一种并联齿轮结构及其设计方法技术

一种并联齿轮结构及其设计方法，属于传动齿轮类。针对目前传动齿轮经常出现的疲劳断裂问题，本发明专利技术公开了一种并联齿轮结构及其设计方法。该并联齿轮由若干个大小相同的子齿轮结构，彼此通过摩擦焊接连接在一起，组成一体的并联齿轮结构。当并联齿轮工作时，某子齿轮上出现疲劳裂纹并逐渐扩展到造成轮齿断裂的程度时，由于子齿轮之间通过焊接连接在一起，故金属微观晶格结构在焊接处并不连续，使得裂纹无法进一步扩展。但是，子齿轮轮齿上的大裂纹会使其传动的动态特征发生明显改变，通过目前先进的设备状态监测仪器，可以轻易地发现并联齿轮运行状态的变化。因此，能够及时安排设备维修，避免重大事故的发生。避免重大事故的发生。避免重大事故的发生。

【技术实现步骤摘要】
一种并联齿轮结构及其设计方法


[0001]本专利技术涉及一种并联齿轮结构，特别涉及一种利用摩擦焊接使子齿轮彼此固定连接的并联齿轮，属于传动齿轮


技术介绍

[0002]近年来，随着我国社会经济的快速发展，机械制造水平已经有了质的提升。单就制造业产值来看，我国早已是世界制造大国，但是我们距离制造强国仍有差距。国家就已将机械设备的安全性和可靠性列入到了重点发展的方向。然而，长期以来疲劳断裂依然是影响机械设备安全性和可靠性的最大隐患之一。曾有研究表明，军用飞机发动机构件的主要失效原因，是高周疲劳失效，占发动机构件失效的49％。此外，国外相关部门统计，民用领域50％～90％的机械零部件破坏也为疲劳破坏。2014年一汽大众速腾汽车的断轴事件， 2021年云南航空救援直升机尾浆操纵杆意外断裂事故，以及目前国内外的很多重大安全生产事故，很多是由于疲劳原因造成的。
[0003]众所周知，机械结构零件在疲劳裂纹产生的初期，其存在一般很难被发现，一旦裂纹达到一定程度，疲劳断裂就会瞬间发生，造成严重后果。因此，针对疲劳断裂失效，开发设计具有抗疲劳功能的并联齿轮结构，不仅可以提高一般机械产品可靠性和使用寿命，而且尤其对于航空、航天等尖端工业部门具有十分重要的意义

技术实现思路

[0004]本专利技术目的在于通过采用摩擦焊接技术，连接多个在理论上能够独立完成工作的子齿轮结构，从而提出一种具有抗疲劳功能的并联齿轮结构及其设计方法，解决目前高速、重载工况下齿轮发生裂纹不易察觉，断裂失效问题凸出，造成后果严重等问题。
[0005]本专利技术的技术方案是：
[0006]具有抗疲劳功能的并联齿轮结构组成：
[0007]本专利技术的并联齿轮结构由若干个结构完全相同、齿轮参数完全一致的子齿轮组成，每两个相邻的子齿轮之间都存在摩擦焊接形成的连接层，并且摩擦焊接形成的连接层的焊接性能参数完全一致。
[0008]当并联齿轮工作时，由于材料缺陷、高周应力等因素作用，某子齿轮上出现疲劳裂纹并逐渐扩大到造成轮齿断裂的程度时，由于子齿轮之间是通过摩擦焊接连接在一起，金属微观晶格结构在焊接处并不连续，故其后果仅是造成了某子齿轮轮齿的断裂，而非整个并联齿轮的轮齿断裂。因此，无论是空中飞行的飞机，还是高危环境下运行的核心设备，其并联齿轮依然可以正常工作。但是，子齿轮上的裂纹会使齿轮传动的动态特性发生明显的改变，通过目前先进的状态监测仪器可以轻易地发现并联齿轮运行状态的变化，而且及时计划停机，安排设备维修，避免重大事故的发生。
[0009]与该并联齿轮相关的设计方法：
[0010]a、根据常规齿轮设计方法，设计齿轮的模数m、齿数z和齿宽B等参数；
[0011]b、查阅手册确定载荷系数K、齿形系数Y
Fa
、应力修正系数Y
Sa
和重合度系数Y
ε
，考虑到实际工作中齿轮承受的扭矩T随机变化，将扭矩T视作服从正态分布的随机变量，计算齿根弯曲疲劳应力σ
F
(T)，这里
[0012]c、查阅手册确定弯曲疲劳强度的最小安全系数S
Fmin
、修正系数Y
ST
、寿命系数Y
N
和尺寸系数Y
X
，考虑到受材料强度变化的影响，齿根弯曲疲劳极限σ
Flim
会随机变化，将σ
Flim
视作服从正态分布的随机变量，计算齿根弯曲疲劳许用应力这里
[0013]d、列出齿轮弯曲疲劳状态方程根据蒙特卡罗法计算齿轮弯曲疲劳可靠度R
F
＝P{g
F
(T,σ
Flim
)＞0}，并将其作为由n个子齿轮构成的并联齿轮中任一子齿轮的可靠度，即R
Fi
＝R
F
(这里，i＝1,2,
…
,n)；
[0014]e、根据并联系统可靠性理论，计算并联齿轮的弯曲疲劳可靠度同时，在批量生产情况下，齿轮的制造费用近似表示为
[0015]f、采用可靠性优化设计方法，确定并联齿轮的子齿轮个数n；
[0016]步骤1、要求并联齿轮的制造费用最小，建立目标函数：
[0017]步骤2、要求并联齿轮的弯曲疲劳可靠度大于等于0.99，且子齿轮个数大于等于2，建立约束条件：R
FB
‑
0.99≥0，n
‑
2≥0；
[0018]步骤3、优化求解并联齿轮的子齿轮个数n。
[0019]与该并联齿轮相关的制造工艺方法：
[0020]a、根据上述并联齿轮的设计参数，如模数m、齿数z、齿宽B和子齿轮个数n等，以及查阅手册确定的齿轮材料，对子齿轮进行备料(这里，子齿轮胚料的宽度)；
[0021]b、采用摩擦焊接方式，将n块子齿轮胚料沿轴线方向依次彼此焊接为一整块并联齿轮胚料；
[0022]c、将并联齿轮胚料放置在户外进行时效处理，时效时间大于30天；
[0023]d、根据并联齿轮的设计参数，如模数m、齿数z和齿宽B等，采用滚齿加工的方法，将并联齿轮胚料加工制造为满足要求的并联齿轮。
[0024]本专利技术的有益效果在于：
[0025]1、采用并联齿轮结构，有利于提高相关机械设备工作的可靠性。当并联齿轮工作时，由于材料缺陷、高周应力等因素作用，某子齿轮上出现疲劳裂纹并逐渐扩大到造成轮齿断裂的程度时，由于子齿轮之间是通过摩擦焊接连接在一起，金属微观晶格结构在焊接处并不连续，故其后果仅是造成了某子齿轮轮齿的断裂，而非整个并联齿轮的轮齿断裂。因此，无论是空中飞行的飞机，还是高危环境下运行的核心设备，其并联齿轮依然可以正常工作。也就是说，只有当数个子齿轮结构可能发生的断裂失效模式同时出现时，并联齿轮才会
失效。因此，从理论上来看并联结构相比普通齿轮结构具有更高的可靠性。
[0026]2、采用并联齿轮结构，有利于对发生故障隐患的设备进行及时维护。在工程实际中，当子齿轮结构发生疲劳断裂失效后，虽然整个并联齿轮依然能够继续工作，但是其动态特性将发生明显改变。通过目前先进的状态监测仪器可以比较轻易地发现并联齿轮运行状态的变化，能够及时计划停机，安排设备维修，避免重大事故的发生。
附图说明：
[0027]图1为本专利技术并联齿轮结构原理示意图。
具体实施方式：
[0028]如附图1所示，为本专利技术的并联齿轮结构原理示意图，由图中可以看出，并联齿轮结构由若干个子齿轮(1)、子齿轮(3)、子齿轮(5)和子齿轮(7)组成；其中，每两个相邻的子齿轮之间都存在摩擦焊接形成的连接层(2)、连接层(4)和连接层(6)；其中，子齿轮(1)、子齿轮(3)、子齿轮(5)和子齿轮(7)的结构完全相同，齿轮参数完全一致，摩擦焊接形成的连接层(2)、连接层(4)和连接层(6)的焊接性能参数完全一致。
[0029]与该并联齿轮相关的设计方法：
[0030]a、根据常规齿轮设计方法，设计齿轮的模数本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种并联齿轮，其特征在于：其并联齿轮结构由若干个子齿轮(1)、子齿轮(3)、子齿轮(5)和子齿轮(7)组成；其中，每两个相邻的子齿轮之间都存在摩擦焊接形成的连接层(2)、连接层(4)和连接层(6)；其中，子齿轮(1)、子齿轮(3)、子齿轮(5)和子齿轮(7)的结构完全相同，齿轮参数完全一致，摩擦焊接形成的连接层(2)、连接层(4)和连接层(6)的焊接性能参数完全一致。2.一种根据权利要求1所述的并联齿轮的设计方法，其特征在于：并联齿轮的设计方法包括：a、根据常规齿轮设计方法，设计齿轮的模数m、齿数z和齿宽B等参数；b、查阅手册确定载荷系数K、齿形系数Y
Fa
、应力修正系数Y
Sa
和重合度系数Y
ε
，考虑到实际工作中齿轮承受的扭矩T随机变化，将扭矩T视作服从正态分布的随机变量，按照下式计算齿根弯曲疲劳应力σ
F
(T)：c、查阅手册确定弯曲疲劳强度的最小安全系数S
Fmin
、修正系数Y
ST
、寿命系数Y
N
和尺寸系数Y
X
，考虑到受材料强度变...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈鹏霏，潘强，贺宇新，
申请(专利权)人：长春工业大学，
类型：发明
国别省市：