一種蜣螂表面結構仿生齒輪的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種蜣螂表面結構仿生齒輪，包括齒輪體，所述齒輪體上設有外齒牙和外齒槽，所述外齒牙與外齒槽相間隔，其特征在于：所述的外齒牙的表面上設置有不止一個球缺體。本發明相對于現有技術，能有效提高齒輪的抗疲勞力和較少齒輪的摩擦力。
【專利說明】一種蜣螂表面結構仿生齒輪
【技術領域】
[0001]本發明屬于機械動力傳輸領域，尤其涉及一種模仿蜣螂表面結構的仿生齒輪。
[0002]
【背景技術】
[0003]齒輪傳動是機械行業中最重要的傳動方式之一，它具有速比范圍大、功率范圍廣、結構緊湊可靠等一系列優點，被廣泛應用在航空、航天、交通、機械制造等各個工業部門。
[0004]齒輪嚙合傳動時，由于嚙合面上存在相對滑動，因此必將產生滑動摩擦力。相對滑動速度在節點突然換向時，摩擦力的方向也突然改變，摩擦力大小和方向的改變導致節點處產生了脈沖力，即“節點脈動”其大小和持續時間與齒輪嚙合時的傳動力、齒輪間的摩擦系數和相對滑動速度成正比。而且隨著齒輪在受力嚙合過程中，總會產生一定程度的彈性變形，隨著嚙合過程的變化和載荷的減小，這種變形就要恢復，從而會給齒輪體一個切向加速度，形成“嚙合沖擊力”。這種激振力將引起齒輪的周向振動、徑向振動和軸向振動，從而加速齒輪的疲勞和磨損破壞。[0005]齒輪在嚙合傳動時承受周期性的沖擊力、彎曲應力、接觸應力和強烈的摩擦力等多種綜合作用力，因此其疲勞損傷和摩擦磨損形式多樣，一般比較常見的失效形式為:齒輪折斷和工作齒面磨損、點蝕、膠合、及塑性變形。
[0006]根據齒輪的失效形式得出齒輪的計算準則為:閉式傳動的齒輪主要失效形式是接觸疲勞強度、彎曲疲勞強度和膠合，目前，一般只進行接觸疲勞強度和彎曲疲勞強度的計
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[0007]為了提高齒輪的使用壽命，提高傳動效率，必須最大限度地降低齒輪的疲勞和磨損，國內外的學者和工程技術人員在該方面提出了應對方法，并取得了一定的效果。具體有以下幾種方法:
(O改變材質的方法
這是一個比較直接有效的方法，通過使用具有良好性能的材料來代替以前使用的材料，來提高齒輪的使用壽命、降低成本。目前，德國的材料科學研究所(MT)、中國石化巴陵石化公司合成橡膠事業部、西安科技學院機械系、一汽技術中心等單位正在從事這方面的研究，并得到了一些成果，為進一步選擇齒輪材料奠定了基礎；
(2)采用表面涂層的方法
由于材料的性能主要取決于高耐磨性的表面及其高韌性的芯部，因此許多學者提出了一種直接在材料表面加涂層的方法來增加零部件表面的耐磨性，以此來提高齒輪的實用壽命。重慶大學的機械學院采用磁過濾源沉積的方法，在20CrMo制造的圓柱齒輪表面制備薄膜，并在齒輪傳動試驗臺進行試驗，結果表明該方法對齒輪的抗疲勞特性有一定的效果。
[0008](3)采用表面熱處理技術
熱處理技術是比較傳統的方法，齒輪材料的熱處理是發揮材料特性并改善其表面性能不可或缺的關鍵技術，正確、恰當的熱處理可改善齒輪的表面特性，如耐磨性、抗疲勞特性、耐腐蝕性、抗粘著性及美觀性等，它既可延長產品的使用壽命，又可提高齒輪的利用率。
[0009](4)激光表面熱處理
激光表面熱處理技術是指用高能、高頻率的脈沖激光在材料表面按指定形貌和分布造形，激光技術室80年代末才在世界上出現并開始應用于生產優質冷軋板、帶材的高新技術，同濟大學機械工程學院通過激光試驗機對齒輪進行淬火，采用德國FZG試驗機進行了試驗，取得了良好的效果。
[0010](5)其他方法
改進齒輪的制造方法，如在聚炳乙烯漸開線齒輪中加入金屬彈簧做加強筋，可提高齒輪的抗疲勞性能，但其應用范圍會受到限制。
[0011]通過改變齒輪的形狀，優化齒輪的形狀，即通過數值方法，計算齒輪最大應力，尋找最優齒輪形狀，可提高齒輪抗疲勞性。
[0012]采用磨齒工藝進行精加工，因齒輪的接觸疲勞與表面粗糙度間有線性關系，利用磨齒技術，降低了齒輪表面的粗糙度，可以抑制疲勞損傷的產生；但磨齒工藝技術難度大，生產周期長，且成本高，所以很難普及。
[0013]采用高品潤滑油，可有效保護齒輪表面，延長齒輪壽命。
[0014]還可以通過改進齒坯的制造方法來提高零件的壽命，齒輪的齒坯只要制造技術有鑄造、鍛造和尚心鑄造，其尚心鑄造可以鑄造聞質量復合材料的零部件，即表面材料具有聞的耐磨性，芯部材料具有高的韌性。
[0015]雖然這些提高齒輪使用壽命的方法在一定程度上解決了齒輪的疲勞和磨損問題，但是都存在一定的局限性，無法從根本上解決齒輪的疲勞和磨損問題。
[0016]材質的改變和表面涂層雖然可以提高齒輪的抗疲勞特性和耐磨性，但是成本高
昂，難以普及。
[0017]表面熱處理技術，材料能否淬火與含碳量有關，含碳量高的可以直接淬火，含碳量低的需要進行滲碳處理以提高需淬火層的含碳量才可以進行淬火處理，并且淬火處理只能在一定程度內提高材料的表面強度，且不能進行二次淬火，同時淬火留下的殘余應力能使齒輪在工作時加快損壞的程度。
[0018]激光表面熱處理的方法雖然效果明顯，但是和表面熱處理具有相同的問題，容易導致材料的碎裂，遺留下的殘余應力能使齒輪在工作時加快損壞的程度。
[0019]綜上所述，各種提高齒輪壽命的方法都存在一定的局限定，無法從根本上解決齒輪的疲勞和磨損問題。齒輪傳動的疲勞破壞和磨損不僅消耗能源和花費材料，而且由于疲勞破壞和磨損而更換部件時修理、停工所消耗的人力物力以及降低勞動生產率就更嚴重了，因此降低機械傳動部件的疲勞和摩擦磨損是目前的當務之急。
[0020]特別實在一些特種領域，如在航天、軍工等行業，齒輪更需要具備耐磨性好、抗疲勞等特征，所以亟需一種有效的方法來應對該問題。
[0021]
【發明內容】
[0022]為了解決上述技術問題，本發明提出了一種模仿蜣螂胸部節板表面凹坑結構，具備承載能力大、疲勞特征好等特征的蜣螂表面結構仿生齒輪。[0023]本發明所采用的技術方案是:一種蜣螂表面結構仿生齒輪，包括齒輪體，所述齒輪體上設有外齒牙和外齒槽，所述外齒牙與外齒槽相間隔，其特征在于:所述的外齒牙的表面上設置有不止一個球缺體。
[0024]作為優選，所述的球缺體大小一致、分奇偶列均勻設置在所述的外齒牙的表面上。
[0025]作為優選，所述的每列球缺體中，各球缺體底面球心間距為6 μ m。
[0026]作為優選，所述的每列球缺體中，偶列球缺體底面球心與奇列球缺體底面球心的間距為6 μ m。
[0027]作為優選，所述的每列球缺體中，偶列球缺體底面球心與奇列球缺體底面球心的垂直距離為3 μ m。
[0028]作為優選，所述的球缺體底面直徑4 μ m，球缺高0.4 μ m。
[0029]本發明相對于現有技術，能有效提高齒輪的抗疲勞力和較少齒輪的摩擦力。
[0030]【專利附圖】
【附圖說明】
[0031]圖1:本發明具體實施例的蜣螂表面結構仿生齒輪效果圖。
[0032]圖2:本發明具體實施例的球缺體結構尺寸圖。
[0033]圖3:本發明具體實施例的球缺體高度尺寸圖。
[0034]圖4:本發明具體實施例的蜣螂胸部節板的凹坑外形圖。
【具體實施方式】
[0035]仿生學是近年來發展起來的新興學科，一經提出就得到了迅猛的發展，被廣泛應用于醫學、軍事等領域。瑞士工程師喬治.麥斯楚從黏在動物皮毛上的帶刺種子發明了尼龍搭扣；醫院使用的皮下注射針頭模仿了響尾蛇的牙齒；耐克公司把山羊蹄子的特點用到跑鞋設計上，以提高鞋與地面的摩擦力；第一次世界大戰期間出現的潛艇正是利用了魚鰾的原理來實現上浮和下沉，其上裝載的聲納也是模仿了海豚和蝙蝠的超聲波定位原理。
[0036]仿生學的發展和在不同領域的成功應用為解決機械磨損問題提供了新思路。按照傳統觀念，一般認為物體表面越光滑，其受到的摩擦阻力就越小，耐磨性就越高，因此當前人們將減小機械磨損的工作重點放在如何提高加工精度獲得更光滑的摩擦表面上來。但是，這種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。大自然向我們展示了這一問題的另一種思路:生活在潮間帶貝類，常年受到海水沖刷但絲毫沒有疲勞破壞和磨損的痕跡，研究發現，貝類生物體表并不是光滑的表面，而是具有一層條紋狀凹凸不平的形態；一些行動敏捷的海洋生物如鯊魚，其體表也不是光滑表面，而是由皮下結締組織構成的特殊形態表面；某些土壤動物如蜣螂、穿山甲山和沙漠地帶上的蛇、蜥蜴等，與硬物接觸部位的體表都不是光滑的，而是由凹坑、凸包或鱗片等形成特殊的幾何表面結構。大量的仿生學相關研究和實踐已經表明，具有一定形狀的非光滑表面往往較光滑表面具有更好的耐磨性能。
[0037]因此，通過研究借鑒蜣螂的表面結構，本發明提出了一種蜣螂結構仿生耐磨齒輪。以下將結合附圖和【具體實施方式】來對本發明做進一步的說明。
[0038]請見圖1、圖2和圖3，本發明所采用的技術方案是:一種蜣螂表面結構仿生齒輪，包括齒輪體，所述齒輪體上設有外齒牙和外齒槽，所述外齒牙與外齒槽相間隔，外齒牙的表面上設置有不止一個球缺體。球缺體大小一致、分奇偶列均勻設置在外齒牙的表面上。每列球缺體中，各球缺體底面球心間距為6 μ m。每列球缺體中，偶列球缺體底面球心與奇列球缺體底面球心的間距為6 μ m。每列球缺體中，偶列球缺體底面球心與奇列球缺體底面球心的垂直距離為3 μ m。球缺體底面直徑4 μ m，球缺高0.4 μ m。球缺體采用數控激光加工裝置加工。
[0039]蜣螂在挖土和推土時，土壤滾落在胸節上，并通過胸節背板的曲面滑到地上，此時具有凹坑的體表比具有平滑的體表能更有效減阻。這種結構能有效減小界面接觸面積，減小接觸面大氣負壓，破壞水膜連續性，減少粘附，從而降低摩擦阻力。具體請見圖3，為蜣螂胸節背板的凹坑外形圖，這種結構能很好的降低摩擦力。國內外學者研究結果也證實，采取偶列球缺體與奇列球缺體交錯布置方式在磨料實驗后，這種曲面結構磨損量比光滑表面的試樣減少了 58.1%，能耗能降低30%以上。
[0040]這說明基于蜣螂表面結構的仿生齒輪較普通齒輪在相同條件下，能有效減小摩擦力和提聞抗疲勞力。
[0041]以下是對本發明的蜣螂表面結構仿生齒輪在疲勞及摩擦磨損性能方面的實驗結果O
[0042]為了驗證本發明的蜣螂表面結構仿生齒輪抗疲勞效果，本發明采用齒輪試驗機完成齒輪實驗。利用顯微鏡對齒牙面損傷外貌直接觀測，測定大、小齒輪的點蝕面積，計算單齒牙點蝕率，以單齒牙點蝕率作為齒輪抗疲勞性能的評定標準。通過實驗，蜣螂表面結構仿生齒輪的平均點蝕率為0.12%，而普通齒輪的平均點蝕率為0.27%，這說明蜣螂表面結構仿生齒輪的抗疲勞能力明顯高于普通無仿生形態的齒輪。
[0043]為驗證本發明的蜣螂表 面結構仿生齒輪耐磨性效果，采用齒輪檢測儀，對實驗的蜣螂表面結構仿生齒輪和普通齒輪的齒距誤差、齒向誤差、齒形誤差進行檢測，其具體結果請見表1:
表1蜣螂表面結構仿生齒輪和普通齒輪的齒 距誤差、齒向誤差、齒形誤差實驗結果比
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【權利要求】
1.一種蜣螂表面結構仿生齒輪，包括齒輪體，所述齒輪體上設有外齒牙和外齒槽，所述外齒牙與外齒槽相間隔，其特征在于:所述的外齒牙的表面上設置有不止一個球缺體。
2.根據權利要求1所述的蜣螂表面結構仿生齒輪，其特征在于:所述的球缺體大小一致、分奇偶列均勻設置在所述的外齒牙的表面上。
3.根據權利要求2所述的蜣螂表面結構仿生齒輪，其特征在于:所述的每列球缺體中，各球缺體底面球心間距為6 μ m。
4.根據權利要求2所述的蜣螂表面結構仿生齒輪，其特征在于:所述的每列球缺體中，偶列球缺體底面球心與奇列球缺體底面球心的間距為6 μ m。
5.根據權利要求2所述的蜣螂表面結構仿生齒輪，其特征在于:所述的每列球缺體中，偶列球缺體底面球心與奇列球缺體底面球心的垂直距離為3 μ m。
6.根據權利要求1、2、3、4或5所述的蜣螂表面結構仿生齒輪，其特征在于:所述的球缺體底面直徑4 μ m,球缺高0.4 μ m。
【文檔編號】F16H55/17GK103511590SQ201310477933
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年10月14日 優先權日:2013年10月14日
【發明者】巫世晶, 楊曉峰 申請人:武漢大學