高強度輕質直齒輪設計的先進材料選擇技術

齒輪是將旋轉運動從一個軸到另一個軸的齒形構件。在圓柱體的外側具有平行于圓柱體軸線的齒，這種齒輪叫做圓柱齒輪。盡管這種齒輪結構比較簡單，但它的應用較為廣泛。圓柱齒輪的設計取決于輸入參數，如功率、速度、運行條件、疲勞壽命，其計算需要迭代過程。

該研究旨在為特定的正齒輪設計選擇最佳材料。一種稱為Ashby的先進材料選擇技術（文中Figure 1.）可用于根據材料指數確定合適的材料。該方法需要目標函數、約束和自由變量。目標函數可基于彎曲強度，這樣可使質量最小化，而彎曲疲勞破壞可作為約束條件。設計過程中的所有輸入參數和修改因子都視為自由變量。根據它們的數值，對合適的材料進行排序，然后進行齒輪設計。使用不同類型的材料進行了多種齒輪設計，以計算不同零件重量之間的差異。將模塊和面寬度結果也相互比較，從而找到適合于正齒輪設計的輕質和高強度材料。與傳統齒輪材料相比，重量減輕達63%，候選材料性能見文中的Figure 4。

Figure 1：Ashby Material Selection Strategy

Figure 4：Candidate materials for high strength and low weight spur gear design

根據本文，應用先進的材料選擇技術（如Ashby方法）對優化相關的工程問題非常有用，該方法可以解決以往傳統方法對近似材料的選擇而導致結構優化不夠充分的問題。特別是在航空航天或醫療領域等重量要求嚴格的工程中，高強度的適當輕質材料選擇已成為優化相關設計問題的關鍵。在本文中，Ashby方法被用來研究用于齒輪設計的輕質高強度材料。確定基于彎曲疲勞強度的材料并分級材料的指數值。該排名也與正齒輪設計結果達成了很好的一致。因此，與傳統齒輪材料相比，鈦合金或鈹合金等新一代材料的重量減輕約36%至63%。