（机械工程专业论文）低速重载齿轮胶合的失效分析.pdf

摘瑟 嚣j 乏奔牛集团公竭蘑生产豹诋逮j 萋 载骧遮器，主蘩孀在势下曩爨设备裁投输 送机、转载机和破碎帆。 ：，减涟机关键零部件齿轮的质量好环直接影响着熬机的 性能及煤矿生产豹正常运牙。 武北奔牛集团公司所生产的减速器在m 厂试车时出现了齿面胶合现象，本文 对这一失效形式产生熊添困遂行了分桁，即圭臻麸减速器设计、塞轮簌材耨疆量 控制，渗碳工艺，磨壤船工工艺，润瓣油胶合计算罩睡逸型，试车等方薅进行了研 究，并提出解决该闻题髂魂点和看法，为提禽公司产晶质量秘扩大帮场占有攀奠 定了熬疆。 关键谈：重载齿轮胶合 失效分桁渗碳减速嚣 a b s t r a c t t h eh e a v y1 0 a di o ws p e e dd e c e l e r a t o r ，w h i c hi sm a d ei nn o r t h w e s tb n i n d u s t r i a lg r o u pc o ，l t d i st h ec h i e fp r o d u c tu s e db ym i n i n gm a c h i n e r y a n dc o a lm i n i n ge n t e r p r f s e sw i t hw o r k p l a c ef l i g h tc o n v e y e r s ，s t a gl o a d e r s a n dc r u s h e r s a sw ea l lk n o w ng e a r st a k ea ni m p o r t a n tp a r t i nt h e d e c e l e r a t o ra n di fi t sq u a l i t yi sw e l la l w a y se f f e c t si na l lo ft h em i n e m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s 。 s o m e t i m e s t h ed e c e l e r a t o rh a saq u a li t yp r o b l e mw h e n i th a sb e e n f i n i s h e d s u c ha st h et o o t hs u r f a c ec e m e n t a t i o n i nt h i sa r t i c l e ，t h e w r i t e ri n t r o d u c eh i m s e l fi d e a sa n dp e r s o n e r y v i e wa b o u tt h e f a i l u r e a n a l y s i so ft h i ss i t u a t i o na n dh o wt od e a lw i t hi t 。m e a n w h i l e ，d os o m ew o r k i nd e s i g n i n go ft h ed e c e l e r a t o rq u a l i t yc o n t r o lo ft h eg e a rr a wm a t e r i a l c a r b u r i z i n gt e c h n o l o g y ，g e a r g r i n d i n gt e c h n o l o g y ，o i l g l u i n gc o m p u t a t i o n a n db u i i d ，t e s t i n gr u n ，e t c 。 a sar e s u l t ，t h ew r i t e re x p o u n d st h em e t h o dh o wt od e a lw i t h t h e s e p r o b l e m s ，a l lo ft h i sm a k eag o o dr e a d yf o ri m p r o v i n go u rp r o d u c t sq u a l i t y a n de n l a r g i n go u rp r o d u c tm a r k e to c c u p a n c y - k e y w o r d s ：t o o t hs u r f a c e c e m e n t a t i o nf a i l u r ea n a l y s i sc a r b u r i z i n g t e c h n o l o g yg e a r b o x 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 、绪论 1 1 减速器 1 1 1 减速器的发展趋势 减速器在原动机和工作机或执行机构之间起匹配转速和传递扭矩的作用，在 现代机械中应用极为广泛。减速器按用途可分为通用减速器和专用减速器两大类， 两者的设计、制造和使用特点各不相同。2 0 世纪7 0 8 0 年代，世界上减速器技 术有了很大的发展，且与新技术革命的发展紧密结合。减速器的发展趋势如下： ( 1 ) 、高水平、高性能。圆柱齿轮普遍采用渗碳淬火、磨齿工艺，承载能力提 高4 倍以上，体积小i 重量轻、噪声低、效率高、可靠性高。 ( 2 ) 、积木式组合设计。基本参数采用优先数，尺寸规格整齐，零件通用性和 互换性强，系列容易扩充和花样翻新，利于组织批量生产和降低成本。 ( 3 ) 、形式多样化，变型设计多。摆脱了传统的单一的底座安装方式，增添了 空心轴悬挂式、浮动支承底座、电动机与减速器一体式联接，多方位安装面等不 同型式，扩大了使用范围。 1 1 2 促使减速器水平提高的主要因素 ( 1 ) 、理论知识的日趋完善，更接近实际( 如齿轮强度计算方法、修形技术、 变形计算、优化设计方法、齿根圆滑过渡、新结构等) 。 ( 2 ) 、采用好的材料，普遍采用各种优质合金钢锻件，材料和热处理质量控制 水平提高。 ( 3 ) 、结构设计更合理。 ( 4 ) 、加工精度的提高。 ( 5 ) 、轴承质量和寿命提高。 ( 6 ) 、润滑油质量提高。 改革开放以来，我国引进一批先进加工装备，通过引进、消化、吸收国外先 进技术和科研攻关，逐步掌握了各种高速和低速重载齿轮装置的设计制造技术。 材料和热处理质量及齿轮加工精度均有较大提高，通用圆柱齿轮的制造精度可从 j b l 7 9 - 6 0 的8 9 级提高到g b l 0 0 9 5 - - 8 8 的6 级，高速齿轮的制造精度可稳定在 4 5 级。部分减速器采用硬齿面后，体积和质量明显减小，承载能力、使用寿命、 传动效率有了较大的提高，对节能和提高主机的总体水平起到很大的作用。 遥宁工程接术大学赣士举链论文 1 1 3 减速器分类 凝蘧器鲍耱类繁多，按照搂凌类型对分受齿轮减逮嚣、龋拇减遽器鞠行星粪 轮减速器；按照传动级数不同可势为单缀和多级减速嚣：按照齿轮形状可分为嘲 撞齿轮减速器、溺锥齿轮减速器鞍阖镞一鞫往齿轮减速器：按照俦动豹礤餮形式 叉诃分为滠开式、分流式秘稳霉垂式减速秣。 1 2 齿轮 1 。2 。1 泼轮髓裁状况 齿轮祷麓是撬辕孛爨爨簧耧瘫蘧最广泛静稽濒炎黧之。巷一定程波土说， 滚轮生产虢羧零永平，蓑系着善家梳械工范静发矮求平。涎着选德王韭的迅速发 熙，齿轮技术也谢了很大发展。尤其是避3 0 年以来，在搬轮的啮念理论、承载能 力诗算鼍燕验，孝毒藕帮热懿遴、鸯鞋工工葱、穗度鞫溺爨、振动与礤声、濑溪裁与 润滑装置、新型泼轮传动等甚方藤，均眷缀大进鼹。暹避蚨下情况概要说明泼轮 技术的现状。 在齿轮翡毪魏方蠹：鲤蒋莲耱传魂掰能谴递鹣磅率霹达1 2 5 0 0 0 k v ：爨鼹速袋 w 达3 0 0 m s ；转速可达1 0 5 r m i m 齿轮减速器的传动比可达3 8 8 5 1 6 7 7 ；效率可达 0 + 9 9 5 ；豢耱麓内豹温疫蕊遮5 3 8 c ；重载誊轮豹毒愈霹这3 0 年戳主。焱鑫轮戆 必寸方瑶：分凄濑壹径获举到i m m 至a 卡寒，铡魏荚黧涮造懿嚣遮天绞驱动爨 轮d = 3 3 m ，甚至在荚国还獭现过直径达1 5 2 3 m 韵随型齿轮；齿轮酌耩数飙0 0 0 4 m m 盥至l o o m m ：搬轮的齿数从特殊搬轮的拨数兔l 或2 毂至可达数乎缝。程速轮的 锘4 造及精度方谣：磨1 萄陵瀚加工精度可遮i s 0 2 3 缀；滚落概翡勰王精度可达i s 0 5 缀，超精发滚凌瓿茨麴王糖发可达i s 0 4 缀；经王爨瘗囊l 王戆壤趁戆毽蘸粳糙度霹这 r o 。2 0 1l am ；丈型滚搬槐的最大加工嶷径可选9 m ；醣于高硬艘及超麓硬度滚 秘鼹窭瑗，不稷h b = 3 0 0 4 0 0 鼹中硬齿殛蠢轮哥 ；l 溺滚刀热工，褥基h r c = 5 6 6 2 的硬齿面齿轮也可以滚刮加工。 盘予j 瑟代辩攀技术及互攮蕊邈速发璇。封逡轮转韵掇出了越来越嵩豹要求， 这些要求童要楚离承戴能力、高馕髓、麓w 靠瞧、侮襁，j 、重量辍。为了实瑶这 些要求，从6 0 年代以来，很多工业发达圈家在发展硬齿面、磨齿、商精度、修形 齿轮方瑟取褥了整太楚成莱。壤速器豹碟靠性也越寒越受劐重褫，濒嚣辱筝鸯减速 器的关键件齿轮的失效形溅研究 缒迈上了个新的台阶。 辽宁t 程技术火学坝i 学位论文 1 2 2 重载齿轮目前状况 重载齿轮主要指为矿山、冶金、建材、石油、化工、电站、锻压、起重运输 机械等主机配套的齿轮和通用减速器中的齿轮。其作为齿轮制造行业中的重要组 成部分，经过数十年的发展，在国内已具有相当的规模和实力。特别是从7 0 年代 后期至8 0 年代，我国在引进冶金、建材、石油、化工、电站等方面的大型成套设 备中，同时引进了与其配套的齿轮制造技术。与此同时，国内一些重载齿轮生产 厂家也进口了一系列的大型高精度切齿设备、大型齿轮检测设备以及热处理设备。 如3 5 m 磨齿机、2 5 m 齿轮检测仪、大型高精度滚齿机、大型滚刀磨床、2 m 渗碳 炉等。通过技术引进和消化吸收工作，以及围绕提高齿面承载能力进行的一系列 科研攻关，加之先进的齿轮制造设备及检测设备的引进，大大促进了我国重载齿 轮行业制造技术的发展，逐步缩小了我国重载齿轮产品水平与国外先进水平的差 距。这方面的标志是国内重载齿轮制造行业已发展到以渗碳淬火磨齿齿轮为主导 地位的新阶段，基本上可以满足固内大型成套设备的配套要求。 1 3 齿轮失效形式 根据损伤统计，在传动装置中，齿轮损伤占总数的6 0 左右；其中轮齿损伤 又占主要部分。齿轮损伤的影响因素很广，包括选材、设计计算、毛坯、加工、 热处理、安装调整和使用维护等。轮齿承载能力的极限值主要取决于：材质、表 面状态、圆周速度、润滑条件、传动方式以及轮齿参数等。为避免轮齿过早损伤， 必须对具体轮齿的损伤作具体的分析，找出原因与对策。通常根据齿轮损伤的本 质，把损伤分为以下几类： 1 3 1 轮齿折断( b r e a k a g e ) 轮齿象一个悬臂梁，受载后齿根部弯曲应力最大，而且有应力集中，使得轮 齿容易在根部折断。 轮齿折断分为两种情况：一种是当重复受载后，齿根处产生疲劳裂纹，裂纹逐 步扩展，致使轮齿折断；另一种是轮齿受到短时过载或冲击载荷而突然折断。 1 3 2 齿面点蚀( s u r f a c ef t i g u e ) 齿轮工作时，其啮合表面一k 任一啮合点所产生的接触应力是由零( 该点未进 入啮合时) 逐渐变到最大值( 该点啮合时) ，即齿面接触应力是按脉动循环变化 的。齿面长时间在这种循环应力作用下，齿的表面就会发生细微的疲劳裂纹，裂 辽宁工程技术人学硕： j 学位论文 纹的扩展使表层金属微粒剥落下来形成齿面点蚀。实践表明，齿面点蚀多出现在 轮齿节线附近靠齿根的一侧。 1 3 3 齿面胶合( s c o r i n g ) 在重载的齿轮传动中，由于齿面间压力很大，造成啮合面间润滑油膜的破裂， 使滑动速度较大的、直接接触的金属表面产生瞬时高温而粘连，其中较软齿面上 的金属颗粒沿啮合齿面相对滑动速度方向被另一齿面撕下，这种失效形式称为齿 面胶合，在低速重载的齿轮传动中，由于齿面间不易形成油膜，也可能出现胶合 现象。 1 3 4 齿面磨损( w e a r ) 当狄尘、砂粒、铁屑等落入齿面问时，将引起齿面的磨粒磨损。闭式齿轮传 动，只要注意润滑油的更换和清洁，一般不会出现这种齿面磨损。丌式齿轮传动， 由于齿轮外露，其主要失效形式为齿面磨损。 l _ 3 5 齿面塑性变形( p l a s t i cd e f o r m a t i o n ) 若轮齿的硬度较低，在啮合过程中，轮齿齿面上会产生局部金属流动现象一 一塑性变形，从而破坏了齿面的渐丌线齿形。这种失效形式常在低速、过载和起 动频繁的传动中发生。提高齿面硬度，选用粘度较高的润滑油等，都有助于防止 或减轻齿面塑性变形。 1 4 影响胶合因素概述 轮齿胶合又称粘着撕伤。胶合是相啮合齿面上的金属，在一定压力下发生粘 着，随着齿面的相对运动，金属从较软的齿面上撕落，而引起的一种严重磨损现 象。关于齿轮胶合，丌始研究的时间并不晚，但是出于胶合破坏事前无预兆，发 生突然，影响因素复杂，所以一直到现在对胶合机理的研究仍然不透彻，甚至用 什么物理量来评定胶合更合适，还没有定论，但胶合的严重后果，已为大家所熟 知。 煤矿一些重要的生产运输设备如采煤机、掘进机、刮板输送机等的减速器低 速轴线速度一般在l 2 m s 而传递的功率大多在l o o k w 以上，对于重载齿轮传动， 最容易产生轮齿的胶合失效，它是重载齿轮经常产生的破坏形式，开始是擦伤， 擦伤到一定程度发生胶合。擦伤是在齿面上产生划痕，不产生金属的转移，划痕 较浅，当齿间的油膜破裂，极压膜也失去作用，由于轮齿问的干摩擦而产生局部 高温，使相接触的金属熔焊在一起，并使部分金属迅速转移。被胶合齿面特征是 辽宁u 丁程技术火学坝：i j 学位论文 齿面被撕破或起沟，其痕迹是沿滑动方向，当滑动速度不利于产生流动油膜及超 符合运转或润滑剂使用不当，就会发生胶合， 影响胶合的因素很多，首先要考虑的是齿轮设计参数、加工精度、装配精度 等与制造有关的因素，以及名义载荷，名义圆周速度等运转基本量。其次是与运 转条件有关的动载荷、速度波动、冲击，以及影响齿面摩擦性能的润滑剂和齿轮 材料的表面性质。影响胶合的因素主要可以归纳为以下六个方面： ( 1 ) 齿轮几何参数和齿形模数、压力角、齿宽、螺旋角、变位量和修形等对 胶合影响很大，设计时应选择能使表面温升小的参数和齿形。 ( 2 ) 加工制造精度和装配精度齿轮误差，可使同时啮合的两对齿的载荷分配 发生变化，也可使齿向载荷分柿发生变化，导致胶合发生。另外，啮合误差会产 生动载荷。表面粗糙度对胶合影响也很大，因此齿面必须具有低的粗糙度值。 ( 3 ) 运载条件动载荷、过载、速度波动、冲击载荷等对胶合的影响也不小， 设计时应当注意。 ( 4 ) 润滑油的性质润滑油的种类、粘度、成分、添加剂及其粘温性能对胶合 影响很大。 ( 5 ) 润滑方法采用浸油润滑还是强制润滑以及供油量、供油速度、供油位置 等对胶合影响也很大。 ( 6 ) 齿轮材料的表面性质金属组织的硬度、表面的摩擦性能和耐热性对胶合 也存在很大的影响。例如，金属组织中奥氏体增加，抗胶合能力下降：加入硫添 加会增加磨损，但可大大提高抗胶合能力；传热好的材料，可提高其抗胶合性能。 1 5 选题背景 1 5 1 西北奔牛集团减速器状况 西北奔牛集团有限公司是国家煤矿专用设备研究、丌发、生产基地，主要产品 有6 大类、3 2 个系列，具备向井工采煤企业提供适应大部分采煤工艺需求的采煤 工作面刮板输送机、转载机、破碎机的生产能力。公司以创建一流企业为管理目 标，建立了适应市场的技术开发体系，可靠的质量保证体系，富有竞争力的营销 体系，稳固的人才支撑体系和效益增长的保障体系，管理基础和整体素质在行业 内外赢得了广泛的声誉。 作为公司产品的核心部件减速器的研发、生产和质量保证一直是公司工作的 重中之重，公司拥有锻造、热处理、切齿、磨齿、硬齿面刮削、校f 、试验、检 辽宁工程技术大学坝l ：学位论文 验等世界一流的成套生产设备。先进的设备和独具特色的加工工艺，使所生产的 渗碳硬齿面圆锥齿轮、精度等级达g b l l 3 6 5 8 95 级；圆拄齿轮精度等级达 g b l 0 0 9 5 8 84 级：箱体加工精度达6 级。各规格型号的减速器均进行空载、效率、 噪声、温升和超载试验，矿用减速器另加l o o 小时耐久试验。传递功率1 2 5 0 k w 减 速器能在公司实验室完成上述六项试验。公司生产的圆柱齿轮有模数制和部分径 节制，有渐丌线和圆弧齿轮两种：圆锥齿轮有克林根贝尔格( k 1 i n g e n b e r g ) 、奥 林康( o e r l i k o n ) 、格林森( g 1 e a s o n ) 三种齿制。圆柱齿轮减速器有展丌式、分流式、 同轴式传动结构：圆锥齿轮减速器有单级圆锥齿轮，圆锥一圆柱齿轮、圆锥一行星 齿轮，圆锥一圆柱一行星齿轮：行星齿轮等单级、两级、三级传动结构。减速器的 高速轴额定输入功率已达1 2 5 0 k w 。 1 5 2 故障状况简介 西北奔牛集团有限公司生产的刮板输送机所用减速器在出厂试车时，个别产 品出现破坏性齿轮失效现象，该减速器为三级圆锥圆柱硬齿面减速器，它的失效 现象表现为陪试减速器主动轮靠近齿顶在节圆以上部分，被动轮靠近齿根在节圆 以下，在试车时出现轮齿失效的现象，如图所示，图l 一1 为圆柱齿轮失效形式， 图卜2 为圆锥齿轮失效形式，这种现象严重影响产品的质量和整机的可靠性，并 且此问题一直未能得到彻底解决，经过现场的分析和相关资料的介绍，这是一种 胶合现象( 相关资料也称擦伤) 和齿面塑性变形磨损共同存在的减速器齿轮失效 现象。本论文的工作重点是分析这种失效现象的原因，并且提出自己的试验方案， 经过本单位的现场验证，多次试验争取得出合理正确的解决措施及生产工艺。本 论文的研究内容拟定具体措施如下： ( 1 ) 通过理论计算在不影响传动性能的前提下，采用角变位齿轮减低齿，高 减少啮合始点和终点的滑动系数。 ( 2 ) 在材料的选择上进行严格把关，保证材料的性能和要求，选用不易粘着 的材料副，如互溶性小( 不同材质、晶格类型、品格间距、电子密度等) 硬度较 高、导热性较好的材料，加工后齿面残余奥氏体的含量应严格控制，通过对锻造 温度、锻比严格要求来控制齿轮毛坯组织过大、应力不均、枝状晶纤维组织的方 向性等性能要求。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 图卜1 圆柱齿轮失效形式 图卜2 圆锥齿轮失效形式 ( 3 ) 渗碳淬火工艺 对碳势进行控制，并保证从齿面到心部硬度梯度分布均匀。 ( 4 ) 严格加工工艺过程和工艺基准 作为低速重载齿轮其应该有一定的修形，该修形分为齿向修形和齿形修形， 齿向修形是指沿齿长方向在齿的两端把齿修成枣核形，避免端载荷的出现和沿齿 辽宁_ t 程技术火学颂一i j 学位论文 向载荷分布不均的现象。齿形修形式通过挖根去顶的办法，避免齿高方向的滑动 和齿顶的非渐开线干涉，选择适当的砂轮粒度和磨齿参数，提高齿面光洁度。 ( 5 ) 轮齿的装配试验 ( 6 ) 润滑油方面 合理的选用润滑油的粘度、闪点、油膜的压力强度，分析摩擦副之间的润滑 状态，通过加入添加剂来提高润滑效果。 辽中t 程技术大学顺：l 学位论文 2 、优化设计参数 2 1 实例选取 以我公司某型号三级圆锥圆柱齿轮减速器为例，其基本技术特征如表2 1 及 图2 一l 所示，减速器齿轮总传动比i = 3 4 11 x 6 6 1 7 x 5 5 1 7 = 3 8 8 2 ，减速器功率 2 0 0 k w ，输入转速1 5 0 0 转分，目前是我公司减速器主要系列之一，也是容易出现 齿轮失效的一个系列，它的一级传动是一对3 4 1l 的圆锥齿轮，二级是6 6 1 7 的 斜齿圆柱齿轮，三级是5 5 1 7 的斜齿圆柱齿轮，在本文中针对第三级5 5 1 7 的 对斜齿圆柱齿轮进行调整，对前后参数的计算对比并通过计算机模拟，以便对这一 理论进行验证。 表2 一l三级齿轮减速器技术特征 搿征 传动级模数螺旋角 传动比总传动 比 传动比 螺旋锥齿轮 1 m = 9 51 3 。= 3 3 。4 7 3 4 l l = 3 0 9 圆柱斜齿轮 2m = 81 3 。= 1 0 。 6 6 1 7 = 3 8 8 3 8 8 1 圆柱斜齿轮 3 m = 1 0 1 3 = 8 。 5 5 1 7 = 3 2 4 338364 三级圆锥一圆柱齿轮减速器 图2 - 1 传动简图 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 0 2 2 原设计滑动系数的计算 根据相关理论，为了获得轮齿具有最大抗胶合能力，采用变位方法和减小轮 齿的比压系数，即应使啮合齿在开始接触时主动轮齿根处的滑动系数nt 、与接触 终了时从动轮齿根处的滑动系数n 。、趋与平齐或相等，因为这样才能减小轮齿间 的最大滑动系数，如图2 - 2 所示，我们对原没计的齿轮参数变位系数进行了校核。 2 2 1原齿轮参数滑动率的校核 对原设计的齿轮参数小齿轮齿根部的最大滑动系数n 。、和大齿轮齿根部的最 大滑动系数n 。、进行计算，按图2 - 2 ，根据公式根据 忭去( 1 + 卦叫z 训 忙矗( + 才c z 圳 n ，轮1 滑动率； n 。轮2 滑动率； z 。、z ：分别为小轮、大轮齿数； l ，、l 。、s ，、s 。如图2 - 2 所示。原齿轮参数见表2 - 2 图2 - 2 计算滑动系数的啮合情况简图 辽中工程技术火学硕：1 学位论文 表2 - 2 齿轮啮合参数表 齿数z 1 7 齿数z ： 5 5 螺旋角 b8 模数 m1 0 分度圆压力角o ， 2 0 1 8 0 7 6 分度圆直径d 1 7 1 6 7 0 7 分度圆直径d ： 5 5 5 4 0 5 2 未变位中心距a 3 6 3 5 3 7 9 实际中心距a 3 6 4 啮合角q 2 0 3 7 7 7 3 总变位系数x 0 0 4 6 4 2 4 变位系数分配x 、x ： 0 0 4 6 8 8 x 0 4 5 x 2 - 0 4 0 4 x i + x 2 0 0 4 6 中心距变动系数y n 0 0 4 6 2 0 7 齿顶高变动系数y n 0 0 0 0 2 1 6 基圆直径d b l 1 5 9 5 6 3 5 基圆直径d b 2 5 1 6 2 3 4 9 齿顶高h 。 1 4 5 0 2 0 7 齿顶高h 。 5 9 6 2 0 7 4 顶圆直径d 。 2 0 0 6 7 4 8 顶圆直径d 。： 5 6 4 9 2 9 小轮齿顶啮合角a 。， 3 7 3 3 2 0 2 4 3 2 大轮齿顶啮合角a 。： 2 4 5 0 3 1 1 7 1 8 大轮节圆直径 5 5 5 4 l 小轮节圆直径 1 7 1 9 s = t a no ，x 1 5 9 5 6 3 5 2 ( t a n 2 0 3 7 7 7 3 ) 1 5 9 5 6 3 5 2 = 2 9 6 3 5 s ! = t a nq ，x5 1 6 2 3 4 9 - - 2 = ( t a n 2 0 3 7 7 7 3 ) 5 1 6 2 3 4 9 2 = 9 5 8 7 9 n a 。= t a na 。1 5 9 5 6 3 5 2 t a n 3 7 3 3 2 0 2 4 3 2 1 5 9 5 6 3 5 2 6 0 8 4 8 辽宁工程技术大学硕士学位论文 如图2 3 所示， = t a n 2 4 5 0 3 11 7 5 1 6 2 3 4 9 2 = 1 1 7 6 4 8 l = n ，a 广s l = 3 1 2 1 3 l z = n z a 2 - s t = 2 1 7 6 9 一- 丧( t + 乏 一型! 竺一f 1 + 旦l = 3 6 2 3 2 9 6 3 5 2 1 7 6 9 l 5 5j 盯- 矗( 1 + 鲁 器958 7 93 123 ( + 渤乏 一 1l 1 7j 图2 3 齿轮动态啮合图 齿轮齿廓的滑动率不应大于表2 - 3 数值： 1 2 辽宁工程技术大学硕士学位论文 表2 - 3 齿轮传动参数表 节圆圆周速度m s最大滑动率n 。 2 01 5 8 2 53 2 1 04 l 36 n 。影响齿面的胶合，因 此，为提高齿轮的抗胶合能力，应使n 产n 。或接近相等，滑动率变化曲线如图2 - 4 所示，纵坐标为滑动率n ，横坐标为啮合线a 。a 。，对该1 t t t 线分析得出如下结论： f z = 17 4 z _ 5 5 。 电 3 萋 z 。：。厂 烩 z 卑 1 箧 2 套 一n l 聒 一 瞽 l il2 蛔 s 2 s 图2 4 啮合齿轮副的滑动系数曲线 ( 1 ) 滑动率是啮合点位置的函数，其值在o 一之间变化。 ( 2 ) 轮齿齿根部的滑动率大于齿项的滑动率，小齿轮的齿根滑动率又大于大齿轮 齿根的滑动率。 ( 3 ) 轮齿在节点p 啮合时，n 。= r l 。= o 。 ， ( 4 ) 轮齿若在极限点a 。或a 。啮合时，n 。或r l 。将分别达到一，造成齿轮的严重磨 辽宁- t 程技术_ 人学倾：卜学位论文 损，故应避免轮齿在极限点啮合。 ( 5 ) 实际上，轮齿只能在实际啮合线a 屯上啮合，在a 2 点啮合时，轮i 齿根的滑 动率达到实际的最大值，在a 。点啮合时，轮2 齿根的滑动率达到实际的最大值。 ( 6 ) 轮齿在不同点啮合时，其滑动率的数值是不同的，齿根滑动率大于齿顶的滑 动率，齿数差越大m 越接近n 。a ，越接近，即增大a ：点至n 点的距离，可以减 小r 1 的最大值。 由上图2 - 4 可看出，当两轮的中心距不变时，即理论啮合线n , n 。不变，若减 小大齿轮的变位系数x ：，以减小其齿顶圆直径，可以增大凡点到n 点的距离，使 n ：减小：增大小齿轮z 。的变位系数x 。以增加其齿顶圆直径，可以使a 。点向n 。 点方向移动，使n ：增大，这样就可以调节使nfn ： 2 2 2 调整变位系数后滑动率校核： 通过调整变位系数我们选择：小轮变位系数x = o 5 7 ，大轮变位系数x ：= 一 0 5 2 4 。 调整后的滑动率计算： s = t a n ，x1 5 9 5 6 3 5 2 = ( t a n 2 0 3 7 7 7 ：3 ) 1 5 9 5 6 3 5 2 = 2 9 6 3 5 s 。= t a na ，x5 1 6 2 3 4 9 2 = ( t a n 2 0 3 7 7 7 3 ) x5 1 6 2 3 4 9 - f 2 = 9 5 8 7 9 n i a 。= t a nq 。x 1 5 9 5 6 3 5 2 = t a n 3 8 2 i 1 0 6 1 5 9 5 6 3 5 - f 2 = 6 2 8 0 7 a 2 = t a n 。：x5 i 6 2 3 4 9 2 = t a n 2 3 9 6 3 4 9 x5 1 6 2 3 4 9 - f 2 = 1 1 4 7 2 4 l l = n , a 一s = 6 2 8 0 7 2 9 6 3 5 = 3 3 17 2 l 2 = n 2 a 2 一s 2 = 1 】4 7 2 4 9 5 8 7 9 = 】8 8 4 5 辽宁_ t 程技术火学碳卜学位论文 根据公式( 2 1 ) 、( 2 - 2 ) f l + 旦 ：2 2 8 6 l5 5 ) 。淼958 7 93 3 ( + 菁 - z z a ， 一 1 7 2 i1 7 见图2 - 4 虚线部分，调整后齿轮参数如表2 - 4 。 表2 - 4调整后齿轮参数表 1 5 齿数z 1 7 齿数z ： 5 5 螺旋角b8 模数 m l o 分度圆压力角a 2 0 1 8 0 7 6 分度圆直径d 1 7 1 6 7 0 7 分度圆直径d ： 5 5 5 4 0 5 2 未变位中心距a 3 6 3 5 3 7 9 实际中心距a 3 6 4 啮合角a 。2 0 3 7 7 7 3 总变位系数x0 0 4 6 4 2 4 变位系数分配x 。、x ：0 0 4 6 8 8 x lo 5 7 x ?- 0 5 2 4 x + x 20 0 4 6 中心距变动系数y 0 0 4 6 2 0 7 齿顶高变动系数y 。0 0 0 0 2 1 6 基圆直径d 。，1 5 9 5 6 3 5 基圆直径d 。：5 1 6 2 3 4 9 齿顶高h 。1 5 7 0 2 0 7 齿顶高h 。4 7 6 2 0 7 4 顶圆直径d 。 2 0 3 0 7 4 8 顶圆直径d 。 5 6 4 9 2 9 3 小轮齿顶圆压力角o 。 3 8 2 l 1 0 6 大轮齿顶圆压力角a 。： 2 3 9 6 3 4 9 旧淌缶m 5、 弭 乙一互 一厶 ；詈 p 辽宁丁程技术火学t o i ：l ：学位论文 1 6 2 2 3 变位系数的校核 变位系数的选择受下列条件的限制： ( 1 ) 为满足无侧隙啮合必须保证的几何条件；我们在选择总变位系数时就是 根据无侧隙啮合的条件选择的，不必再验算： ( 2 ) 保证齿轮加工时不发生根切现象，或者在某些情况下不允许有轻微的根 切，但所发生的根切不致减小预期的重合度或缩短齿廓的有效部分。 斜齿轮不发生根切的最少齿数 z 。i | l = 单( 2 3 ) z 。 不发生根切的晟少齿数， h 。端面齿顶高系数h 。= h 。c o s1 3 ， c lt 两齿轮啮合角 z 。：二坚：娶竺墅一：垒生生1 6 3 ，即z 。：1 7 ， “”s i n 2 口s i n 2 2 0 3 7 80 1 2 1 3 一。 保证齿轮加工时不根切的总最小变位系数 k 扩比警a ， x 端面变位系数， z 齿轮实际齿数 k 扩吃乌兰 ：c o s 8 。! ! 二! ! 二堑一3 2 x n = x c o s = 一3 2 3 2 ， x n 法向变位系数 k 一半水o s ，： k 。= 等川2 4 1 2 ，符合要求。 2 2 5 验证干涉条件 保证齿轮啮合时不干涉，也就是一个齿轮的齿顶不允许与另一齿轮的过渡线 相干涉，不能错误的认为用齿条型刀具切制出的齿轮副在啮合传动中完全不可能 发生干涉，因为当变位系数选用不当时，干涉问题实际上是存在的。啮合干涉检 查：齿轮根部有一段齿廓是由刀具齿顶圆角加工出来的过渡曲线，当过渡曲线与 另一齿轮的渐丌线齿廓接触时，不能保证正确啮合，甚至可能使齿轮卡住，这种 现象叫过渡曲线干涉，干涉的条件：小轮 卜一鲁o a n a , a , - t a n a t 蚪峨一鬻 协。， 符号意义同上 t a n2 0 3 7 8 - 芸。，( t a n 2 3 9 6 - t a n2 0 3 7 8 料砌一鬻 0 i5 6 0 1 5 0 成立 燃卜一。z ： ( t a f l a , i - t a n a t 柑t a n a , 一黜卜浯， 符号意义同上 辽宁丁程技术大学坝：l 。学位论文 1 8 陋s 一昙c t a n 3 8 2 1 - t a n 2 0 3 7 8 料t a n 2 0 一糍渊 o 2 4 3 0 0 1 9 1 6 成立 2 2 6 验证齿厚强度条件 保证有一定的齿顶厚，( 不致产生齿顶过薄的现象) ，以使轮齿具有足够的强 度。齿顶厚可按s ，式计算s a ，砒陪咖口j - i r l v o t m t “z 吲 s 。l 一轮1 齿顶厚， d 。l 一轮1 齿顶圆直径， s 一轮1 分度圆齿厚， d ，一轮1 分度圆直径。 s l 一轮1 节圆齿厚，s 1 = m ( 2 + 2 x 1 t a no ) ，m 模数，x 轮1 变位系数， a 啮合角。 s i = m ( n 2 + 2 x x l t a n at ) = 1 0 ( 3 1 4 2 + 2 0 5 7 t a n 2 0 1 8 ) ：1 9 9 9 9 s 。- = d 。- 菩j + 加v a j 一加v 口。， = 2 0 3 0 7 5 ( 1 9 9 9 9 - - 1 7 1 6 7 1 + 0 0 1 5 8 0 1 2 0 3 ) = 2 5 4 0 4 m s 虹= a 北 鲁+ ，”v 口j - i n v 口a , 2 c z 一。， d a 2 一轮2 齿顶圆直径， s 2 一轮2 节圆齿厚，s 2 = m ( 2 + 2 x x i t a no 。) ，m 模数，x 轮2 变位系数， o t 啮合角。 d 2 一轮2 分度圆直径。 s 2 = m ( 2 + 2 x x 2 t a n at ) = 1 0 ( 3 1 4 - - 2 - - 2 o 5 2 4 t a n 2 0 1 8 ) = 1 0 118 4 8 2 1 1 8 4 8 s a 2 = d a 2 丢；+ ，h v 口j 一拥v 口。： 辽宁工程技术火学硕：l ? 学位论文 = 5 6 4 9 2 9 ( 1 1 8 4 8 5 5 5 4 0 5 + 0 0 1 5 8 0 0 2 6 2 ) = 6 1 8 o 4 m 成立 2 2 7 滚切干涉条件验证 用标准滚刀加工时，要保证切出完整的渐丌线齿形。 用滚刀加工齿轮时，齿轮的齿形是由刀具齿廓范成出来的必须满足 l - - m 2 d i n ( om a ) ( 2 1 0 ) l 一为滚刀螺纹部分的长度，m = 1 0 的滚刀l = 1 5 0 ， d 。一顶圆直径， 大齿轮的校核： d a 2 s i ( oa 1 2 一q 、) = 5 6 4 9 2 9 s i n ( 2 3 9 6 2 0 3 7 8 ) = 3 5 3 l 一m 2 = 1 5 0 1 0n 2 = 1 3 4 3 3 5 3 成立。 小齿轮的校核： d a l ；i ，( o 。i q 。) = 2 0 3 0 7 5 s i n ( 3 8 2 1 2 0 3 7 8 ) = 6 2 1 8 7 l 一m 2 = 1 5 0 一1 0 2 = 1 3 4 3 6 2 18 7 成立。 结论：原齿轮间的滑动率，小轮3 6 2 3 ，大轮2 0 4 4 ，滑动率并不高，滑动率 的大小对胶合没有影响，从滑动率方面来说，影响胶合的因素主要是大小轮的滑 动率相差太大，通过上面调整后的变位系数计算，两轮滑动率接近相等，提高了 齿轮的抗胶合和耐磨损能力，改变了轮齿的传动质量。用标准滚刀加工时，要保 证切出完整的渐丌线齿形。 2 3 滑动率比照结论 通过对原齿轮件大小齿轮的滑动率计算，可以看出原设计中小轮的滑动率为 3 6 2 3 ，大轮的滑动率为2 0 4 4 ，滑动率并不高；同时单个齿轮滑动率的大小对胶 合没有影响，但对于一对相啮合的齿轮从滑动率方面来说，影响胶合的因素主要 是大小轮的滑动率相差太大，在啮入和啮出时出现了非渐开线干涉，出现了齿轮 胶合。通过对原齿轮副的变位系数的修整，对大小轮的滑动率重使两轮滑动率接 近相等，滑动率相差接近于零，并对重合度、干涉条件、强度进行了校核均满足 辽宁工程技术大学坝：i j 学位论文2 0 条件，证明调整后的参数提高了齿轮的抗胶合和耐磨损能力，改变了轮齿的传动 质量。 辽宁丁程技术人学觑1 i 学位论文 3 、原材料及锻件质量 齿轮锻件的质量直接影响着齿轮产品的最终质量，这其中包括机械加工性能， 热处理变形，渗碳淬火的质量、以及后续装配的齿轮件质量和失效等。因而国外 公司把齿轮锻件质量连同热处理、加工制造工艺等一起制定严格的规范( 使用若 干年后就要修订、再版) ，为保证产品的最终质量提供了前提条件。通过本章内容 的叙述为公司在材料采购和毛坯外协锻造方面提供一个依据。 3 1国外高速重载齿轮锻件及其质量控制 国外齿轮锻件的质量控制规范一般有两种形式：一种是对各种材料的齿轮锻 件提出一个总的规范，只针对不同加工工艺和热处理工艺提出不同的要求，国外 各专业协会的标准一般采用这种形式。另一种是对每种具体的齿轮材料提出具体 的规范，许多公司( 如费城齿轮公司) 的内部标准一般采用这种形式。在规范中， 对高速精密、低速重载、舰船、舰空、透平、化工、冶金以及矿山机械等不同类 型的产品用齿轮锻件提出了不同的要求。各种形式的规范中一般都包括化学成 分、冶会质量、强度和硬度、淬透性、热处理和无扭位侧等方面的内容 3 1 1 钢材种类及化学成分 国外高速重载渗碳齿轮用钢大多数采用低碳铬钼钢或低碳铬镍钼钢钢，而且 较多地采用保证淬透性“h ”钢。表3 一l 列出国外常用齿轮用钢及其化学成分。可 以看出，各国重载齿轮用钢种类较少，系列完善。 化学成分对齿轮的机械性能及热处理工艺性能有直接的影响，是材料生产中 最基本的控制因素。国外钢厂在向用户供货时，首先要提供钢材的炉前分析结果。 但由于齿轮锻件尺寸及其在钢锭中截取部位的不同，锻造部门还要对齿坯的化学 成分进行第二次检验。钢材淬透性是齿轮设计选材时的一个重要依据为了保证 要求的淬透性，对合金元素的含量范围控制得很严格。随着对镍资源的丌发以 及大型齿轮对淬透性及强度的要求愈高，一些含镍量较高的齿轮用钢便日益增多。 检验锻件化学成分的分析试样。可取自锻件本体或全尺寸加长段，实心锻件 取中心到表面二分之一处的任何一点，或者取自用于检验的试样。 3 1 2 冶炼技术和冶金质量 在美国，大部分齿轮用钢采用电炉熔炼、炉外精炼、真空脱气及细晶化处理。 对于某些航空用齿轮锻件还采用了真空熔炼技术。在日本，七十年代以来冶炼 辽宁工程技术人学坝：卜学位论义 技术明显改进，目前已广泛采用钢包精炼和钢包脱气处理，使钢中氧含量大幅度 下降，现在可以达到l o 1 5 p p m ，钢中非金属兴杂也大为减少，而且使钢材的化 学成分及淬透性带得以更严格的控制。 表3 一l 国外厂家常用齿轮用钢化学成份( ) 国家钢种 cc rm on i 同本 s c m 4 2 0o 1 8 0 2 3o 1 8 0 2 30 1 8 o 2 3o 1 8 0 2 3 s n c m 4 2 0 0 1 7 o 2 30 1 7 t o 2 3 o 1 7 o 2 30 1 7 0 2 3 s n c m 8 1 5o 1 2 o 1 8o 1 2 0 1 8o 1 2 o 1 8o 1 2 0 1 8 美国8 6 2 0 o 2 0o 5 00 2 0 o 5 5 ( a i s i4 3 2 0o 2 0o 5 00 2 51 8 8 标准) 4 8 2 00 2 0o 2 53 5 0 3 3 l oo 1 01 5 83 5 0 9 3 1 5o 1 51 2 00 1 2 3 2 5 德国 、瑞 o 1 80 9 7o 0 4 o 0 2 士等国 o 2 00 4 60 4 l0 2 0 o 1 3o 7 53 5 0 0 1 61 5 0o 0 51 5 0 o 1 71 6 5o 3 01 5 5 3 1 3 淬透性 为了满足各种尺寸齿轮的强度要求，淬透性是合理选择钢材的最常用指标， 也是用户向钢厂签定订货合同时的主要依据之一。国外把常用钢材的淬透性曲线 和数据积累起来，供选材和订货时参考应用。 目前应用最广泛的钢材淬透性试验方法是顶端淬火试验法。在检验齿轮锻件 的淬透性时，可采用与锻件相同炉号的锻棒试样。淬透性曲线应落在规定的淬透 性带内。 3 1 4 拉伸强度和冲击强度 拉伸试验和冲击试验是反映齿轮锻件力学性能( 包括强度、塑性和韧性) 的 有效方法。目前，国外公司对锻件拉伸试验和冲击试验的取样位置、数量和试验 方法都作了明确的规定。对每个锻件至少切取一个拉伸试样和一套( 三个) 冲击 试样，对于某些小尺寸的齿轮锻件。可以分组抽样切取拉伸试样和冲击试样。因 此，齿轮锻坯上都要留有足够的试验材料，以切取试样。试样切取方法是根据齿 辽宁r 丁程技术火学颂：l 。学位论文 轮种类和尺寸来确定的。 3 1 5 硬度 在热处理后，加工轮齿前，应对每个锻件进行布氏硬度检验检验的位置是 即将加工轮齿的部位，一般沿圆周等距离测量四个点的硬度值当有齿部位的最 终直径大于2 5 m 时，硬度侧量点数应增加到八个。当齿轮锻件的厚度大于1 2 5 m 时。应在锻件的两侧分别测取八点的硬度值。 3 1 6 热处理 对于碳钢锻件以及某些要求拉伸强度较低的合金钢锻件，一般可采用正火加 回火的热处理工艺。当拉伸强度要求较高时，锻件必须经过淬火加回火( 调质) 处理。 热处理的目的是保证得到均匀的硬度和良好的加工性能回火温度一般要求 在5 5 0 以上，这样才能保证在后续处理中工件的组织稳定性和尺寸稳定性。如 果锻件需在热处理前进行加工，则应为最终加工留有足够的加工余量，以保证去 除表面脱碳层，同时考虑可能发生的弯曲或其他形式的变形。 3 1 7 无损检测 为了防止有内在缺陷的齿坯进入机械加工，通常采用荧光或超声波探伤等。 如果可能，在锻造后可以立即进行这种检验，以尽早发现不合格锻件。 利用超声波对齿轮锻件探伤时，一般采用脉冲法。脉冲法是一种向锻件发射 持续时间很短的超声波脉冲然后接收它在材料内部缺陷上的反射波，以此来确 定缺陷存在的位置和大小的方法。上述两种方法都要求工件表面粗糙度控制在