CN105736676A - 一种基于蝴蝶鳞片表面形貌的仿生齿面齿轮 - Google Patents

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陈奇
徐帆
樊浩
张振
高峰
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    • F16H—GEARING
    • F16H55/00—Elements with teeth or friction surfaces for conveying motion; Worms, pulleys or sheaves for gearing mechanisms
    • F16H55/02—Toothed members; Worms
    • F16H55/17—Toothed wheels

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Abstract

本发明涉及一种基于蝴蝶鳞片表面形貌的仿生齿面齿轮，其表面加工有类似蝴蝶鳞片表面形貌的纹路，由一定规律排列的沟槽和圆形凹坑组成，沟槽皆平行布置，圆形凹坑则分布在相邻两条沟槽的中间位置。本发明基于仿生学思想，受蝴蝶鳞片表面形貌的启发，提出基于蝴蝶鳞片表面形貌的仿生齿面齿轮，相对于现有的技术，能有效提高齿轮的自清洁性能，应用于开式、半开式齿轮传动时，有利于延长齿轮的寿命。

Description

一种基于蝴蝶鳞片表面形貌的仿生齿面齿轮
技术领域
本发明涉及机械传动领域，尤其涉及一种基于蝴蝶鳞片表面形貌的仿生齿面齿轮。
背景技术
齿轮传动可以分为开式齿轮传动、半开式齿轮传动和闭式齿轮传动，开式齿轮传动一般用于农业机械，建筑机械以及简易的机械设备中，有一些齿轮传动没有防尘罩或机壳，齿轮完全暴露在外面，这种传动不仅外界杂物极易侵入，而且润滑不良，因此工作条件不好，轮齿也容易磨损；对于半开式齿轮传动，齿轮传动装有简单的防护罩，有时还把大齿轮部分浸入油池中，工作条件虽有改善，但仍不能做到严密防止外界杂物侵入，润滑条件也不算最好，故对于开式、半开式齿轮传动，提高齿轮使用寿命的关键是保持齿面清洁。
仿生学是指人类模仿生物功能，来发明创造的科学。研究对象是生物体的结构、功能和工作原理，并将这些原理移植于人造工程技术之中。例如，许多能承受狂风的植物的茎部是维管状结构，其截面是空心的，支持人承重和运动的骨骼，其截面上密实的骨质分布在四周，而柔软的骨髓充满内腔。在建筑结构中常被采用的空心楼板、箱形大梁、空间薄壁结构等都是根据这条结论得来的。
人们发现自然界许多生物的表面具有自清洁性与疏水性，典型昆虫如蝴蝶、蜻蜓等，当有污染物落到其翅膀上时，它们能够很轻易地达到自清洁目的，从仿生学的角度出发对此类表面进行研究，并把研究成果应用到齿轮传动中，显然能提高开式齿轮传动的自清洁性能，对齿轮寿命的延长意义重大。
发明内容
针对上述情况，本发明基于自清洁性能、疏水性较好的蝴蝶鳞片，通过研究其表面形貌，并结合相应软件的分析，设计出一种基于蝴蝶鳞片表面形貌的仿生齿面齿轮，从仿生的角度来解决开式齿轮传动的齿面自清洁问题。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明一种蝴蝶鳞片表面形貌形态的仿生齿面齿轮的结构特点是：所述仿生齿面齿轮的表面形貌与蝴蝶鳞片表面形貌类似，分布有沟槽和圆形凹坑。
本发明一种蝴蝶鳞片表面形貌形态的仿生齿面齿轮的结构特点也在于：所述沟槽皆平行布置，宽度为60μm，间距为300μm，深度为25μm。
本发明一种蝴蝶鳞片表面形貌形态的仿生齿面齿轮的结构特点还在于：所述圆形凹坑分布在相邻两条所述沟槽的中间位置，共有2行，行间距为110μm；所述圆形凹坑直径为80μm，相邻两列的间距为130μm。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
首先，所述仿生齿面齿轮应用了蝴蝶表面形貌，具有较好的自清洁性能与疏水性，用于工作条件恶劣、润滑条件差的开式齿轮传动时，所述仿生齿面齿轮能减少外界杂物对齿轮的影响，从而达到延长齿轮寿命的作用。
其次，所述沟槽、圆形凹坑等均采用激光加工，而激光加工后的齿面组织更细化、均匀，因此具有优良的综合力学性能，故其疲劳寿命和耐磨性能高于常规的淬火齿轮。
最后，所述圆形凹坑对齿面裂纹的扩展有延缓和阻断作用，减少了齿面点蚀、齿面磨损发生的概率，有助于提高齿轮的疲劳寿命和耐磨性，从而延长齿轮的使用寿命。
附图说明
图1为本发明的齿面示意图；
图2为蝴蝶鳞片表面形貌形态显微结构图；
图3为本发明的仿生齿面齿轮齿面结构尺寸图；
具体实施方式
参见图2，人们发现自然界许多生物的表面具有自清洁性与疏水性，典型昆虫如蝴蝶、蜻蜓等，当有污染物落到其翅膀上时，它们能够很轻易地达到自清洁目的，图2为蝴蝶翅膀上鳞片的显微结构图，通过从仿生角度研究并应用于开式齿轮传动，有利于提高齿轮的使用寿命。
参见图1，本发明提出了一种基于蝴蝶鳞片表面形貌的仿生齿面齿轮，所述仿生齿面齿轮的表面形貌与蝴蝶鳞片表面形貌类似，分布有沟槽和圆形凹坑，表面自清洁性能比普通光滑齿轮好；同时，利用ANSYS软件对所述仿生齿面齿轮进行应力的加载与分析，结果显示，所述仿生齿面齿轮的疲劳应力范围则明显小于光滑齿轮，由于所述仿生齿面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，所述仿生齿面齿轮能提高齿轮的疲劳寿命，在耐磨性能上也有较大提高。
参见图1和图3，图3为本发明的仿生齿面齿轮表面的结构及其尺寸图，所述沟槽皆平行布置，宽度为60μm，间距为300μm，深度为25μm。所述圆形凹坑分布在相邻两条所述沟槽的中间位置，共有2行，行间距为110μm；所述圆形凹坑直径为80μm，相邻两列的间距为130μm。

Claims (3)

1.一种基于蝴蝶鳞片表面形貌的仿生齿面齿轮，其特征在于所述仿生齿面齿轮的表面形貌与蝴蝶鳞片表面形貌类似，分布有沟槽和圆形凹坑。
2.根据权利要求1所述的一种基于蝴蝶鳞片表面形貌的仿生齿面齿轮，其特征在于所述沟槽皆平行布置，宽度为60μm，间距为300μm，深度为25μm。
3.根据权利要求1所述的一种基于蝴蝶鳞片表面形貌的仿生齿面齿轮，其特征在于所述圆形凹坑分布在相邻两条所述沟槽的中间位置，共有2行，行间距为110μm；所述圆形凹坑直径为80μm，相邻两列的间距为130μm。
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