一種蜣螂表面結(jié)構(gòu)仿生齒輪的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種蜣螂表面結(jié)構(gòu)仿生齒輪，包括齒輪體，所述齒輪體上設(shè)有外齒牙和外齒槽，所述外齒牙與外齒槽相間隔，其特征在于：所述的外齒牙的表面上設(shè)置有不止一個(gè)球缺體。本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，能有效提高齒輪的抗疲勞力和較少齒輪的摩擦力。
【專利說(shuō)明】一種蜣螂表面結(jié)構(gòu)仿生齒輪
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于機(jī)械動(dòng)力傳輸領(lǐng)域，尤其涉及一種模仿蜣螂表面結(jié)構(gòu)的仿生齒輪。
[0002]
【背景技術(shù)】
[0003]齒輪傳動(dòng)是機(jī)械行業(yè)中最重要的傳動(dòng)方式之一，它具有速比范圍大、功率范圍廣、結(jié)構(gòu)緊湊可靠等一系列優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在航空、航天、交通、機(jī)械制造等各個(gè)工業(yè)部門。
[0004]齒輪嚙合傳動(dòng)時(shí)，由于嚙合面上存在相對(duì)滑動(dòng)，因此必將產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦力。相對(duì)滑動(dòng)速度在節(jié)點(diǎn)突然換向時(shí)，摩擦力的方向也突然改變，摩擦力大小和方向的改變導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生了脈沖力，即“節(jié)點(diǎn)脈動(dòng)”其大小和持續(xù)時(shí)間與齒輪嚙合時(shí)的傳動(dòng)力、齒輪間的摩擦系數(shù)和相對(duì)滑動(dòng)速度成正比。而且隨著齒輪在受力嚙合過(guò)程中，總會(huì)產(chǎn)生一定程度的彈性變形，隨著嚙合過(guò)程的變化和載荷的減小，這種變形就要恢復(fù)，從而會(huì)給齒輪體一個(gè)切向加速度，形成“嚙合沖擊力”。這種激振力將引起齒輪的周向振動(dòng)、徑向振動(dòng)和軸向振動(dòng)，從而加速齒輪的疲勞和磨損破壞。[0005]齒輪在嚙合傳動(dòng)時(shí)承受周期性的沖擊力、彎曲應(yīng)力、接觸應(yīng)力和強(qiáng)烈的摩擦力等多種綜合作用力，因此其疲勞損傷和摩擦磨損形式多樣，一般比較常見(jiàn)的失效形式為:齒輪折斷和工作齒面磨損、點(diǎn)蝕、膠合、及塑性變形。
[0006]根據(jù)齒輪的失效形式得出齒輪的計(jì)算準(zhǔn)則為:閉式傳動(dòng)的齒輪主要失效形式是接觸疲勞強(qiáng)度、彎曲疲勞強(qiáng)度和膠合，目前，一般只進(jìn)行接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度的計(jì)
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[0007]為了提高齒輪的使用壽命，提高傳動(dòng)效率，必須最大限度地降低齒輪的疲勞和磨損，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者和工程技術(shù)人員在該方面提出了應(yīng)對(duì)方法，并取得了一定的效果。具體有以下幾種方法:
(O改變材質(zhì)的方法
這是一個(gè)比較直接有效的方法，通過(guò)使用具有良好性能的材料來(lái)代替以前使用的材料，來(lái)提高齒輪的使用壽命、降低成本。目前，德國(guó)的材料科學(xué)研究所(MT)、中國(guó)石化巴陵石化公司合成橡膠事業(yè)部、西安科技學(xué)院機(jī)械系、一汽技術(shù)中心等單位正在從事這方面的研究，并得到了一些成果，為進(jìn)一步選擇齒輪材料奠定了基礎(chǔ)；
(2)采用表面涂層的方法
由于材料的性能主要取決于高耐磨性的表面及其高韌性的芯部，因此許多學(xué)者提出了一種直接在材料表面加涂層的方法來(lái)增加零部件表面的耐磨性，以此來(lái)提高齒輪的實(shí)用壽命。重慶大學(xué)的機(jī)械學(xué)院采用磁過(guò)濾源沉積的方法，在20CrMo制造的圓柱齒輪表面制備薄膜，并在齒輪傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明該方法對(duì)齒輪的抗疲勞特性有一定的效果。
[0008](3)采用表面熱處理技術(shù)
熱處理技術(shù)是比較傳統(tǒng)的方法，齒輪材料的熱處理是發(fā)揮材料特性并改善其表面性能不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)，正確、恰當(dāng)?shù)臒崽幚砜筛纳讫X輪的表面特性，如耐磨性、抗疲勞特性、耐腐蝕性、抗粘著性及美觀性等，它既可延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命，又可提高齒輪的利用率。
[0009](4)激光表面熱處理
激光表面熱處理技術(shù)是指用高能、高頻率的脈沖激光在材料表面按指定形貌和分布造形，激光技術(shù)室80年代末才在世界上出現(xiàn)并開(kāi)始應(yīng)用于生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)冷軋板、帶材的高新技術(shù)，同濟(jì)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院通過(guò)激光試驗(yàn)機(jī)對(duì)齒輪進(jìn)行淬火，采用德國(guó)FZG試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)，取得了良好的效果。
[0010](5)其他方法
改進(jìn)齒輪的制造方法，如在聚炳乙烯漸開(kāi)線齒輪中加入金屬?gòu)椈勺黾訌?qiáng)筋，可提高齒輪的抗疲勞性能，但其應(yīng)用范圍會(huì)受到限制。
[0011]通過(guò)改變齒輪的形狀，優(yōu)化齒輪的形狀，即通過(guò)數(shù)值方法，計(jì)算齒輪最大應(yīng)力，尋找最優(yōu)齒輪形狀，可提高齒輪抗疲勞性。
[0012]采用磨齒工藝進(jìn)行精加工，因齒輪的接觸疲勞與表面粗糙度間有線性關(guān)系，利用磨齒技術(shù)，降低了齒輪表面的粗糙度，可以抑制疲勞損傷的產(chǎn)生；但磨齒工藝技術(shù)難度大，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，且成本高，所以很難普及。
[0013]采用高品潤(rùn)滑油，可有效保護(hù)齒輪表面，延長(zhǎng)齒輪壽命。
[0014]還可以通過(guò)改進(jìn)齒坯的制造方法來(lái)提高零件的壽命，齒輪的齒坯只要制造技術(shù)有鑄造、鍛造和尚心鑄造，其尚心鑄造可以鑄造聞質(zhì)量復(fù)合材料的零部件，即表面材料具有聞的耐磨性，芯部材料具有高的韌性。
[0015]雖然這些提高齒輪使用壽命的方法在一定程度上解決了齒輪的疲勞和磨損問(wèn)題，但是都存在一定的局限性，無(wú)法從根本上解決齒輪的疲勞和磨損問(wèn)題。
[0016]材質(zhì)的改變和表面涂層雖然可以提高齒輪的抗疲勞特性和耐磨性，但是成本高
昂，難以普及。
[0017]表面熱處理技術(shù)，材料能否淬火與含碳量有關(guān)，含碳量高的可以直接淬火，含碳量低的需要進(jìn)行滲碳處理以提高需淬火層的含碳量才可以進(jìn)行淬火處理，并且淬火處理只能在一定程度內(nèi)提高材料的表面強(qiáng)度，且不能進(jìn)行二次淬火，同時(shí)淬火留下的殘余應(yīng)力能使齒輪在工作時(shí)加快損壞的程度。
[0018]激光表面熱處理的方法雖然效果明顯，但是和表面熱處理具有相同的問(wèn)題，容易導(dǎo)致材料的碎裂，遺留下的殘余應(yīng)力能使齒輪在工作時(shí)加快損壞的程度。
[0019]綜上所述，各種提高齒輪壽命的方法都存在一定的局限定，無(wú)法從根本上解決齒輪的疲勞和磨損問(wèn)題。齒輪傳動(dòng)的疲勞破壞和磨損不僅消耗能源和花費(fèi)材料，而且由于疲勞破壞和磨損而更換部件時(shí)修理、停工所消耗的人力物力以及降低勞動(dòng)生產(chǎn)率就更嚴(yán)重了，因此降低機(jī)械傳動(dòng)部件的疲勞和摩擦磨損是目前的當(dāng)務(wù)之急。
[0020]特別實(shí)在一些特種領(lǐng)域，如在航天、軍工等行業(yè)，齒輪更需要具備耐磨性好、抗疲勞等特征，所以亟需一種有效的方法來(lái)應(yīng)對(duì)該問(wèn)題。
[0021]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0022]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種模仿蜣螂胸部節(jié)板表面凹坑結(jié)構(gòu)，具備承載能力大、疲勞特征好等特征的蜣螂表面結(jié)構(gòu)仿生齒輪。[0023]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種蜣螂表面結(jié)構(gòu)仿生齒輪，包括齒輪體，所述齒輪體上設(shè)有外齒牙和外齒槽，所述外齒牙與外齒槽相間隔，其特征在于:所述的外齒牙的表面上設(shè)置有不止一個(gè)球缺體。
[0024]作為優(yōu)選，所述的球缺體大小一致、分奇偶列均勻設(shè)置在所述的外齒牙的表面上。
[0025]作為優(yōu)選，所述的每列球缺體中，各球缺體底面球心間距為6 μ m。
[0026]作為優(yōu)選，所述的每列球缺體中，偶列球缺體底面球心與奇列球缺體底面球心的間距為6 μ m。
[0027]作為優(yōu)選，所述的每列球缺體中，偶列球缺體底面球心與奇列球缺體底面球心的垂直距離為3 μ m。
[0028]作為優(yōu)選，所述的球缺體底面直徑4 μ m，球缺高0.4 μ m。
[0029]本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，能有效提高齒輪的抗疲勞力和較少齒輪的摩擦力。
[0030]【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0031]圖1:本發(fā)明具體實(shí)施例的蜣螂表面結(jié)構(gòu)仿生齒輪效果圖。
[0032]圖2:本發(fā)明具體實(shí)施例的球缺體結(jié)構(gòu)尺寸圖。
[0033]圖3:本發(fā)明具體實(shí)施例的球缺體高度尺寸圖。
[0034]圖4:本發(fā)明具體實(shí)施例的蜣螂胸部節(jié)板的凹坑外形圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035]仿生學(xué)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新興學(xué)科，一經(jīng)提出就得到了迅猛的發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、軍事等領(lǐng)域。瑞士工程師喬治.麥斯楚從黏在動(dòng)物皮毛上的帶刺種子發(fā)明了尼龍搭扣；醫(yī)院使用的皮下注射針頭模仿了響尾蛇的牙齒；耐克公司把山羊蹄子的特點(diǎn)用到跑鞋設(shè)計(jì)上，以提高鞋與地面的摩擦力；第一次世界大戰(zhàn)期間出現(xiàn)的潛艇正是利用了魚鰾的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)上浮和下沉，其上裝載的聲納也是模仿了海豚和蝙蝠的超聲波定位原理。
[0036]仿生學(xué)的發(fā)展和在不同領(lǐng)域的成功應(yīng)用為解決機(jī)械磨損問(wèn)題提供了新思路。按照傳統(tǒng)觀念，一般認(rèn)為物體表面越光滑，其受到的摩擦阻力就越小，耐磨性就越高，因此當(dāng)前人們將減小機(jī)械磨損的工作重點(diǎn)放在如何提高加工精度獲得更光滑的摩擦表面上來(lái)。但是，這種高精密加工方法不但大大提高了制造成本，而且效果并不理想。大自然向我們展示了這一問(wèn)題的另一種思路:生活在潮間帶貝類，常年受到海水沖刷但絲毫沒(méi)有疲勞破壞和磨損的痕跡，研究發(fā)現(xiàn)，貝類生物體表并不是光滑的表面，而是具有一層條紋狀凹凸不平的形態(tài)；一些行動(dòng)敏捷的海洋生物如鯊魚，其體表也不是光滑表面，而是由皮下結(jié)締組織構(gòu)成的特殊形態(tài)表面；某些土壤動(dòng)物如蜣螂、穿山甲山和沙漠地帶上的蛇、蜥蜴等，與硬物接觸部位的體表都不是光滑的，而是由凹坑、凸包或鱗片等形成特殊的幾何表面結(jié)構(gòu)。大量的仿生學(xué)相關(guān)研究和實(shí)踐已經(jīng)表明，具有一定形狀的非光滑表面往往較光滑表面具有更好的耐磨性能。
[0037]因此，通過(guò)研究借鑒蜣螂的表面結(jié)構(gòu)，本發(fā)明提出了一種蜣螂結(jié)構(gòu)仿生耐磨齒輪。以下將結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】來(lái)對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0038]請(qǐng)見(jiàn)圖1、圖2和圖3，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種蜣螂表面結(jié)構(gòu)仿生齒輪，包括齒輪體，所述齒輪體上設(shè)有外齒牙和外齒槽，所述外齒牙與外齒槽相間隔，外齒牙的表面上設(shè)置有不止一個(gè)球缺體。球缺體大小一致、分奇偶列均勻設(shè)置在外齒牙的表面上。每列球缺體中，各球缺體底面球心間距為6 μ m。每列球缺體中，偶列球缺體底面球心與奇列球缺體底面球心的間距為6 μ m。每列球缺體中，偶列球缺體底面球心與奇列球缺體底面球心的垂直距離為3 μ m。球缺體底面直徑4 μ m，球缺高0.4 μ m。球缺體采用數(shù)控激光加工裝置加工。
[0039]蜣螂在挖土和推土?xí)r，土壤滾落在胸節(jié)上，并通過(guò)胸節(jié)背板的曲面滑到地上，此時(shí)具有凹坑的體表比具有平滑的體表能更有效減阻。這種結(jié)構(gòu)能有效減小界面接觸面積，減小接觸面大氣負(fù)壓，破壞水膜連續(xù)性，減少粘附，從而降低摩擦阻力。具體請(qǐng)見(jiàn)圖3，為蜣螂胸節(jié)背板的凹坑外形圖，這種結(jié)構(gòu)能很好的降低摩擦力。國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究結(jié)果也證實(shí)，采取偶列球缺體與奇列球缺體交錯(cuò)布置方式在磨料實(shí)驗(yàn)后，這種曲面結(jié)構(gòu)磨損量比光滑表面的試樣減少了 58.1%，能耗能降低30%以上。
[0040]這說(shuō)明基于蜣螂表面結(jié)構(gòu)的仿生齒輪較普通齒輪在相同條件下，能有效減小摩擦力和提聞抗疲勞力。
[0041]以下是對(duì)本發(fā)明的蜣螂表面結(jié)構(gòu)仿生齒輪在疲勞及摩擦磨損性能方面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果O
[0042]為了驗(yàn)證本發(fā)明的蜣螂表面結(jié)構(gòu)仿生齒輪抗疲勞效果，本發(fā)明采用齒輪試驗(yàn)機(jī)完成齒輪實(shí)驗(yàn)。利用顯微鏡對(duì)齒牙面損傷外貌直接觀測(cè)，測(cè)定大、小齒輪的點(diǎn)蝕面積，計(jì)算單齒牙點(diǎn)蝕率，以單齒牙點(diǎn)蝕率作為齒輪抗疲勞性能的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，蜣螂表面結(jié)構(gòu)仿生齒輪的平均點(diǎn)蝕率為0.12%，而普通齒輪的平均點(diǎn)蝕率為0.27%，這說(shuō)明蜣螂表面結(jié)構(gòu)仿生齒輪的抗疲勞能力明顯高于普通無(wú)仿生形態(tài)的齒輪。
[0043]為驗(yàn)證本發(fā)明的蜣螂表 面結(jié)構(gòu)仿生齒輪耐磨性效果，采用齒輪檢測(cè)儀，對(duì)實(shí)驗(yàn)的蜣螂表面結(jié)構(gòu)仿生齒輪和普通齒輪的齒距誤差、齒向誤差、齒形誤差進(jìn)行檢測(cè)，其具體結(jié)果請(qǐng)見(jiàn)表1:
表1蜣螂表面結(jié)構(gòu)仿生齒輪和普通齒輪的齒 距誤差、齒向誤差、齒形誤差實(shí)驗(yàn)結(jié)果比
較
【權(quán)利要求】
1.一種蜣螂表面結(jié)構(gòu)仿生齒輪，包括齒輪體，所述齒輪體上設(shè)有外齒牙和外齒槽，所述外齒牙與外齒槽相間隔，其特征在于:所述的外齒牙的表面上設(shè)置有不止一個(gè)球缺體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蜣螂表面結(jié)構(gòu)仿生齒輪，其特征在于:所述的球缺體大小一致、分奇偶列均勻設(shè)置在所述的外齒牙的表面上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的蜣螂表面結(jié)構(gòu)仿生齒輪，其特征在于:所述的每列球缺體中，各球缺體底面球心間距為6 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的蜣螂表面結(jié)構(gòu)仿生齒輪，其特征在于:所述的每列球缺體中，偶列球缺體底面球心與奇列球缺體底面球心的間距為6 μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的蜣螂表面結(jié)構(gòu)仿生齒輪，其特征在于:所述的每列球缺體中，偶列球缺體底面球心與奇列球缺體底面球心的垂直距離為3 μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4或5所述的蜣螂表面結(jié)構(gòu)仿生齒輪，其特征在于:所述的球缺體底面直徑4 μ m,球缺高0.4 μ m。
【文檔編號(hào)】F16H55/17GK103511590SQ201310477933
【公開(kāi)日】2014年1月15日 申請(qǐng)日期:2013年10月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月14日
【發(fā)明者】巫世晶, 楊曉峰 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)