CN105736675A - 一种基于龟壳表面形貌的新型耐磨齿轮 - Google Patents

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陈奇
樊浩
徐帆
张振
高峰
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Abstract

本发明涉及一种基于龟壳表面形貌的新型耐磨齿轮，其齿面加工有仿乌龟壳表面形貌的纹路，且齿面纹路呈五边形和六边形，并按一定规律排列；六边形在齿面中央呈直线排列，而五边形则分布在六边形周围，且呈对称布置。本发明基于仿生学思想，受龟壳表面形貌的启发，提出一种新型耐磨齿轮，相对于现有的技术，该新型耐磨齿轮能有效提高齿轮的耐磨性能，从而延长齿轮的寿命。

Description

一种基于龟壳表面形貌的新型耐磨齿轮
技术领域
本发明涉及机械传动领域，尤其涉及一种基于龟壳表面形貌的新型耐磨齿轮。
背景技术
提高齿轮的耐磨性及延长其使用寿命是整个齿轮行业亟待解决的难题。一般齿轮失效形式主要有四种：轮齿折断、齿面磨损、齿面点蚀和齿面胶合。而在实际运用中齿面点蚀往往是齿轮失效最常见的一种形式，要改善这种情况，则必定要改善其表面的耐磨性能，国内外为此都付出很大努力，例如选择耐磨性能优良的原材料加工齿轮、齿轮用先进的热处理方式处理、齿轮表面加耐磨涂层等，这些方法较为成熟，对于改进磨损问题做出了较大贡献，但要进一步改进磨损问题，则较为困难。
仿生学是一门综合性边缘学科，它是生命科学与工程技术科学相互渗透，彼此结合而产生的。1960年，在美国召开了有史以来第一届仿生讨论会，J.E斯蒂尔少校将这门学科正式定名为“仿生学”。仿生学即复制自然和从自然获得想法，其研究内容随着现代科学技术的发展而不断得到丰富和发展，在电子仿生、机械仿生、建筑仿生、信息仿生等方面都取得了很大的成果。
在出现人类之前，龟类、贝类、海螺等介壳类生物已在大自然中生存了数亿年，在为生存而斗争的长期进化中，获得了与大自然相适应的能力与结构。龟类是介壳类生物中最有代表性的，其表面结构是自由曲面，经过近5亿年的演化趋于完美，尤其海龟在深海里最高游速可达40km/h。龟壳结构具有轻薄而高强度、耐磨、曲面简约等优点。然而至今为止，对龟壳的运用还是较少。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明基于乌龟壳表面的纹路分布情况，通过相应软件的分析，设计出一种基于龟壳表面形貌的新型耐磨齿轮，从仿生学的角度来解决齿轮磨损的问题
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明基于龟壳表面形貌的新型耐磨齿轮的结构特点是：所述新型耐磨齿轮齿面加工有仿乌龟壳表面形貌的纹路，且齿面纹路呈五边形和六边形。
本发明基于龟壳表面形貌的新型耐磨齿轮的结构特点也在于：所述纹路宽度为450～500μm，深度为300μm。
本发明基于龟壳表面形貌的新型耐磨齿轮的结构特点也在于：所述六边形在齿面中央呈直线排列，数目约16～20个，单个六边形在该齿面上的投影面积占总面积的2％～5％；所述五边形分布在所述六边形周围，数目约35～45个，且呈对称布置，单个五边形在该齿面上的投影面积占总面积的1％～4％。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
首先，本发明应用了先进制造技术中的仿生学理论，考虑到乌龟经过几亿年的进化，其表面形貌必定属于较为优秀的生物结构，故选择龟壳作为参考对象，并将龟壳表面形貌应用于齿轮的齿面形貌上，当普通齿轮和所述新型耐磨齿轮承受相同的交变载荷时，由于齿面上加工有所述纹路，故不仅能使得齿轮形变量减小，而且扩大了轮齿的表面积，提高了散热性，从而较好地消除轮齿升温后带来的不良影响。
其次，所述纹路也能用于润滑油、润滑脂等润滑剂的存储，保证更好的形成物理、化学吸附膜，减少齿轮啮合过程中齿面的摩擦，从而降低了齿轮发生点蚀和胶合的概率；并且能起到降低齿轮振动、冲击和噪声的作用
最后，由于所述纹路采用激光加工方法进行制备，其齿面硬度等性能得到提高，材料组织更细化、均匀，从而不仅使得齿面的抗疲劳强度等力学性能得到提高，也能减少其轮齿的形变，有助于齿轮的平稳运行，减少运转过程中的振动和噪声，也有利于减少由轮齿形变而引起的疲劳断齿等损伤，进而有效地改善齿轮的动力学性能。
附图说明
图1为本发明的新型耐磨齿轮齿面示意图；
图2为龟壳表面纹路；
图3为各类其他龟壳纹路；
图4为所述纹路的二维示意图；
图5为呈六边形的所述纹路示意图；
图6为呈五边形的所述纹路示意图；
具体实施方式
参见图1、图2和图4，在所述新型耐磨齿轮的齿面上，利用激光加工有类似乌龟壳表面形貌的纹路，图1中齿面加工有所述纹路，宽度为450～500μm，深度大致为300μm，具体布局类似于图2的龟壳表面纹路，图4中加粗线条即为所述纹路。
参见图5和图6，所述六边形在齿面中央呈直线排列，数目约16～20个；所述五边形分布在所述六边形周围，数目约35～45个，且呈对称布置。
参见图2和图3，龟壳多种多样，其纹路也种类繁多，龟类已在大自然中生存了数亿年，在为生存而斗争的长期进化中，获得了与大自然相适应的能力与结构。而龟壳表面结构是自由曲面，经过近几亿年的演化趋于完美，尤其海龟在深海里最高游速可达40km/h。龟壳结构具有高强度、耐磨等优点。因此，对龟壳表面形貌进行测绘并将之应用于齿面形貌，对提高齿轮的耐磨性及延长其使用寿命有重要意义。
利用ANSYS软件对所述新型耐磨齿轮进行应力的加载与分析，结果显示，光滑齿轮与所述新型耐磨齿轮在承受相同强度压应力交变载荷时，二者的应力的变化值基本相同，但是，所述新型耐磨齿轮的疲劳应力范围则明显小于光滑齿轮，由于所述新型耐磨齿轮承受的交变疲劳应力变小，从而齿面出现疲劳点蚀等现象的概率相应减少，故得出结论，所述新型耐磨齿轮能提高齿轮的疲劳寿命。

Claims (3)

1.一种基于龟壳表面形貌的新型耐磨齿轮，其特征在于所述新型耐磨齿轮齿面加工有仿乌龟壳表面形貌的纹路，且齿面纹路呈五边形和六边形。
2.根据权利要求1所述的一种基于龟壳表面形貌的新型耐磨齿轮，其特征在于所述纹路宽度为450～500μm，深度为300μm。
3.根据权利要求1所述的一种基于龟壳表面形貌的新型耐磨齿轮，其特征在于所述六边形在齿面中央呈直线排列，数目约16～20个，单个六边形在该齿面上的投影面积占总面积的2％～5％；所述五边形分布在所述六边形周围，数目约35～45个，且呈对称布置，单个五边形在该齿面上的投影面积占总面积的1％～4％。
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