硬齿面齿轮(渗碳碳氮共渗氮化)层深接触疲劳强度计算

硬齿面齿轮

（渗碳、碳氮共渗、氮化）

层深接触疲劳强度计算方法的探讨上海盛运机械工程有限公司李元元2012-11-30主要内容硬齿面剥落的发生原因层深接触疲劳强度计算方法介绍举例说明和解决办法总结硬齿面接触损坏形式

齿面点蚀

齿面剥落初期点蚀扩展型点蚀齿面接触疲劳强度（GB3480)计算基础扩展型点蚀发展到一定程度，齿面大面积剥落层深接触疲劳强度计算的必要性主要原因：齿面受压并有相对滑动在接触面上不仅存正应力，还存在剪应力。根据强度理论，求得两种应力之和为综合接触应力σcp。其最大值不在轮齿表面，而在离表面一定深度的次表面。导致齿面剥落层深接触疲劳强度的校核计算

—齿面剥落产生的原因层深接触疲劳强度的校核计算

—适用于渗碳、碳氮共渗以及氮化等硬齿面齿轮σH≤σHKP/SHK

σH—计算接触应力σHKP

—层深许用接触应力SHK—层深接触疲劳强度计算时的安全系数，推荐按下表取值，在缺乏试验实践数据时，可取最小平均值SHKmin=1.4钢种热处理过程中是否具备自动控制装置碳钢有1.5无1.6低碳合金钢有1.4无1.5无镍或含镍小于1%的合金钢（20Cr,18CrMnTi,25CrMnTi,20CrMnMo）有1.3无1.4含镍大于1%的合金钢（18CrMnNi2MoV,12CrNi3A,18Cr2Ni4WA,20CrNi3A,12Cr2Ni4,20Cr2Ni4A）有1.2无1.3层深接触疲劳强度的校核计算

—硬化层硬度分布层深许用接触应力σHKP取决于齿面硬化的热处理方式和可能出现损坏的区域。硬化层硬度H的分布规律是：HoHk—轮齿表面与芯部的平均硬度（HV）ht—有效硬化层深度z—硬化层的深度

ρv—齿形当量曲率半径层深接触疲劳强度的校核计算

—最大综合接触应力的深度WHt—单位圆周力E—弹性模量，2.1×105MPa；FtH—圆周力，N；KH—载荷系数；bw—工作齿宽，mm；u—传动比；β—螺旋角；最大综合接触应力处的深度式中外啮合为“+”内啮合为“-”

（1）最大综合接触应力的深度大于有效硬化层厚度时

bH＞ht

（见图a）层深接触疲劳强度的校核计算

—最大综合接触应力三种分布情况下许用接触应力的计算Hk—轮齿芯部平均硬度（HV）（2）最大综合接触应力位于硬化层内bH＜ht

（见图b）层深接触疲劳强度的校核计算

—最大综合接触应力三种分布情况下许用接触应力的计算实际硬化层深度度实际硬化层硬度（3）最大综合接触应力位于硬化层交界处bH=ht

（见图c）

层深接触疲劳强度计算实例2800kW的2级行星齿轮减速器（用于水泥磨中心驱动主传动），其技术参数下表所示：12Z1Z2Z3Z1Z2Z3齿数18521232039100模数mm1016行星轮数34减速比7.8336电机功率kW2800转矩N.m输入3.6X104输出1.7X106行星齿轮减速器主要参数级数参数层深接触疲劳强度计算实例（一）

——氮化处理内齿圈计算第2级内齿圈的层深接触疲劳强度：齿圈材料42CrMo调质氮化处理。齿面硬度Ho=600HV，芯部硬度HK=320～340HB（HV320～340）有效硬化层深度为ht≈1.0mm。注：由于齿圈较大，限于制造厂当时的热处理条件（2003年），实际调质后的芯部硬度为220HB层深接触疲劳强度计算实例（一）

——氮化处理内齿圈计算当量曲率半径单位圆周力圆周力内齿圈节圆直径层深接触疲劳强度计算实例（一）

——氮化处理内齿圈计算最大综合接触应力深度由计算可得根据最大接触应力的深度大于硬化层厚度的情况，而计算所得内齿圈的计算接触应力为σH=630MPa（计算过程略）取安全系数SHK=1.4，即得：σH＞σHKP/SHK=792/1.4=566MPa结论：不符合层深接触疲劳强度条件

实际使用时，减速器在工业生产中产量超过100万吨水泥后，内齿圈发生剥落损伤。层深接触疲劳强度计算实例（一）

——氮化处理内齿圈计算解决办法：把内齿圈调质硬度调到300HB层深接触疲劳强度达到要求

许用层深接触应力层深接触疲劳强度计算实例（二）

——渗碳淬火太阳轮计算第2级太阳轮的层深接触疲劳强度：太阳轮齿轮材料20Cr2Ni4A；齿面渗碳，整体淬火；有效硬化层深度2.2～2.6mm；齿面硬度HRC58～62（HV700～750）；芯部硬度HRC32～36（HV270～320）；层深接触疲劳强度计算实例（二）

——渗碳淬火太阳轮计算当量曲率半径单位圆周力圆周力太阳轮节圆直径层深接触疲劳强度计算实例（二）

——渗碳淬火太阳轮计算最大综合接触应力深度由计算可得根据最大综合接触应力位于硬化层内的情况，而计算所得太阳轮的计算接触应力为σH=1244MPa（计算过程略）取安全系数SHK=1.2，即得：σH＞σHKP/SHK=1260/1.2=1050MPa结论：不符合层深接触疲劳强度条件层深接触疲劳强度计算实例（二）

——渗碳淬火太阳轮计算解决办法：芯部硬度已很高，将有效硬化层深度ht调到3.2mm：层深接触疲劳强度达到要求

最大接触应力位于硬化层内，许用层深接触应力为：σH＜σHKP/SHK=1548/1.2=1290MPa层深接触疲劳强度的校核计算

—结论有关于硬齿面点蚀剥落的层深接触疲劳强度计算已逐渐被齿轮传动设计人员所重视。本文推荐的硬齿面齿轮层深接触疲劳强度的计算方法，在理论上虽然有进一步探讨的余地，但经过对实例进行验算，有一定的可信度。根据本文推荐的校核计算方法，可以从理论上对硬齿面点蚀剥落进行分析，并提出有效的解决办法，具有一定的实践意义。层深接触疲劳强度的校核计算

—参考文献[1]РЕДУКТОРЫГОРНЫХМАШИН.Конструкции,расчетиисnытания.1987年П.В.СеменчаЮ.А.Зислин[2]国标GB3480-1997渐开线圆柱齿轮承载能力计算方法，北京标准出版社.