(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211264184.3 (22)申请日 2022.10.17 (71)申请人 长春工业大学 地址 吉林省长 春市延安大街20 55号 (72)发明人 陈鹏霏　潘强　贺宇新　 (51)Int.Cl. F16H 55/17(2006.01) F16H 55/06(2006.01) F16H 55/08(2006.01) G06F 30/17(2020.01) G06F 30/20(2020.01) (54)发明名称 一种并联齿轮结构及其设计方法 (57)摘要 一种并联齿轮结构及其设计方法， 属于传动 齿轮类。 针对目前传动齿轮经常出现的疲劳断裂 问题， 本发 明公开了一种并联齿轮结构及其设计 方法。 该并联齿轮由若干个大小相同的子齿轮结 构， 彼此通过摩擦焊接连接在一起， 组成一体的 并联齿轮结构。 当并联齿轮工作时， 某子齿轮上 出现疲劳裂纹并逐渐扩展到造成轮齿断裂的程 度时， 由于子齿轮之间通过焊接连接在一起， 故 金属微观晶格结构在焊接处并不连续， 使得裂纹 无法进一步扩展。 但是， 子齿轮轮齿上的大裂纹 会使其传动的动态特征发生明显改变， 通过目前 先进的设备状态监测仪器， 可以轻易地发现并联 齿轮运行状态的变化。 因此， 能够及时安排设备 维修， 避免重大事故的发生。 权利要求书1页 说明书4页 附图1页 CN 115523280 A 2022.12.27 CN 115523280 A 1.一种并联齿轮， 其特 征在于： 其并联齿轮结构由若干个子齿轮(1)、 子齿轮(3)、 子齿轮(5)和子齿轮(7)组成； 其中， 每两个相邻的子齿轮之间都存在摩擦焊接形成的连接层(2)、 连接层(4)和连接 层(6)； 其中， 子齿轮(1)、 子齿轮(3)、 子齿轮(5)和子齿轮(7)的结构完全相同， 齿轮参数完全 一致， 摩擦焊接形成的连接层(2)、 连接层(4)和连接层(6)的焊接性能参数完全一 致。 2.一种根据权利要求1所述的并联齿轮的设计方法， 其特 征在于： 并联齿轮的设计方法包括： a、 根据常规齿轮设计方法， 设计齿轮的模数m、 齿数z和齿宽B等 参数； b、 查阅手册确定载荷系 数K、 齿形系 数YFa、 应力修正系数YSa和重合度系数Yε， 考虑到实 际工作中齿轮承受的扭矩T随机变化， 将扭矩T视作服从正态分布的随机变量， 按照下式计 算齿根弯曲疲劳应力σF(T)： c、 查阅手册确定弯曲疲 劳强度的最小 安全系数SFmin、 修正系数YST、 寿命系数YN和尺寸系 数YX， 考虑到受材料强度变化的影响， 齿根弯曲疲劳极限σFlim会随机变化， 将σFlim视作服从 正态分布的随机变量， 按照下式计算齿根弯曲疲劳许用应力 d、 列出齿轮弯曲疲劳状态方程 根据蒙特卡罗法计算齿轮 弯曲疲劳可靠度RF＝P{gF(T, σFlim)＞0}， 并将其作为由n个子齿轮构成的并联齿轮中任一子 齿轮的可靠度， 即RFi＝RF(这里， i＝1,2,…,n)； e、 根据并联系统可靠性理论， 计算并联齿轮的弯曲疲劳可靠度 同 时， 在批量 生产情况 下， 齿轮的制造费用近似表示 为 f、 采用可靠性优化设计方法， 确定并联齿轮的子齿轮 个数n； 步骤1、 要求并联齿轮的制造费用最小， 建立目标函数： 步骤2、 要求并联齿轮的弯曲疲劳可靠度大于等于0.99， 且子齿轮个数大于等于2， 建立 约束条件： RFB‑0.99≥0， n‑2≥0； 步骤3、 优化 求解并联齿轮的子齿轮 个数n。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115523280 A 2一种并联齿轮结构及其设计方 法 技术领域 [0001]本发明涉及 一种并联齿轮结构， 特别涉及 一种利用摩擦焊接使子齿轮彼此固定连 接的并联齿轮， 属于传动齿轮技 术领域。 背景技术 [0002]近年来， 随着我国社会经济的快速发展， 机械制造水平已经有了质的提升。 单就制 造业产值来看， 我国早已是世界制造大国， 但是我们距离制造强国仍有差距。 国家 就已将机 械设备的安全性和可靠性列入到了重点发展的方向。 然而， 长期以来疲劳断裂依然是影响 机械设备安全性和可靠性的最大隐患之一。 曾有研究表明， 军用飞机发动机构件的主要失 效原因， 是高周疲劳失效， 占发动机构件失效的49％。 此外， 国外相关部门统计， 民用领域 50％～90％的机械零部件破坏也为疲劳破坏 。 2014年一汽 大众速腾汽 车的断轴事件，  2021 年云南航空救援直升机尾浆操纵杆意外断裂事故， 以及目前国内外的很多重大安全生产事 故， 很多是由于疲劳原因造成的。 [0003]众所周知， 机械结构零件在疲劳裂 纹产生的初期， 其存在一般很难被发现， 一旦裂 纹达到一定程度， 疲劳断裂就会瞬间发生， 造成严重后果。 因此， 针对疲劳断裂失效， 开 发设 计具有抗疲劳功能的并联齿轮结构， 不仅可以提高一般机械产品可靠性和使用寿命， 而且 尤其对于航空、 航天等尖端工业部门具有十分重要的意 义 发明内容 [0004]本发明目的在于通过采用摩擦焊接技术， 连接多个在理论上能够独立完成工作的 子齿轮结构， 从而提出一种具有抗疲劳功能的并联齿轮结构及其设计方法， 解决目前高速、 重载工况 下齿轮发生裂纹不 易察觉， 断裂失效问题凸出， 造成后果 严重等问题。 [0005]本发明的技 术方案是： [0006]具有抗疲劳功能的并联齿轮结构组成： [0007]本发明的并联齿轮结构由若干个结构完全相同、 齿轮参数完全一致的子齿轮组 成， 每两个相邻的子齿轮之间都存在摩擦焊接形成的连接层， 并且摩擦焊接形成的连接层 的焊接性能参数完全一 致。 [0008]当并联齿轮工作时， 由于材料缺陷、 高周应力等因素作用， 某子齿轮上出现疲劳裂 纹并逐渐扩大到造成轮齿断裂的程度时， 由于子齿轮之间是通过摩擦焊接连接在一起， 金 属微观晶格结构在焊接处并不连续， 故其后果仅是造成了某子齿轮轮齿的断裂， 而非整个 并联齿轮的轮齿断裂。 因此， 无论是空中飞行的飞机， 还是高危环境下运行的核心设备， 其 并联齿轮依然可以正常工作。 但是， 子齿轮上 的裂纹会使齿轮传动的动态特性发生明显的 改变， 通过目前先进的状态监测仪器可以轻易地发现并联齿轮运行状态的变化， 而且及时 计划停机， 安 排设备维修， 避免重大事故的发生。 [0009]与该并联齿轮相关的设计方法： [0010]a、 根据常规齿轮设计方法， 设计齿轮的模数m、 齿数z和齿宽B等 参数；说　明　书 1/4 页 3 CN 115523280 A 3