錐齒輪的設(shè)計已經(jīng)十分完善，全球范圍內(nèi)均采用齒面幾何優(yōu)化方法，以確保令人滿意的低噪聲，同時滿足表面應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的相關(guān)要求。

　　但是如何計算齒輪的使用壽命呢?在其熟悉的KIMoS(螺旋錐齒輪集成制造)軟件包中，Klngenlnerg 增加了一個基于計算使用壽命方面的最新研發(fā)成果，來計算錐齒輪或準(zhǔn)雙曲面齒輪副的使用壽命的模塊。

　　設(shè)計錐齒輪是一項相當(dāng)復(fù)雜的任務(wù)。與圓柱齒輪不同，錐齒輪需要進行成對設(shè)計的。設(shè)計工程師必須考慮到許多相互沖突的目標(biāo)，包括最小尺寸、最大負(fù)荷能力、降低噪音和易于在目前的銑齒機上制造。但有一個方面經(jīng)常被忽略了：齒輪的疲勞強度呢?

　　如果輪齒上的最大載荷不超過材料的載荷極限，則輪齒將在卸下載荷后恢復(fù)到其初始狀態(tài)。這個假設(shè)適用于幾種混合加載應(yīng)用場合。但是當(dāng)我們談?wù)搸装偃f個載荷應(yīng)用時，在比材料的載荷極限要低得多的載荷下將會發(fā)生損，這種現(xiàn)象是疲勞現(xiàn)象。

　　疲勞強度測試是OEM和一級齒輪供應(yīng)商的核心能力，可通過變速箱的耐久測試完成。這些試驗采用經(jīng)驗定義的載荷譜進行，從而產(chǎn)生與實際使用條件下相同的損傷形式。用于這些錐齒輪耐久性試驗的設(shè)備之一是OerlikonTS30錐齒輪試驗臺。

圖1 Klingelnberg的TS30測試臺架

　　如果我們能計算出錐齒輪的使用壽命，就可以不用昂貴的的測試方法和測試時間來做試驗了，從而起到更好的效果且節(jié)約設(shè)計成本。

　　在最新版本的KIMoS中，Klingelnberg可以計算錐齒輪的特定工作載荷的使用壽命，以及面滾加工和面銑加工的相關(guān)參數(shù)。要計算錐齒輪的疲勞強度，必須知道三個基本要素：齒輪的精確形狀，齒輪材料的相關(guān)參數(shù)以及齒輪副的運轉(zhuǎn)工況，以上所有參數(shù)均加載到KIMOS中。齒輪疲勞強度計算公式依賴于Miner的線性累積損傷假設(shè)理論基礎(chǔ)。

圖2 未進行齒面修形的齒面接觸形狀

圖3 進行齒面修形后的齒面接觸形狀

　　對齒輪對的累積損傷可以通過綜合計算負(fù)載譜、齒面的負(fù)載集中度來預(yù)測輪齒表面，以及齒根的彎曲應(yīng)力和材料的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變特性。如果點蝕和破損的總累積損壞可用，KIMoS可以計算錐齒輪副的使用壽命。

圖4 未進行齒面修形的齒輪副載荷譜和沃勒曲線

　　要生成具有極其有限的負(fù)荷情況下的負(fù)荷頻譜，必須使用一種計數(shù)方法。如果首先使用包含許多不同負(fù)載循環(huán)的實際負(fù)載條件(例如使用瀑布流方法)，則可以計算這些循環(huán)事件，從而可以將數(shù)量極少的負(fù)載情況下的實際操作負(fù)載循環(huán)轉(zhuǎn)換為載荷譜。

圖5 齒面修形后的齒輪副載荷譜和沃勒曲線

　　齒形齒輪的使用壽命計算是否會取代將來的最終測試?答案是一個明確的不。但是計算疲勞強度可以對不同的設(shè)計進行非常有效的比較。當(dāng)其中一種設(shè)計存在耐久測試數(shù)據(jù)時，可以相當(dāng)準(zhǔn)確地估計另一個類似的齒輪副的預(yù)期使用壽命。這就是為什么KIMoS讓設(shè)計工程師能夠設(shè)計一個不僅滿足幾何形狀和噪聲的要求，而且還要考慮疲勞壽命的設(shè)計。

　　下面的示例顯示了兩種具有相同尺寸數(shù)據(jù)的設(shè)計，但對于圖2和圖3所示的齒面修形參數(shù)都有所不同。齒輪速比數(shù)據(jù)為i=13/38齒，被動齒輪外節(jié)圓直徑為250毫米，下偏移為20毫米。這個示例顯示了齒面修形的潛力，左邊的設(shè)計的使用壽命約為14 000 h，受小齒輪上齒根應(yīng)力的限制。右邊的設(shè)計的使用壽命約為34 000 h，但在這里，計算出的故障原因也將是小齒輪的斷齒。

　　KIMoS不僅使設(shè)計工程師能夠優(yōu)化噪聲行為和負(fù)荷能力，而且還支持在特定載荷情況下的齒輪副的使用壽命優(yōu)化。這為輕量化設(shè)計的新潛力鋪平了道路，并使設(shè)計者能夠完成更有效和堅固的齒輪設(shè)計。