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這是一種應用于正齒輪表面上的環保技術，用于在潤滑不足或干摩擦下涂覆受控微米厚度的含氟聚合物層。它作為新形成的金屬層來減少阻尼振動[1] , [2]。由于高性能分散體的發展，含氟聚合物涂層材料現已得到廣泛應用。這些混合物由懸浮在有機混合物中的復合顆粒組成[3]。由于采用含氟聚合物系列材料（PTFE、PFA）和填充材料（二硫化鉬、硅樹脂）產品）存在于復合顆粒中，產生的含氟聚合物薄膜將這些特性與含氟聚合物材料的良好減摩和抗粘性品質相結合，但由于粘合劑的性質而缺乏良好的耐磨性[4 ]。如今，舊發動機零件的活動表面被氟聚合物化合物覆蓋（涂層），以增加摩擦系數、減少磨損并降低運行噪音。一種稱為耕地機的機械部件通過齒的成功接觸將動力從一個軸分配到另一個軸[5]。與皮帶和鏈條傳動相比，齒輪傳動更緊湊，運行速度更快，可用于需要精確定時、經常發生皮帶或繩索打滑的應用，或者在兩個軸之間傳輸運動或動力時。6]?；茖е孪到y的速度比降低。在特定速比至關重要的精密機械中，唯一的正驅動是通過齒輪或齒輪。

最簡單的齒輪類型是正齒輪，其齒沿平行于齒輪軸線的方向在圓柱形毛坯的外表面上切削而成[7]。通常，有兩種類型的正齒輪傳動：外齒輪和內齒輪[8]。在內齒輪的情況下，僅在較大齒輪的內部切齒，小齒輪仍然具有通常的外齒。外齒輪在小齒輪和齒輪的外周都有切入的齒。為了在平行軸之間傳遞動力，使用正齒輪[9]。在嚙合過程中，一個齒輪的整個面寬將與其配對齒輪的整個面寬接觸，因為齒輪齒平行于軸線。這會產生噪音，噪音隨著速度的升高而變得更大。因此，正齒輪用于低功率傳輸，盡管它們的運行速度相當慢。正齒輪也可以與小齒輪和齒條結合使用，將圓周運動轉換為線性運動[10]。正齒輪通常具有漸開線輪廓和 14.5 或 20 度的壓力角。20度壓力角齒輪由于承載能力大而更常用。由于齒結構是筆直且平行于軸線的，它們僅在軸承上施加徑向應變[11]。大多數機床，包括滾齒機、銑床、插齒機和拉床，由于其簡單的結構設計，都可以制造正齒輪。正齒輪有時可以沖壓或鑄造[12]。

在選擇齒輪材料時，重要的是要確保齒具有足夠的梁強度并且表面層耐用[13]?？梢允褂貌煌N類的材料來制造齒輪，具體取決于它們的用途和使用地點[14]。選擇齒輪材料時，重要的是要考慮齒的梁強度及其表面層的耐用性。根據應用的目的和位置，可以使用由多種材料組成的齒輪。最常用于制造齒輪的材料包括黑色金屬，如各種牌號的鑄鐵和鎳、鉻、釩制成的合金鋼，以及鈦、青銅和黃銅等有色金屬。在上述所有材料中，經過充分的熱處理，非金屬如酚醛樹脂、尼龍、電木、云母和鋼等塑料取向材料可以廣泛應用于各種工程應用[15]、[16 ]、[ 17 ]。齒輪傳動裝置中的小齒輪通常比齒輪經歷更多的負載循環；因此，小齒輪應采用比輪子更堅固的材料制成[18]。接觸應力分析在正齒輪設計中發揮著主要作用，基于ANSYS分析計劃創建一個新的數據庫，將幫助全齒輪制造商根據其應用找到涂層厚度。

齒輪傳動系統因其承載能力高、效率高、布局緊湊而應用最廣泛。從最小的鐘表和儀器到最大、最強大的機械（如起重起重機），齒輪應用于許多不同的領域和各種不同的條件下[19]。使用直徑從幾毫米到幾米的齒輪，可以控制它們傳輸從可忽略的小值到數千千瓦的功率。齒輪的一些常見應用是汽車、連綿起伏的丘陵和銑床。由于齒輪傳動比皮帶和鏈條傳動更緊湊，因此需要的安裝面積更小。還提供高效齒輪傳動裝置。與皮帶或鏈條傳動相比，它們可靠性高，使用壽命長，齒輪傳動可以傳遞更多動力。它們比其他驅動器更強大并且提供更廣泛的速比范圍。由于不存在皮帶傳動可能發生的打滑，因此它們具有恒定的速比。

通過使用軟件 PRO-E 5，對樣本進行建模。憑借其獨特的功能和適應性強的用戶界面，PRO-E 5 程序使用戶的建模變得簡單。最近的工作提供了許多對最佳齒輪設計進行建模的方法。它提供了 20 度壓力角齒輪裝置的計算機設計程序，忽略齒輪齒尖的刻痕。該程序改變徑節、面寬和齒輪比，以獲得齒輪嚙合特性（如齒頂比和壓力角）的良好設計，并描述了如何改變標準齒輪嚙合以獲得更好的齒輪組。過去的文獻討論了如何調整基本齒輪組來平衡失效機制與點蝕疲勞模式以及如何用齒輪進球。為了這，修改了齒輪和小齒輪的齒頂比以實現最佳設計。變速箱設計的優化技術旨在降低尺寸和重量。齒輪強項必須考慮到疲勞，尤其是美國制罐齒輪制造協會（AGMA）如何對待疲勞。與其他驅動器相比，齒輪需要更復雜的設計和制造工藝。由于制造不正確、過度磨損或兩者兼而有之，它會在高速時產生噪音。面粉廠、碾米廠等場所不能用齒輪進行長距離動力傳輸。與皮帶或鏈條傳動不同，它們需要仔細維護和充分潤滑。

3.1 . 齒輪齒形類型

圓邊緣上固定直線可以移動而不滑動的位置。當一個圓在圓周上一點所形成的固定圓上移動而不發生滑動時，該運動稱為外擺線。另一方面，內擺線是當圓滾動而不在靜止圓內部滑動時由圓周上的點形成的曲線。切線上在圓上滾動但不打滑的點或從卷軸上松開的拉緊繩上的點與齒輪結合形成漸開線齒，也稱為基圓。

3.2 . ANSYS

ANSYS 是一種多用途有限元計算機工具，用于解決結構和熱傳輸工程分析[20]。靜態分析、彈性、塑性、熱、應力、應力強化、大變形、雙線性單元、動態分析、建模、諧波響應、線性時程、非線性時程、傳熱分析（傳導、對流、輻射）、耦合流體流、耦合電流、結構、磁學都是 ANSYS 解決問題的能力[21]、[22]。連續體具有無限個自由度，有限元分析中的元素數量減少了該數量[23]。這些元素被認為僅在其節點處連接。使用的元素越多，解決方案的準確性就會越高。使用的元素數量越多，結果就越準確[24]。

以下是完成分析的過程。

? 導入到 ANSYS 工作臺

? 生成網格

? 應用材料屬性

? 應用支撐

? 施加負載

? 分析變形和應力

? 繪制圖表

4.1 . 導入模型

只需轉到文件菜單，選擇導入文件，然后單擊生成圖標即可將 PRO-E.IGES 文件導入 ANSYS 軟件。之后，在ANSYS中生成PRO-E文件。然后選擇單位和材料屬性并應用網格、載荷和支撐。

4.2 . 應用材料屬性

下一個問題是將材料屬性應用于樣本。ANSYS 11 是一個包含各種材料的大型數據庫。表1顯示了與分析相關的各種屬性詳細信息。

表 1 . 屬性信息

4.3 . 生成體積網格

在配對齒輪中，一個被固定支撐，另一個被摩擦支撐。該力矩施加到無摩擦支撐齒輪上。生成網格的方法如下：

? CFX網格法

? 生成體積網格

圖 1 (a) 和圖 1 (b) 顯示了施加到無摩擦支撐齒輪的力矩。使用 ANSYS 工作臺按照所需規格繪制正齒輪。圖 1 (a) 顯示了施加在無摩擦齒輪上的力矩。圖 1 (b) 限制特定方向的自由度并添加特定正齒輪的嚙合參數。

圖1 . (a)正齒輪分析。(b) 嚙合正齒輪分析

5.1 . 現有齒輪（Gear-1）分析結果

與圖 2所示的涂層齒輪相比，未涂層齒輪的總變形更高。涂層齒輪顯示了特定齒輪中的各種應力分布。未涂層齒輪無應力分布顯示未涂層正齒輪中產生的應力更大。齒輪的顏色表示涂層齒輪中的各種應力水平。

圖2 . 齒輪 1 的總變形

如圖3所示，涂層齒輪發生更多的方向變形。彩色齒輪顯示涂層齒輪呈紅色，顯示出更多的方向變形。涂層應力的較高變形表明與未涂層齒輪相比，齒輪中的接觸應力水平較低。方向變形是指特定方向上的變形。圖 4顯示了涂層齒輪中嚙合齒輪中的法向應力。法向應力參數并不表示配合齒輪中的法向應力。無負載時的法向應力表示兩個配合齒輪中的應力相同。

圖3 . 齒輪 1 的方向變形

圖4 . 齒輪 1 的法向應力

圖5顯示了配合齒輪中的等效應力以及未涂層應力中的等效應力。等效應力是齒輪設計中比較重要的一點。負載和支撐軸設計占用特定的空間。等效應力使特定齒輪振動更大。

圖5. 齒輪 1 的等效應力

與齒輪 1 相比，涂層齒輪的總變形量較低，如圖 6所示。顯然，增加涂層厚度可以更好地降低總變形水平。低變形表明設計緊湊，減小齒輪尺寸是一個重要參數。

圖6 . 齒輪 2 的總變形

在圖7中示出了齒輪2的方向變形。有限元分析中更令人印象深刻的結果和不同的顏色表明齒輪的方向變形處于較低水平，與未涂層齒輪相比，這表明特定方向的變形處于較低水平。

圖7 . 齒輪 2 的方向變形

對于涂層齒輪來說，法向應力是一個令人印象深刻的參數，如圖 8所示。結果表明，涂層齒輪和未涂層齒輪表現出相同的法向應力。

圖8 . 齒輪 2 的法向應力

配對齒輪2的等效應力如圖9所示。這表明只有涂層齒輪在配合表面上具有更大的價值，顯示了涂層齒輪的令人印象深刻的價值。綠色表示與未涂層齒輪相比接觸應力水平較低。

圖9 . 齒輪 2 的等效應力

圖10顯示了齒輪 3 的法向應力。它的涂層厚度為 36 μm，顯示了令人印象深刻的法向應力水平。增加涂層厚度可以減少正齒輪配合時的接觸應力。

圖10. 齒輪 3 的法向應力

圖11顯示了涂層 36 μm 齒輪的等效應力。在提高涂層厚度的同時給出令人印象深刻的結果，可以更大程度地降低等效應力。較厚的涂層齒輪可減少等效應力。上述分析顯示了涂層齒輪與普通齒輪的參數對比。涂層齒輪顯示接觸應力、等效應力和總變形，其值較低。對于重型應用，36 μm 涂層齒輪適合高速度和高性能。

圖11. 齒輪 3 的等效應力

5.2 . 根圓角半徑修改結果

與未涂層齒輪相比，涂層齒輪的總變形減少，如圖 12所示。未涂層齒輪的總變形更大，通過增加涂層厚度，總變形水平降低至36 μm；高于此水平，涂層厚度不會顯示出太大的影響。正常；作用在齒輪上的應力如圖13所示。與未涂層齒輪相比，法向應力較低。通過增加涂層厚度，法向應力水平會降低，但不是線性程度的；只有 36 μm 以內的正應力才能給出有效參數。

圖12 . 總變形

圖13. 正常壓力

等效應力如圖14所示。等效應力顯示涂層齒輪3的良好結果以及24μm厚度的較低量的等效應力。

圖14. 等效應力

5.3 . 頂部陸地圓角半徑修改結果

在每個點處，頂部焊縫半徑、應力和變形值都會增加。根圓角半徑為 2.05 毫米，與所有其他齒輪和現有齒輪相比，應力和變形值更小。該齒輪比所有其他齒輪具有更好的控制能力。

配置文件經過更改、檢查并與當前設備進行對比。與現有齒輪相比，設計的齒輪中產生的應力較低。離散并評估具有除齒高之外的相同齒輪參數的正齒輪。結果表明，修正齒對位移的控制較好，可達2%。因此，在一定范圍內增加齒深可以保證振動幅度得到有效控制。因此，建議將根圓角半徑增加最多 5%，作為輪廓調整的有用方法，以減少齒輪中產生的應力和振動。已生成除齒高外具有相同齒輪參數的正齒輪，并通過 FEA 軟件進行離散化和分析。與現有齒輪相比，重新設計的齒輪中產生的應力更小。因此，在一定限度內增加齒深可以確保對振動幅度的控制有效。因此，建議增加根圓角半徑作為輪廓修改的有效方法，以減少齒輪中引起的應力和振動。未來的工作范圍是創建單獨的設計數據，以便為涂層齒輪制造齒輪生產進行制造設計。

原始文獻：

M. Karthick, Ch. Siva Ramakrishna, R. Pugazhenthi, Nitin Gudadhe, S. Baskar,  Renu, Rajan Kumar,

Contact stress analysis of xylon coated spur gear using ANSYS workbench,

Materials Today: Proceedings,

2023,

,

ISSN 2214-7853,

http://ifbfh1b13095ec5284139s0f9qkkqkn9fx6koqfgac.eds.tju.booktsg.com/10.1016/j.matpr.2023.03.572.

(http://ifbfh253cb3a601b84ef2s0f9qkkqkn9fx6koqfgac.eds.tju.booktsg.com/science/article/pii/S2214785323016395)

文章來源：本碩博工程師俱樂部