技術(shù)資料
減速電機(jī)齒輪研究實(shí)驗(yàn)
減速電機(jī)的齒輪是減速電機(jī)中最重要的部件，如何提高齒輪的硬度增強(qiáng)耐磨性是減速機(jī)進(jìn)一步發(fā)展必須突破的，未來的減速機(jī)齒輪會(huì)比現(xiàn)在耐磨，擁有更長的使用壽命，且噪音也會(huì)很低。接下來看看關(guān)于齒輪設(shè)計(jì)的詳細(xì)介紹。
摩擦磨損試驗(yàn)在MS-800型試驗(yàn)機(jī)上測試Sn-Zn潤滑劑的摩擦磨損性能。取VG10號(hào)白油為對(duì)比潤滑劑，測試二者在100400N載荷下的摩擦系數(shù)和磨損量。每級(jí)載荷的試驗(yàn)時(shí)間為10min.齒輪傳動(dòng)的ANSYS仿真分析齒輪傳動(dòng)是一種線接觸傳動(dòng)，由于工作時(shí)受載荷作用會(huì)發(fā)生局部變形，使線接觸變?yōu)榫植康拿娼佑|，因此，應(yīng)對(duì)齒輪傳動(dòng)開展自修復(fù)試驗(yàn)研究。當(dāng)齒輪的輪齒在工作中發(fā)生齒面損傷時(shí)，利用潤滑劑中的修復(fù)劑微粒可在齒輪嚙合過程中動(dòng)態(tài)自修復(fù)，并使修復(fù)的齒面具有自適應(yīng)效應(yīng)。但修復(fù)后的齒面材料會(huì)發(fā)生變化，已不再是基體材料，故齒面的接觸應(yīng)力會(huì)發(fā)生改變。受限于試驗(yàn)條件和設(shè)備，本研究采用ANSYS軟件仿真分析齒輪表面的接觸應(yīng)力，并分兩種情況進(jìn)行對(duì)比：鋼/鋼齒輪副的齒面接觸應(yīng)力分析；修復(fù)后齒面的接觸應(yīng)力分析。
創(chuàng)建齒輪副實(shí)體模型由于標(biāo)準(zhǔn)直齒輪的齒廓曲線是漸開線，因此，建模的關(guān)鍵在于如何確定精確的漸開線。漸開線的極坐標(biāo)參數(shù)方程為rk=rb/cosk，k=invk=tank-k，（1）式中，rb為基圓半徑，rk為漸開線上k點(diǎn)的向徑，k為k點(diǎn)的壓力角，k為k點(diǎn)的展角。通過給定基圓半徑rb，應(yīng)用式（1），以k為變量，可畫出漸開線；再通過鏡像可得到一個(gè)完整的齒廓齒形；最后對(duì)齒形進(jìn)行拷貝或陣列即可生成研究需要的兩個(gè)齒輪。具體研究實(shí)例如下：減速電機(jī)直齒輪傳動(dòng)的小齒輪齒數(shù)z1=20，大齒輪齒數(shù)z2=40，模數(shù)m=3mm，轉(zhuǎn)矩T=100Nm.由于齒輪副在節(jié)點(diǎn)處的受載最大，故只分析節(jié)點(diǎn)處的接觸應(yīng)力情況。設(shè)載荷沿齒寬均勻分布，將其簡化為二維平面問題進(jìn)行分析。由于小齒輪的工作循環(huán)次數(shù)比大齒輪多，更容易發(fā)生疲勞點(diǎn)蝕，故設(shè)小齒輪的齒面受損處修復(fù)形成了Sn-Zn涂層，取涂層厚度為20m。
模型的網(wǎng)格劃分生成單元和節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)格劃分是實(shí)體建模的最終目的，其過程包括兩步：定義單元屬性；定義網(wǎng)格生成控制并生成網(wǎng)格。選用具有4個(gè)節(jié)點(diǎn)的solid182單元作為兩齒輪的實(shí)體單元，相對(duì)于三角形單元而言，具有更高的計(jì)算精度。大、小齒輪的材料均取45#鋼，彈性模量E=206.00GPa，泊松比=0.3.通過自由網(wǎng)格劃分命令使兩齒輪生成網(wǎng)格。為了得到更加精確的解，需要對(duì)輪齒嚙合區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)分。對(duì)于齒面有Sn-Zn涂層的小齒輪與大齒輪的嚙合模型，先用納米壓痕法測得涂層的材料屬性如下：涂層材料的彈性模量E1=44.88GPa，泊松比1=0.25。通過自由網(wǎng)格劃分命令使兩齒輪生成網(wǎng)格，再對(duì)嚙合區(qū)細(xì)化，得到齒面有Sn-Zn涂層的小齒輪/大齒輪副的有限元模型。首先，在大齒輪中心點(diǎn)建立局部柱坐標(biāo)系，約束大齒輪安裝孔表面上節(jié)點(diǎn)的所有自由度；然后，把當(dāng)前坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為柱坐標(biāo)系，約束小齒輪安裝孔表面上節(jié)點(diǎn)的徑向自由度，使其只能繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)；最后，在小齒輪安裝孔表面節(jié)點(diǎn)周向施加載荷Fy，即Fy=T/（Nr），（2）式中，T為轉(zhuǎn)矩；N為節(jié)點(diǎn)數(shù)，取N=40；r為安裝孔半徑，取r=15.0mm.
修復(fù)性能分析試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Sn-Zn潤滑劑在光滑的鋼試樣表面不形成涂層，而在劃痕的表面上形成了修復(fù)涂層，這說明該Sn-Zn自修復(fù)潤滑劑適用于鋼/鋼摩擦副的修復(fù)，并且修復(fù)劑的微粒對(duì)修復(fù)表面具有選擇性，即只對(duì)劃痕損傷處進(jìn)行填補(bǔ)和修復(fù)。摩擦修復(fù)機(jī)理是指在摩擦過程中，Sn，Zn軟金屬微粒在機(jī)械和摩擦化學(xué)等作用下向摩擦副轉(zhuǎn)移，在損傷的摩擦副表面形成轉(zhuǎn)移膜或保護(hù)層，使摩擦發(fā)生在轉(zhuǎn)移膜或保護(hù)層之間，從而實(shí)現(xiàn)磨損表面的自修復(fù)，其修復(fù)性能以及之后的摩擦磨損試驗(yàn)均表明，Sn和Zn具有良好的協(xié)同效應(yīng)。可以看出，在各級(jí)載荷下，白油和Sn-Zn潤滑劑的摩擦系數(shù)均隨載荷的增大而增大，其中白油潤滑時(shí)的摩擦系數(shù)較大。
當(dāng)載荷為400N時(shí)，試驗(yàn)的減速電機(jī)出現(xiàn)強(qiáng)烈振動(dòng)，試驗(yàn)中止。用Sn-Zn脂潤滑修復(fù)的試樣表面，摩擦系數(shù)相對(duì)較小，載荷增大時(shí)雖有上升，但增幅甚微，表現(xiàn)出較好的減摩性能。本工作研制的Sn-Zn自修復(fù)潤滑劑具有明顯的磨損自修復(fù)效應(yīng)，能在鋼/鋼摩擦過程中選擇性地修復(fù)受損表面并形成修復(fù)層。自修復(fù)Sn-Zn潤滑劑在100400N載荷條件下，對(duì)鋼/鋼摩擦副有良好的減摩、抗磨作用。
