CN103511590A

CN103511590A - 一种蜣螂表面结构仿生齿轮

Info

Publication number: CN103511590A
Application number: CN201310477933.5A
Authority: CN
Inventors: 巫世晶; 杨晓峰
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2013-10-14
Filing date: 2013-10-14
Publication date: 2014-01-15

Abstract

本发明公开了一种蜣螂表面结构仿生齿轮，包括齿轮体，所述齿轮体上设有外齿牙和外齿槽，所述外齿牙与外齿槽相间隔，其特征在于：所述的外齿牙的表面上设置有不止一个球缺体。本发明相对于现有技术，能有效提高齿轮的抗疲劳力和较少齿轮的摩擦力。

Description

一种蜣螂表面结构仿生齿轮

技术领域

本发明属于机械动力传输领域，尤其涉及一种模仿蜣螂表面结构的仿生齿轮。

背景技术

齿轮传动是机械行业中最重要的传动方式之一，它具有速比范围大、功率范围广、结构紧凑可靠等一系列优点，被广泛应用在航空、航天、交通、机械制造等各个工业部门。

齿轮啮合传动时，由于啮合面上存在相对滑动，因此必将产生滑动摩擦力。相对滑动速度在节点突然换向时，摩擦力的方向也突然改变，摩擦力大小和方向的改变导致节点处产生了脉冲力，即“节点脉动”其大小和持续时间与齿轮啮合时的传动力、齿轮间的摩擦系数和相对滑动速度成正比。而且随着齿轮在受力啮合过程中，总会产生一定程度的弹性变形，随着啮合过程的变化和载荷的减小，这种变形就要恢复，从而会给齿轮体一个切向加速度，形成“啮合冲击力”。这种激振力将引起齿轮的周向振动、径向振动和轴向振动，从而加速齿轮的疲劳和磨损破坏。

齿轮在啮合传动时承受周期性的冲击力、弯曲应力、接触应力和强烈的摩擦力等多种综合作用力，因此其疲劳损伤和摩擦磨损形式多样，一般比较常见的失效形式为：齿轮折断和工作齿面磨损、点蚀、胶合、及塑性变形。

根据齿轮的失效形式得出齿轮的计算准则为：闭式传动的齿轮主要失效形式是接触疲劳强度、弯曲疲劳强度和胶合，目前，一般只进行接触疲劳强度和弯曲疲劳强度的计算。

为了提高齿轮的使用寿命，提高传动效率，必须最大限度地降低齿轮的疲劳和磨损，国内外的学者和工程技术人员在该方面提出了应对方法，并取得了一定的效果。具体有以下几种方法：

（1）改变材质的方法

这是一个比较直接有效的方法，通过使用具有良好性能的材料来代替以前使用的材料，来提高齿轮的使用寿命、降低成本。目前，德国的材料科学研究所（IHT）、中国石化巴陵石化公司合成橡胶事业部、西安科技学院机械系、一汽技术中心等单位正在从事这方面的研究，并得到了一些成果，为进一步选择齿轮材料奠定了基础；

（2）采用表面涂层的方法

由于材料的性能主要取决于高耐磨性的表面及其高韧性的芯部，因此许多学者提出了一种直接在材料表面加涂层的方法来增加零部件表面的耐磨性，以此来提高齿轮的实用寿命。重庆大学的机械学院采用磁过滤源沉积的方法，在20CrMo制造的圆柱齿轮表面制备薄膜，并在齿轮传动试验台进行试验，结果表明该方法对齿轮的抗疲劳特性有一定的效果。

（3）采用表面热处理技术

热处理技术是比较传统的方法，齿轮材料的热处理是发挥材料特性并改善其表面性能不可或缺的关键技术，正确、恰当的热处理可改善齿轮的表面特性，如耐磨性、抗疲劳特性、耐腐蚀性、抗粘着性及美观性等，它既可延长产品的使用寿命，又可提高齿轮的利用率。

（4）激光表面热处理

激光表面热处理技术是指用高能、高频率的脉冲激光在材料表面按指定形貌和分布造形，激光技术室80年代末才在世界上出现并开始应用于生产优质冷轧板、带材的高新技术，同济大学机械工程学院通过激光试验机对齿轮进行淬火，采用德国FZG试验机进行了试验，取得了良好的效果。

（5）其他方法

改进齿轮的制造方法，如在聚炳乙烯渐开线齿轮中加入金属弹簧做加强筋，可提高齿轮的抗疲劳性能，但其应用范围会受到限制。

通过改变齿轮的形状，优化齿轮的形状，即通过数值方法，计算齿轮最大应力，寻找最优齿轮形状，可提高齿轮抗疲劳性。

采用磨齿工艺进行精加工，因齿轮的接触疲劳与表面粗糙度间有线性关系，利用磨齿技术，降低了齿轮表面的粗糙度，可以抑制疲劳损伤的产生；但磨齿工艺技术难度大，生产周期长，且成本高，所以很难普及。

采用高品润滑油，可有效保护齿轮表面，延长齿轮寿命。

还可以通过改进齿坯的制造方法来提高零件的寿命，齿轮的齿坯只要制造技术有铸造、锻造和离心铸造，其离心铸造可以铸造高质量复合材料的零部件，即表面材料具有高的耐磨性，芯部材料具有高的韧性。

虽然这些提高齿轮使用寿命的方法在一定程度上解决了齿轮的疲劳和磨损问题，但是都存在一定的局限性，无法从根本上解决齿轮的疲劳和磨损问题。

材质的改变和表面涂层虽然可以提高齿轮的抗疲劳特性和耐磨性，但是成本高昂，难以普及。

表面热处理技术，材料能否淬火与含碳量有关，含碳量高的可以直接淬火，含碳量低的需要进行渗碳处理以提高需淬火层的含碳量才可以进行淬火处理，并且淬火处理只能在一定程度内提高材料的表面强度，且不能进行二次淬火，同时淬火留下的残余应力能使齿轮在工作时加快损坏的程度。

激光表面热处理的方法虽然效果明显，但是和表面热处理具有相同的问题，容易导致材料的碎裂，遗留下的残余应力能使齿轮在工作时加快损坏的程度。

综上所述，各种提高齿轮寿命的方法都存在一定的局限定，无法从根本上解决齿轮的疲劳和磨损问题。齿轮传动的疲劳破坏和磨损不仅消耗能源和花费材料，而且由于疲劳破坏和磨损而更换部件时修理、停工所消耗的人力物力以及降低劳动生产率就更严重了，因此降低机械传动部件的疲劳和摩擦磨损是目前的当务之急。

特别实在一些特种领域，如在航天、军工等行业，齿轮更需要具备耐磨性好、抗疲劳等特征，所以亟需一种有效的方法来应对该问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种模仿蜣螂胸部节板表面凹坑结构，具备承载能力大、疲劳特征好等特征的蜣螂表面结构仿生齿轮。

本发明所采用的技术方案是：一种蜣螂表面结构仿生齿轮，包括齿轮体，所述齿轮体上设有外齿牙和外齿槽，所述外齿牙与外齿槽相间隔，其特征在于：所述的外齿牙的表面上设置有不止一个球缺体。

作为优选，所述的球缺体大小一致、分奇偶列均匀设置在所述的外齿牙的表面上。

作为优选，所述的每列球缺体中，各球缺体底面球心间距为6μm。

作为优选，所述的每列球缺体中，偶列球缺体底面球心与奇列球缺体底面球心的间距为6μm。

作为优选，所述的每列球缺体中，偶列球缺体底面球心与奇列球缺体底面球心的垂直距离为3μm。

作为优选，所述的球缺体底面直径4μm，球缺高0.4μm。

本发明相对于现有技术，能有效提高齿轮的抗疲劳力和较少齿轮的摩擦力。

附图说明

图1：本发明具体实施例的蜣螂表面结构仿生齿轮效果图。

图2：本发明具体实施例的球缺体结构尺寸图。

图3：本发明具体实施例的球缺体高度尺寸图。

图4：本发明具体实施例的蜣螂胸部节板的凹坑外形图。

具体实施方式

仿生学是近年来发展起来的新兴学科，一经提出就得到了迅猛的发展，被广泛应用于医学、军事等领域。瑞士工程师乔治·麦斯楚从黏在动物皮毛上的带刺种子发明了尼龙搭扣；医院使用的皮下注射针头模仿了响尾蛇的牙齿；耐克公司把山羊蹄子的特点用到跑鞋设计上，以提高鞋与地面的摩擦力；第一次世界大战期间出现的潜艇正是利用了鱼鳔的原理来实现上浮和下沉，其上装载的声纳也是模仿了海豚和蝙蝠的超声波定位原理。

仿生学的发展和在不同领域的成功应用为解决机械磨损问题提供了新思路。按照传统观念，一般认为物体表面越光滑，其受到的摩擦阻力就越小，耐磨性就越高，因此当前人们将减小机械磨损的工作重点放在如何提高加工精度获得更光滑的摩擦表面上来。但是，这种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。大自然向我们展示了这一问题的另一种思路：生活在潮间带贝类，常年受到海水冲刷但丝毫没有疲劳破坏和磨损的痕迹，研究发现，贝类生物体表并不是光滑的表面，而是具有一层条纹状凹凸不平的形态；一些行动敏捷的海洋生物如鲨鱼，其体表也不是光滑表面，而是由皮下结缔组织构成的特殊形态表面；某些土壤动物如蜣螂、穿山甲山和沙漠地带上的蛇、蜥蜴等，与硬物接触部位的体表都不是光滑的，而是由凹坑、凸包或鳞片等形成特殊的几何表面结构。大量的仿生学相关研究和实践已经表明，具有一定形状的非光滑表面往往较光滑表面具有更好的耐磨性能。

因此，通过研究借鉴蜣螂的表面结构，本发明提出了一种蜣螂结构仿生耐磨齿轮。以下将结合附图和具体实施方式来对本发明做进一步的说明。

请见图1、图2和图3，本发明所采用的技术方案是：一种蜣螂表面结构仿生齿轮，包括齿轮体，所述齿轮体上设有外齿牙和外齿槽，所述外齿牙与外齿槽相间隔，外齿牙的表面上设置有不止一个球缺体。球缺体大小一致、分奇偶列均匀设置在外齿牙的表面上。每列球缺体中，各球缺体底面球心间距为6μm。每列球缺体中，偶列球缺体底面球心与奇列球缺体底面球心的间距为6μm。每列球缺体中，偶列球缺体底面球心与奇列球缺体底面球心的垂直距离为3μm。球缺体底面直径4μm，球缺高0.4μm。球缺体采用数控激光加工装置加工。

蜣螂在挖土和推土时，土壤滚落在胸节上，并通过胸节背板的曲面滑到地上，此时具有凹坑的体表比具有平滑的体表能更有效减阻。这种结构能有效减小界面接触面积，减小接触面大气负压，破坏水膜连续性，减少粘附，从而降低摩擦阻力。具体请见图3，为蜣螂胸节背板的凹坑外形图，这种结构能很好的降低摩擦力。国内外学者研究结果也证实，采取偶列球缺体与奇列球缺体交错布置方式在磨料实验后，这种曲面结构磨损量比光滑表面的试样减少了58.1%，能耗能降低30%以上。

这说明基于蜣螂表面结构的仿生齿轮较普通齿轮在相同条件下，能有效减小摩擦力和提高抗疲劳力。

以下是对本发明的蜣螂表面结构仿生齿轮在疲劳及摩擦磨损性能方面的实验结果。

为了验证本发明的蜣螂表面结构仿生齿轮抗疲劳效果，本发明采用齿轮试验机完成齿轮实验。利用显微镜对齿牙面损伤外貌直接观测，测定大、小齿轮的点蚀面积，计算单齿牙点蚀率，以单齿牙点蚀率作为齿轮抗疲劳性能的评定标准。通过实验，蜣螂表面结构仿生齿轮的平均点蚀率为0.12%，而普通齿轮的平均点蚀率为0.27%，这说明蜣螂表面结构仿生齿轮的抗疲劳能力明显高于普通无仿生形态的齿轮。

为验证本发明的蜣螂表面结构仿生齿轮耐磨性效果，采用齿轮检测仪，对实验的蜣螂表面结构仿生齿轮和普通齿轮的齿距误差、齿向误差、齿形误差进行检测，其具体结果请见表1：

表1 蜣螂表面结构仿生齿轮和普通齿轮的齿距误差、齿向误差、齿形误差实验结果比较

Figure 2013104779335100002DEST_PATH_IMAGE002

通过实验数据可以得出，蜣螂表面结构仿生齿轮在耐磨性实验中，摩擦力下降，其误差值变化较小；而普通齿轮在实验中摩擦严重，齿轮的各个误差值明显上升；这说明蜣螂表面结构仿生齿轮的耐磨性明显优于普通齿轮。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种蜣螂表面结构仿生齿轮，包括齿轮体，所述齿轮体上设有外齿牙和外齿槽，所述外齿牙与外齿槽相间隔，其特征在于：所述的外齿牙的表面上设置有不止一个球缺体。

2.根据权利要求1所述的蜣螂表面结构仿生齿轮，其特征在于：所述的球缺体大小一致、分奇偶列均匀设置在所述的外齿牙的表面上。

3.根据权利要求2所述的蜣螂表面结构仿生齿轮，其特征在于：所述的每列球缺体中，各球缺体底面球心间距为6μm。

4.根据权利要求2所述的蜣螂表面结构仿生齿轮，其特征在于：所述的每列球缺体中，偶列球缺体底面球心与奇列球缺体底面球心的间距为6μm。

5.根据权利要求2所述的蜣螂表面结构仿生齿轮，其特征在于：所述的每列球缺体中，偶列球缺体底面球心与奇列球缺体底面球心的垂直距离为3μm。

6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的蜣螂表面结构仿生齿轮，其特征在于：所述的球缺体底面直径4μm，球缺高0.4μm。