齿轮设计中的标准与应用.pdf

齿轮设计中的标准与应用 钟 良 齿 轮设 计包括了凿轮 的几何 精度设计和承 载能力计算 三个 方面 涉及数 学 几何 材 料 强 度 检测 制造 设备 制造工艺 以及生产管理和质 量控制 具有特殊 的复杂 性 随着 齿 轮技 术的发展 各 国制订了各 自的齿轮设计计算 公式和标准 特别 是齿 轮研 究课 题成 果和 齿 轮制造技术 的丰富 经验 使齿 轮设计制造 中的许 多I 可题得到 了相 当碍确 的解答 形成 了一 些成熟 系统 先进的 齿轮 设计标准 楗高了齿 轮设 计的技 术水平 但 是应该看到 由于认 识不 同以及研究总 结的 背景 试 验结果的差异 许 多齿轮计算 公式和标准从形式到体 系都存 在较大的差别 造 成计算结 果不一致 因此 如何应 用标准 采用什么样 的标准 是齿轮设 计 中的一个重要 的问题 应 用先 进的标准 是发展凿 轮技术 提高 齿轮 设计水平 的基本方法 同附应该 注意到 齿 轮技 术本身 的复杂性 和标准制定 的技 术 理论依 据 以及应 用条件 适用范 围 因此 在 齿 轮设计 中绝不 能简 单地将 现有标准拿 来就用 而必须认真估量 分析现 有的齿轮标准 和计算 公式 结 合 自己的经验 和制造技 术 制 定或采用适合于 自已的最优的齿 轮设计计算公 式和标 准 一 齿形爱标准与齿轮几何设计 渐开线 齿轮 的齿 形为 几何 学所 定义 轮齿 的几何要索须用几何尺寸来 描述 一般 说来 可 以按 功能的要求来确定轮齿尺寸 但 这是现代工业技术不 允许的 为获 得齿 轮的互换制 设计的统一 工具 的通用 以及制造 的经 济性 齿轮 的齿形和轮齿 的大小 已由各标 准化组织加 以标准 化 目前 渐开线齿轮轮齿尺寸 系列 各国的标准化组织均制定 了相 应的标准 为便于国际 间 齿轮技术 的交往 一般都采 用模数制 来表 轮齿的大小 原有 的径节制 标准 逐步被淘汰 一 些国 内外影响较大的标准 如GB1 3 7 5 I S O5 4 BS 4 3 6 DI N7 8 0 J I s B1 7 O l T O C T g 5 6 3 等 标准 从形式到内容都趋于一致 然 而 对于轮齿的 齿形 各标准则存在较大的差异 齿形主 要 由齿形角和全齿 高两个 基 本 参数 来描 述 搔向间隙在 垒齿高 中考虑 齿根圆角半径 与径 向间隙和刀 具齿顶 以及变位系 数等诸 多 因素相关 从 齿轮的承载 能力及传 动特性 出发 各 标准基准齿 形的 齿 形 角主要有 1 4 5 1 5 2 0 2 5 四种角度 对于全齿 高 由于径 向间隙的不 同 各标准 之 间存 在较大 的差异 通常各 标准所 规定的全 齿高系数在2 1 5 7 2 4 4 之 间 短 齿 齿形除外 我国的齿形 标准 渐开 线圆柱 齿轮基本齿廓 G B1 3 5 6 规定为2 2 5 D I N8 7 6 规定 为2 1 7 5 2 3 3 I S B1 7 0 1 规 定经 向间隙系数 0 2 5 齿形 角的大 小对 齿轮的承载能 力和 传动特性有较 大的影响 采用较小的齿 形角 齿轮的 啮合线长度和端面重台度均较大 有利于改善传动平稳性 在齿轮制造水平不高的早期 较 I 3 8 l 维普资讯 小的齿形 角得到 了援 普遍 的应 用 随着制造 水平的提高和传递 能力 的要求 为能使轮齿承受 更大的载荷 趋向于采 用大一些 的齿 形角 齿形 角愈 大 轮 齿弯曲强度愈高 但增大齿形角 会减 小端面重台 度 同时使轴承载 荷增大 因此 2 0 的齿形 角得到了大 多 数标准的接受 研究基准齿形的全齿高系 数 除短 齿齿形外 一般 都规 定齿 顶高 系数为1 而 径 向间隙 系数却不统一 其 数值在O 1 5 7 0 4 4 不等 从轮齿的弯 曲强度出发 齿 根需要过渡 圆弧 为 避 免产生 啮台 干涉 也要求一定的径 向间隙 齿根 过渡 圆弧 与径 向 间隙相联系 增大该间隙 相应也可增大刀具齿顶 圆角半 径 有缓 和齿根应力集 中的优 点 另一 方面 齿 根过渡圆角形 状 与齿 轮 的制造方 法有 关 由此可 以认为 径向 间隙是 否为恒定 的系数 并非 是主 要的 重 要 的是必须能够 证也轮在啮台过程中不发生干涉 并 此作为齿轮径向间隙的限制条件 根 据 齿轮的具体参 数 应用条件和制造 方 法 在设计 中确 定不 同的径向 间隙 实际上国外一些 先 进的齿形标准对 齿轮 的径 向间隙采用了灵 活的处理 妇 J I N B1 7 0 1 规 定径 向 间隙系数 0 2 5 DI N8 7 6 规 定为 0 1 5 7 O 3 齿轮 径向间隙设计的灵活性 产生 了卤 轮几何设计更深刻 的意义 在一定 程度上 推动 了齿轮 技术 的发展 应用较大的径向 间隙 发展 了齿根大 圆弧挖根槽底 齿形的设计 制造技 术 该齿形在 齿 根处形成 了较大的过渡圆弧 并能有效 地避免齿 根磨 削 台阶 显著 减 弱齿 根应 力集 中 保 留 齿根渗碳 淬 火过程 中产生 的有利 的残余压 应 力 提高轮齿的弯曲 强度 应用径向阔隙的灵活性 实现了齿轮几何设计中非齿顶降低的设计方法 这一设计技术 较之广 泛采用的保持标准径向 间隙 的计算原 则 有 其突出的长处 在保证轮 齿渐开线工 作展 长参数条件下 增加了齿轮端面重 合度 不 仅提高了 齿轮 传动的平稳性 而且亦综 合提高了 齿轮 的承载 能力 如GWH5 2 5 0 齿轮 箱的主传 动齿轮 齿面接 触承载能力提 高 1 1 1 呖 齿根 弯 曲承 载能 力提高6 7 呖 误差曩标准与齿轮精度设计 描 述齿轮的功 能并 睫具 备加工条件 必须用几何尺寸 和其它限制性数据把齿轮确定 所 谓 限制性数 据就是齿轮的误差 和公差 我们知道 齿轮 的误差 直接影 响齿轮的传动质量和噪 声 以及齿 轮强度 但是到 目前为止 人 们还 没有 准确 地掌 握误差对 强度和噪声 的影响 因此 捉是从 误差 对传动质量 的影 响来规定齿 轮的精度 尽 管齿 轮精度 理论一 致 但各国的齿轮制 造 技术 测 试技术水平不等 各齿轮 精度标准之间存在不同 程度的差异 渐开 线圆柱齿 轮精 度标准 J BI I 9 和DI N3 9 6 1 3 9 6 3 是很有 特色的 比 较 这几个 标准 可看到一些 明显的差别 应该说J B1 7 9 参照了1 S O 1 3 2 8 标准 并结 合我 国的齿轮制造技 术 经 大 量统计分 析和专题研究后制定 的 接 近国际 水平 但 该标准 中 笼 统单一 的齿形 和齿向误 差的概念 则存在不足 而在DI N标准 中 齿形 误差和 齿向误差 都分别细分为角度 误差 和形状 误差 齿形角度误差是 定值的压 力角误差 使 齿轮产生 顶刃啮台 齿高方向接触不 良 瞬附速 比 变 化 冲击 振动和噪音 齿形形状误差在一墙啮 合过 程中引起多扶交替接触 产生诲 频率 的振动和噪音 易形成不连续油膜 和边界润滑 齿 向角 度误差和 齿向形状误差都影 响齿 面载 荷分布均匀性 对宽斜齿轮 齿向形状误差对工作平稳性影响较大 引起瞬时速比变化 产 生 振 动和噪 音 另一方面 齿形 齿向的 角度 和形状 误差 的工艺原因也不 同 控制的手段也 不相 同 显 然 这样 的细分是 有必要的 此外 J B 1 7 9 标准中 齿形公差与分度圆直径相关 这意味着精度等级和轮齿大小相同 的齿轮 曲数愈多 传动质量愈低 实际上 相啮合的两齿轮无论直径差别多大 其齿形工 3 9 维普资讯 作部分渐开 线展长总是相 等的 磨 削的展成长度也 相同 因而加工的难易程 度相 当 当齿轮 的模数增大 齿形工作部分渐开线展长增加 加工难度增大 因此 齿形误差应该与模数相 联系 这也是J B和DI N标准 的另一差 别 对 于负 荷能 力和噪音特性要求高 的齿轮 将 齿形误差按模数分段 同时又将齿彤和 齿向 误差细分为 角度 误差 和形状误差 在 设 计 制造 和检验 中分别进 行控制 对提高齿轮传 动的 平稳性 减小振动 降低噪音 是十分有 益的 为了保证齿轮 的正 常工 作 齿轮 的非工 作齿面间需要一定 的间隙 经验表 明 过大 的侧 隙在 反转附产生 冲击和噪声 侧 隙过 小则可能 形成 齿间油气喷射噪音 齿面 烧 伤 和 轮齿卡 死 因此齿轮侧 隙也是 齿轮设 计中的一 个重要 问题 3 B1 7 9 标 准规 定了1 4 种 齿厚偏差 设 计中可选 用不 同的齿厚偏差组合 得 到 齿轮 副不同 的侧隙 但对 于齿轮副侧隙 的设计 和计算方法 国内目前 还没有专 门的标准 为此 齿轮工 作者总结 了较 系统 的侧 隙设 计方法和公 式 并得到 了普 遍的应用 在 应用 中 该侧 隙设计 公式体 系与实际有一 定的差距 棠造 成合格的齿轮和箱体在组 装 后 出现侧隙 超差 的问题 使设 计所要求 的侧隙不 能得到有效控制 现在齿轮副 侧障制均是 以固定 中心 距偏差 规定齿厚极 限偏差来 控制不 同 的 侧 隙 因 此 设计侧隙 即是 根据 齿轮 传动的工作条件所要求 的侧隙来确定齿厚的 极限 偏 差 在J B1 7 9 标准 中齿厚偏 差按 周节 极限偏差f 的倍 数排 列1 4 种代号 为了确定 齿厚 上偏 差 一般 都是考 虑热变形 需要的补 偿侧 隙 齿面润滑需要 的侧隙 轴承径 向游 隙的影响 以及在载 荷下 有关弹 性变形 的影响 由此计算 出最小 极限侧隙 在 此基础上考虑 齿轮 误差和安装误差 以及 中心距 偏差所 引起 的侧隙减小 确定齿厚 的上偏 差 同时又根据齿 厚上偏差 和齿厚 公差确 定齿厚下 偏 差 因此 实际可 能得 到的侧隙则是 根据 齿厚偏差和侧 隙的各种影响因素计算求 得 如上所 述 设计 中所 给定 的最大 和最小侧隙的数值范 围 完全取决于齿厚偏差和各影响 因素 在齿轮副侧隙设 计中 我 们以3 B1 7 9 标 准为基础 采 用了 以下 的处理 方法 a 按误差增大定律计算各种减小侧黥的影响因素 目前一般的计算方法 中 只将齿轮误 差和安装误 差按误 差增 大定律 处理 实际 上中心 距偏 差与这些误差具有相 同的性质 由于 中 心距偏 差与安装 误差相联 系 这些误差的各个单项不是 同时都能达到最大值 因此 中心 距偏 差仍 然符合该定律 同附 齿形误差总是减小齿轮 侧隙 也 应按误差增大定律 纳入 b 将 齿厚 偏差 按完全相加的相角处理 在 目前一般 的计算 方法 中 将齿轮副 最 大 侧隙 计算 式 中的齿厚公差 以误差增大定律处理 但是我们知道 齿轮副 中两个 齿轮 的齿厚 公差是 完全独立的 在实际生产 中 两个齿轮 的齿 厚偏 差都 可同对处于下偏差 显然这是 与误 差增 大定律相矛盾 的 实践证 明 我 们所采 用的侧 隙设 计计算 方法 使设计侧 隙与安 装侧 隙得 到吻台 有利于 齿轮副侧隙的控制 三 强度豆标准与齿轮幂奠 能力技榱 由于 齿轮失 效形式和机理十分复 杂 影响因素众多 许多标 准化组织都 作了全面深入 的 研 究 规定了齿轮承载能力的计算方法 目前齿轮强 度理 论已经 由经典 的刚体啮合理论发 展 到了弹 塑性体 的啮 合理论阶段 引八了弹塑理论和弹流理论 使齿 轮强 度成为一种 多学科 跨学科的边缘 科学 八三年 r 我国制定 了G B3 4 8 0 渐开 线圆柱 齿轮承 载能力计算方 法 标准 该标 准 从形式到 内容都接受TI S Q DP 6 3 3 6 I 8 0 标准 并与之等效 标准中引用了 下转第4 3 页 40 维普资讯 2 微观断 口观察 二 次裂 纹发达 主要措原 粗大 奥 氏体 晶界形成 并扩 腠 见图6 六 分析与讨论 齿面 出现 量多的垂直 于磨 削方 向的磨削裂纹 小块 剥落主要 有 以一 L 个因素 的练 合影 响 而引起 1 带状组织主要是钢锭 在锻压过 程 中树枝 偏析措锻压 加工 方 向延伸 丽形成的碳及 台金 元 素的差别 而随后的毛坯予 处理时没有消 除 在 以后 的最终热处理时形成 明显的珠 光体和 铁 索体相 间的条带 零件在加 热过程 中 偏 析严重地带的碳 化物 发生 较大 程 度 的 溶解 冷却 时 易沿晶 界呈 网状析 出 同时在 冷却过 程 中的组织转变时 体积 发生 膨胀 而 先形 成的高 脆性碳化物 网抑制 了钢 的塑 性变 形的进行 结果在高碳 区造成微 裂纹 特别是 当零件带状 组 织 的方 向与磨 削方 向垂直 时 微裂 纹一旦产生 就将沿带状 方 向延伸 扩展 造成严重 的如 图 1 所示 的裂 纹 2 原始奥 氏体 晶粒粗大 钢材 的晶粒大小 对钢 的破断 抗力 的影 响也 很 显 著 如 前 所 述 零件在淬火 冷却 时 碳 化物优先沿 晶界析出 当晶粒粗 大 晶界上碳 化物 和夹 杂元素数 垦较多 时 必然大大 降低 断裂 抗力 易在 晶界上形 成微 裂纹 同样 徽裂 纹一旦产生 在磨 削外力的作用下 将沿带状方向延伸 扩展 3 夹 杂分布不 理想 夹 杂呈 团状 密集状态破坏 了基体 金属 的连续性 在磨 削外力的作用 下 夹杂物 邻 近的基底 金属 或夹 杂物 将形成微裂纹 微裂 纹一旦出现 将沿带状 组织方 向延 伸 扩展 并在采 杂较 多处 出现 剥落 由于 以上三个因素的综合作用 即粗大的原始奥氏体晶粒 带状组织在淬火冷却过程中 形成的微裂纹源和 团状密集分 布 的夹杂 在外力作 用下 裂纹 源