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齿轮传动设计中几项工作概要
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齿轮/蜗轮蜗杆展厅
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1 齿轮的精度选择

渐开线圆柱齿轮精度标准(GB/T10095.1)规定齿轮共有13个精度等级,用数字0~12由高到低依次排列。齿轮精度等级选择,应据传动用途、使用条件、圆周速度、传动功率及性能指标等要求确定,如表9.8所示。

2 齿轮传动的失效形式

齿轮传动的失效主要发生在轮齿部分,其常见失效形式有:轮齿折断、齿面点蚀、齿面磨损、齿面胶合和塑性变形等五种。齿轮其他部分(如齿圈、轮辐、轮毂等)失效很少发生,通常按经验设计。

1. 轮齿折断

轮齿在工作过程中,齿根部受较大的交变弯曲应力,并且齿根圆角及切削刀痕产生应力集中。当齿根弯曲应力超过材料的弯曲疲劳极限时,轮齿在受拉一侧将产生疲劳裂纹,随着裂纹的逐渐扩展,导致轮齿疲劳折断。齿宽较小的直齿轮常发生整齿折断。齿宽较大的直齿轮,因制造装配误差易产生载荷偏置一端,导致局部折断。斜齿轮及人字齿轮的接触线是倾斜的,也容易产生局部折断。轮齿受到短期过载或冲击载荷的作用,会发生过载折断。

采用正变位齿轮,增大齿根过渡圆角半径,提高齿轮制造精度和安装精度,采用表面强化处理(如喷丸、碾压)等,都可以提高轮齿的抗折断能力。

2. 齿面点蚀

齿轮工作时,在循环变化的接触应力、齿面摩擦力及润滑剂的反复作用下,轮齿表面或次表层出现疲劳裂纹,裂纹逐渐扩展,导致齿面金属剥落形成麻点状凹坑,这种现象称为齿面疲劳点蚀。

齿面疲劳点蚀首先出现在齿面节线偏齿根侧。这是因为节线附近齿面相对滑动速度小,油膜不宜形成,摩擦力较大; 且节线处同时参与啮合的轮齿对数少,接触应力大。点蚀的发展,会产生振动和噪声,以至不能正常工作而失效。

软齿面(≤350HBS)的新齿轮,开始会出现少量点蚀,但随着齿面的跑合,点蚀可能不再继续扩展,这种点蚀称为收敛性点蚀。硬齿面(>350HBS)齿轮,不会出现局限性点蚀,一旦出现点蚀就会继续发展,称为扩展性点蚀。

对于润滑良好的闭式齿轮传动,点蚀是主要失效形式。而在开式传动中,由于齿面磨损较快,一般不会出现点蚀。

提高齿面硬度,降低齿面粗糙度值,合理选择润滑油的粘度及采用正变位齿轮传动等,都可以提高齿面抗点蚀能力。

3. 齿面磨损

由于粗糙齿面的摩擦或有砂粒、金属屑等磨料落入齿面之间,都会引起齿面磨损。磨损引起齿廓变形和齿厚减薄,产生振动和噪声,甚至因轮齿过薄而断裂。磨损是开式齿轮传动的主要失效形式。采用闭式齿轮传动,提高齿面硬度,降低齿面粗糙度值,注意保持润滑油清洁等,都有利于减轻齿面磨损。

4. 齿面胶合

高速重载齿轮传动,因齿面间压力大、相对滑动速度大,在啮合处摩擦发热多,产生瞬间高温,使油膜破裂,造成齿面金属直接接触并相互粘着,而后随齿面相对运动,又将粘接金属撕落,使齿面形成条状沟痕,产生齿面热胶合。低速重载齿轮传动(v≤4m/s ),由于啮合处局部压力很高齿,使油膜破裂而粘着,产生齿面冷胶合。齿面胶合会引起振动和噪声,导致失效。

采用正变位齿轮、减小模数及降低齿高以减小滑动速度,提高齿面硬度,降低齿面粗糙度值,采用抗胶合能力强的齿轮材料,在润滑油中加入极压添加剂等,都可以提高抗胶合能力。

5. 齿面塑性变形

用较软齿面材料制造的齿轮,在承受重载的传动中,由于摩擦力的作用,齿面表层材料沿摩擦力的方向发生塑性变形。主动轮齿面节线处产生凹坑,从动轮齿面节线处产生凸起。提高齿面硬度和润滑油粘度,可以减轻或防止齿面塑性变形的产生。

3 设计准则

设计齿轮传动时,应根据实际工况条件,分析主要失效形式,确定相应的设计准则,进行设计计算。

对于闭式齿轮传动,主要失效形式是齿面疲劳点蚀、弯曲疲劳折断及胶合。目前一般齿轮传动,只按齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度两准则进行设计计算。对于高速大功率的齿轮传动,还应按齿面抗胶合能力的准则进行计算。

开式齿轮传动的主要失效形式是磨损及弯曲疲劳折断,目前对磨损尚无成熟的设计计算方法,故通常按齿根弯曲疲劳强度进行设计计算,并将模数增大10%~20%,以考虑磨损的影响。

4 齿轮材料及热处理

1. 齿轮材料选择的要求

齿轮材料对齿轮的承载能力和结构尺寸影响很大,合理选择齿轮材料是设计重要内容之一。选择齿轮材料应考虑如下要求:齿面应有足够的硬度,保证齿面抗点蚀、抗磨损、抗胶合和抗塑性变形的能力;轮齿芯部应有足够的强度和韧性,保证齿根抗弯曲能力;此外,还应具有良好的机械加工和热处理工艺性;以及经济性等要求。

2. 常用齿轮材料及热处理

制造齿轮材料以锻钢(包括轧制钢材)为主,其次是铸钢、铸铁,还有有色金属和非金属材料等。

(1) 锻钢
制造齿轮的锻钢中以合金钢最为常用,不重要的齿轮采用碳钢。锻钢按热处理方法可分为两类。

1)调质齿轮用钢

常用材料有40Cr、42SiMn、35CrMo、40CrNiMo、30CrNi3及45号碳钢等。一般经调质或正火处理后切齿,齿轮精度一般为8级,高精度切齿可达7级,齿面硬度≤350HBS,称为软齿面齿轮。一对软齿面齿轮啮合,由于小齿轮啮合次数比大齿轮多,小齿轮易磨损,为了使大、小齿轮寿命接近相等,应使小齿轮的齿面硬度比大齿轮高30~50HBS。软齿面齿轮用于齿轮尺寸紧凑性和精度要求不高,载荷不大的中低速场合。

2)表面硬化齿轮用钢

齿面硬度>350HBS的齿轮称为硬齿面齿轮。轮坯切齿后经表面硬化热处理,形成硬齿面,再经磨齿后精度可达6级以上。与软齿面齿轮相比,硬齿面齿轮大大提高齿轮的承载能力,结构尺寸和重量明显减小,综合经济效益显著提高。我国齿轮制造业已普遍采用合金钢及硬齿面、磨齿、高精度、轮齿修形等工艺方法,生产硬齿面齿轮。常用表面硬化热处理主要有:表面淬火,渗碳淬火,渗氮(氮化),碳氮共渗。

(2) 铸钢

铸钢的力学性能稍低于锻钢。当齿轮尺寸较大而轮坯难以锻造时,可用铸钢,切齿前须经退火、正火及调质处理。

(3) 铸铁

灰铸铁的抗弯及耐冲击能力都很差,但它易铸造、易切削,具有良好的耐磨性和消震性,成本低廉。可用于低速、载荷不大的开式齿轮传动。

球墨铸铁的强度比灰铸铁高得很多,具有良好的韧性和塑性。在冲击不大的情况下,代替钢制齿轮。

(4) 有色金属和非金属材料

有色金属(如铜合金、铝合金)用于有特殊要求的齿轮传动。

非金属材料的使用日益增多,常用有夹布胶木和尼龙等工程塑料,用于低速、轻载、要求低噪声而对精度要求不高的场合。由于非金属材料的导热性差,故需与金属齿轮配对使用,以利于散热。

表9.9列出了常用的齿轮材料及其机械特性。

表9.9 常用齿轮材料及其机械特性

(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (2/16/2005)
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