抗弯曲与 抗剪切应力疲劳破坏两套各自独立的计算系统, 统一为一个整体！此[设计学]概述可包括 [齿轮几何设计] 及 [齿轮强度设计] 两大部份, 着重研究设计计算实用问题, 不牵涉更多理论问题。为节省篇幅, 此[设计学]可直接引用各项经典公式, 只作使用说明, 而不作推导证明。
此[设计学]应附带大量设计计算实例; 力戒常规设计手册洋洋近千页厚本,唯独缺少计算实例之大忌, 这好比中国电视剧常拖长到20集40集的例子相仿, 工程实践中最迫切需要的是典型设计案例, 因为近代齿轮涉及近千公式, 编手册凑几百页篇幅容易, 但要拿出设计案例 , 这就考验撰稿人真实水平了。 坦率说在齿轮设计领域,国内最优秀的手册是[机修手册].[齿轮手册], 估计著者大多来自齿轮工业界, 他们拥有丰富的制造齿轮实践经验, 与学院型人材不同。
此[设计学]的内容应全部编成软件程序, 用电脑计算实例,讲设计理论。 [齿轮几何设计学] 应建立在 [强度计算] 的基础上, 工程界不需要不传递动力的齿轮,所以离开强度谈齿轮几何计算之理论, 是片面.局部的知识,离开强度谈齿轮几何参数的取舍定夺没有价值。
此[设计学]应建立在 [几何优化设计] 的基础上, 工程界不应为片面提高承载能力而降低齿轮运转啮合性能 。此[设计学]目标是在[几何优化设计]的基础上, 求齿轮经济承载能力。
齿轮产品设计应以 [A`. u.] 参数为前提, 在[几何优化设计]的基础上, 用合理的材质, 审定齿轮最合适的经济承载能力。如能力不满足要求, 则另挑选 [A`] 规格, 而决不要走相反之路！相反之是指: 单纯满足产品要求, 先决定 [Kw. u] [A`] [M ] , 不优化协调齿轮[A` M Z1 Z2 ΣX α` αt β ha ] 几何关系, [A` M Z1 Z2 ΣX α` αt β ha ] 中任一参数处理不当, 都将影响齿轮整体性能。 只应在优化齿轮几何参数的基础上, 合理升降齿宽与材质性能, 满足 [Kw] 要求 。
过去有人为图简化, 经常设计[非变位齿轮] 或[高度变位齿轮], 不主张设计[角变位齿轮]-即[β≥ 0] [ΣXn≥ 0] 齿轮 , 但[角变位齿轮]对优化改善啮合性能与 [系列产品设计]起重大作用, 使用电脑软件, 就不怕计算繁琐及反复迭代优化过程了！
【1】. 根据 [齿轮几何强度设计学] 齿轮产品设计任务:
己知中心距 [A` Kw .u ] , 研究 如何优化几何参数 [ M Z1 ΣXn X1 α` αt β ξ] ? 如何计算齿轮最大承载能力 ? 如何选用安全系数与材质 ?
【2】. 优化几何参数指标 :
[a]. 避免齿轮加工时的 各项切削干涉 ;
[b]. 避免齿轮运转时的 各项啮合干涉 ;
[c]. 齿轮传动运转平稳 , 使 2.00 ≤ [ξ] ≤ 3.00 or 4.00 ;
只能在滿足上述指标的条件下, 才着手解决承载能力问题, 并据此调整几何参数, 重新从头开始作几何计算与干涉检验,遇到特殊场合,例如速比大于5.0或小于1.4者, 这种迭代优化运算, 有时要进行几次, 工作量很大,故设计者单纯依靠人脑手工操作, 已无法适应近代齿轮工业生产节奏的要求。
受篇幅限止, 详情请参阅 [贯彻ISO 9085:2002齿轮标准的[Q]因子方法 ] 等专题文章。
河海大学常州分校 胡瑞生 [退休] 2008.11.28
213017 江苏常州北环新村 56- 乙-202TL : 0519-5318057(end)
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