[发明专利]一种减少齿轮传动系统故障率的轴承、齿轮匹配设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种齿轮传动系统的设计制造方法，特别是一种能够降低所设计的齿轮传动系统故障率的轴承和齿轮匹配的设计方法，属于设备故障机理诊断技术范畴，用于在设计故障诊断策略时指导信息规律研究，以及进行齿轮传动系统时优化设计的指导，以降低传动系统各该部件的故障发生率，从而提高传动系统的安全性和使用寿命。

背景技术

现有齿轮传动系统的设计主要是依照传动齿轮的传统设计理论从转速、载荷、传动比等方面出发的，目的在于使设计的齿轮传动系统具有更高的传动效率，并建立了相应的设计规范。但对于齿轮传动系统的齿轮齿数和轴承的参数(例如轴径D、中径D0、滚子直径d、滚子数Z)没有做出合理规定，以致所设计的传动系统的齿轮、轴和轴承出现某种故障多发的现象，例如：齿轮的齿疲劳断裂，齿轮的齿沟裂纹，齿轮轴疲劳裂纹或切断；轴承的外环或/和内环集中疲劳、擦伤，某些滚子疲劳破损等等，特别是在那些存在齿轮啮合径向力意外增大因素的机械上，使得齿轮传动系统因为故障频发而大幅度地降低了系统的寿命，甚至因为突发故障而危及安全。

本发明人在开展机械故障诊断技术的多年研究中，从故障诊断科学的故障机理诊断出发，研究了齿轮传动系统故障的形式和故障信息的特征。初衷是提出齿轮传动系统故障诊断的早期预警方法，而研究得到的有关齿轮传动系统若干参数与故障模式之间的结构关系，却不仅为故障诊断提供了信息的关注点和诊断方法论的理论基础，而且通过逆向推理，得到了防止上述齿轮传动系统故障多发的轴承、齿轮匹配优化设计方法，为量大面广的制造业相关设计的创新和技术进步提供了新的技术途径。

发明内容

本发明的目的：旨在提出一种全新的齿轮传动设计理念，希望从设计的源头上对构成齿轮传动系统的齿轮、转动轴、以及与转动轴匹配的轴承之间、传动齿轮相互间的匹配原则进行设计理念上的探究，从而使运转中的齿轮传动系统的故障率降至最低。

这种减少齿轮传动系统故障率的轴承、齿轮匹配设计方法，包括一对齿数为DC的大齿轮，齿数为XC的小齿轮的啮合副；支承大齿轮的轴承3参数为：中径DD0，滚子直径Dd，滚子数DZ；支承小齿轮的轴承4参数为：中径XD0，滚子直径Xd，滚子数XZ；其特征在于：防止该齿轮传动系统的齿轮、轴承滚子和轴承内、外环发生对冲疲劳集中及防止齿轮载荷疲劳集中引发轴疲劳集中而产生裂纹的设计方法，应当遵循的结构关系是：

A、防止大齿轮和轴承引发齿轮-滚子-外环对冲集中疲劳须符合：

大齿轮轴承外环承载点每转过DWG个滚子时，齿轮转过的齿数DWC与正整数之差为K＝0.1～0.9，建议值为K＝0.3～0.7，优化值为K＝0.5；其中，DWG与DWC的结构式为：

DWC＝2×DD0×DC/[(DD0-Dd)×DZ]×DWG    (D1)

K＝ABS[DWC-CINT(DWC)]

式中，DWG≤DZ，DWC≤DC，ABS代表取方框内数值的绝对值，CINT代表将方框内的数值四舍五入。

如果符合0.07＞K＞0的不允许范围，则大齿轮轴承固定外环集中疲劳多发，疲劳的几率DWJ＝1/DWG。

B、防止大齿轮的和轴承引发齿轮-滚子-内环对冲集中疲劳须符合：

大齿轮轴承内环承载点每转过DNG个滚子时，齿轮转过的齿数DNC与正整数之差为K＝0.1～0.9，建议值为K＝0.3～0.7，优化值为K＝0.5；其中，DNG与DNC的结构关系式为：

DNC＝2×DD0×DC/[(DD0+Dd)×DZ]×DNG      (D2)

K＝ABS[DNC-CINT(DNC)]

式中，DNG≤DZ，DNC≤DC；ABS代表取方框内数值的绝对值，CINT代表将方框内的数值四舍五入；

如果符合0.07＞K＞0的不允许范围，则大齿轮轴承固定内环集中疲劳多发，疲劳的几率DNJ＝1/DNG。

C、防止大齿轮集中疲劳须符合下式表示的结构关系：

DCD＝DC/DWC≠INT(2～DC)    (D3)

DCD＝DC/DNC≠INT(2～DC)    (D4)

即大齿轮的齿数DC与上述DWC或DNC之比不等于2～DC的整数；

如果DCD为整数，则大齿轮集中疲劳数为DCD，各疲劳点之间的均匀间距为DWC个齿或DNC个齿；大齿轮疲劳集中率为DCJ＝2/DCD，其最大值为1。