塑料线齿轮的啮合效率和磨损研究

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齿轮是制造业中重要的基础零部件。随着制造业向“高端化”和“绿色化”的方向转型升级,啮合效率高、磨损率低、使用寿命长的齿轮产品需求在日益增加,因此,高性能新型齿轮传动的研究变得重要。同时,伴随着移动通信、汽车电装和智能家居等行业兴起的趋势,塑料齿轮产品的需求也在不断增加,因此,塑料齿轮传动的研究也非常重要。线齿轮是基于空间共轭曲线啮合理论而发明的新型齿轮机构,其通过一对主、从动接触线连续的点接触啮合来实现传动。通过接触线参数的选取,可使线齿轮副实现纯滚动传动,在干摩擦工况下具有啮合效率高和磨损率低的优点。目前,在线齿轮的设计理论和加工技术方面已经开展了大量研究工作,但至今未有涉及塑料线齿轮传动性能的研究。本论文从线齿轮的设计理论出发,针对低速、轻载和干摩擦的工况条件,进行了塑料线齿轮的啮合效率和磨损研究,主要的研究内容如下:(1)研究了考虑装配误差的线齿轮副滑动率。对比了不同轴交角对线齿轮副滑动率的影响;以平行轴线齿轮副为对象,给出了线齿轮副装配误差的定义,推导了含装配误差的齿面方程和齿面法向量方程;利用齿面接触分析方法,求解了考虑装配误差的啮合位置、接触线和滑动率;在此基础上,研究了装配误差对平行轴线齿轮副滑动率的影响。(2)研究了塑料线齿轮齿面接触应力和接触变形。进行了线齿轮的齿面受力分析;基于线齿轮副的点接触啮合模型,考虑了装配误差和塑料的粘弹性,利用影响系数法求解了塑料线齿轮的齿面接触应力和接触变形;在此基础上,以聚甲醛平行轴线齿轮副为对象,研究了装配误差对塑料线齿轮副传动过程中的齿面法向力和齿面最大接触应力的影响。(3)以聚甲醛平行轴线齿轮副为对象,开展了塑料线齿轮副摩擦系数和啮合效率的研究,建立了干摩擦条件下塑料线齿轮副摩擦系数和啮合效率的计算方法。在UMT Tribo Lab摩擦磨损试验机上开展了聚甲醛材料的球盘摩擦试验,由聚甲醛摩擦系数试验数据,拟合得到了聚甲醛线齿轮副摩擦系数的计算公式;基于线齿轮副的啮合传动模型,计算了考虑装配误差、塑料粘弹性和接触变形的齿面相对滑动速度,并应用聚甲醛线齿轮副摩擦系数计算公式,进一步计算了聚甲醛平行轴线齿轮副的啮合效率;搭建了齿轮传动试验台,开展了聚甲醛平行轴线齿轮副的啮合效率试验,对比了啮合效率的计算结果和试验结果,验证了塑料线齿轮副摩擦系数和啮合效率计算方法的可行性。(4)研究了塑料线齿轮副齿面磨损,建立了干摩擦条件下塑料线齿轮副齿面磨损的计算方法。以聚甲醛平行轴线齿轮副为对象,计算了考虑装配误差、塑料粘弹性和接触变形的齿面相对滑动距离,并利用Archard磨损公式,计算了齿面磨损深度和磨损区域的宽度;在自制的齿轮传动试验台上开展了聚甲醛平行轴线齿轮副的磨损试验,对比了齿面磨损区域宽度的计算结果和试验测量结果,验证了塑料线齿轮副齿面磨损计算方法的可行性。(5)开展了塑料线齿轮的应用研究。完成了聚甲醛线齿轮试件的铣削加工和平行轴线齿轮箱的装配;开展了聚甲醛平行轴线齿轮副和聚甲醛渐开线直齿轮副的啮合效率和齿面磨损的对比试验;针对基站天线远程控制单元传动系的应用场景,给出了一种基于塑料线齿轮副的基站天线远程控制单元传动系的设计方案。
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