【正文】 高承載能力的重要齒輪 這類齒輪有汽車、拖拉機(jī)、摩托車、礦山機(jī)械及航空發(fā)動機(jī)等齒輪。因此在耐磨性、疲勞強(qiáng)度、心部強(qiáng)度和沖擊韌性等方面的要求均比較高。其工藝路線一般為 : 備料 鍛造 正火 機(jī)械粗加工、半精加工 滲碳 +淬火 +低溫回火 噴丸 校正 精加工 該工藝中正火的目的是為了均勻和細(xì)化組織 , 消除鍛造應(yīng)力 , 改善切削加工性 。這兩種鋼的切削加工性能較差 , 其工藝路線一般為 : 備料 鍛造 調(diào)質(zhì)處理 機(jī)械粗加工、半精加工 滲碳 高溫回火 機(jī)械加工 淬火 +低溫回火 機(jī)械精加工 檢驗(yàn) 北京航空航天大學(xué) 第 4 頁 在此工藝中 , 由于 12CrNi3A、 12Cr2Ni4A、 18Cr2Ni4WA 等高級滲碳鋼的淬透性較高 , 退火困難 , 一般采用調(diào)質(zhì)處理 , 使硬度降低到 35HRC 以下 , 改善切削加工性能。因此 , 要求綜合力學(xué)性能好 , 一般選用調(diào)質(zhì)鋼制造 , 如 40 鋼、 45鋼、 40C r、 42SMi n 等。 高頻感應(yīng)淬火及低溫回火是決定齒輪表面性能的關(guān)鍵工序 , 高頻感應(yīng)淬火可提高齒輪表面的硬度和耐磨性 ,并使齒輪表面具有殘余壓應(yīng)力 , 從而提高抗疲勞點(diǎn)蝕的能力。相互配對使用的小齒輪硬度稍高 (相差大約在 70~120HB) , 對齒輪的使用壽命有利。 鑄鋼 對于一些直徑較大 (U 400~ 500mm )、形狀復(fù)雜的大齒輪毛坯 , 當(dāng)用鍛造方法難于成型時 , 可采用鑄鋼制作 , 其強(qiáng)度比鍛鋼齒輪低 10%左右。 機(jī)械加工后 , 一般進(jìn)行表面淬火 , 提高硬度、耐磨性及抗疲勞強(qiáng)度。鑄鐵齒輪一般在鑄造后進(jìn)行去應(yīng)力退火、正火 , 機(jī)械加工后表面淬火 , 目的是提高耐磨性。 非金屬材料 受力不大 , 以及在無潤滑條件下工作的小型齒輪 (如儀器、儀表齒輪 ) ,可用尼龍、ABS、聚甲醛等非金屬材料制造。 圖 31 圖 32 北京航空航天大學(xué) 第 8 頁 如果齒輪的疲勞曲線具有冪函數(shù)的形式，即 SpN=C 式中 S應(yīng)力； N壽命，即循環(huán)次數(shù)； p指數(shù)； C試驗(yàn)常數(shù)。中間的一條 SN 曲線具有失效概率 P= ，其它的兩條 SN 曲線也具有各自的失效率。因此剩余的一半試件可預(yù)期有 N1 的疲勞壽命。?? 北京航空航天大學(xué) 第 9 頁 圖 34 圖 33 中的任意一條曲線可簡化為圖 34 曲線的形狀（采用雙對數(shù)坐標(biāo)）。 疲勞曲線的其它表達(dá)式 指數(shù)函數(shù)式 ： eaSN=C a、 C— 試驗(yàn)確定的常數(shù)； 兩邊取對數(shù)： aSloge +logN=logC 令 aloge= ， logN= ,得 這表明應(yīng)力 S 和循環(huán)次數(shù) N 的對數(shù)成線性關(guān)系。 p NN? 北京航空航天大學(xué) 第 11 頁 表 31 分析比較一下表 31 中的數(shù)據(jù)，可以看到： 1）指數(shù) p 的差別很大，從 Niemann 的各種材料的 p=2 到 ISO 的調(diào)質(zhì)鋼液態(tài)氮化p=. 的 p 值均取較小值，而 ISO、 AGMA、 JGMA 均取較大值。其中是一部分人為的取值不同而引起的，另一部分是試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)上的離散。這種處理方法，有其合理的地方，但問題是“一定程度點(diǎn)蝕”的含義缺乏定量的概念。 各家計(jì)算方法中所取的疲勞曲線的形狀和壽命系數(shù)值有很大的差別，這些差別的來源：其一是試驗(yàn)規(guī)范不一致。 彎曲疲勞曲線中的兩個特征數(shù)（ p 和 ?N ） 目前，齒輪彎曲疲勞曲線的計(jì)算法也采用冪函數(shù)的形式，即 北京航空航天大學(xué) 第 13 頁 YNT= 指數(shù) p 和循環(huán)基數(shù) ?N 是疲勞曲線的兩個特征數(shù)。 表 33p NN? 北京航空航天大學(xué) 第 14 頁 4 齒輪的疲勞極限 比較接觸疲勞極限的前提條件 目前的齒輪接觸應(yīng)力 H? 和接觸疲勞極限 limH? 都屬于“比較應(yīng)力”范疇，因?yàn)?H? 和limH? 的數(shù)值大小和計(jì)算式中各具體參數(shù)的取舍、粗精程度以及其他條件有關(guān)。 式（ 99）是試驗(yàn)齒輪接觸疲勞極限的 ISO（ GB）計(jì)算式 式（ 910）是 AGMA 許用接觸應(yīng)力 acS （相當(dāng)于 ISO 的 limH? ）計(jì)算式 下面式（ 911）和式（ 912）分別是 JGMA 和 ??OC 的接觸疲勞極限值 以上四式中的符號意義如下： 北京航空航天大學(xué) 第 15 頁 根據(jù)以上各式的差異，以下幾點(diǎn)值得注意： 在幾何方面， ISO、 OCT? 和 JGMA 三種計(jì)算法是十分接近的，重要的是比較 ISO與 AGMA 計(jì)算法的差別。 比較 ISO 計(jì)算式（ 99）和 AGMA 計(jì)算式 (910)，找出其一一對應(yīng)的計(jì)算參數(shù)后，發(fā)現(xiàn)只有四個參數(shù)是沒有互相包含的，即 AGMA 沒有考慮 ISO 中的 , LZ VZ , RZ ，而 ISO 中沒有考慮 AGMA 中的 TC 。 其次，在比較各家計(jì)算法中的疲勞極限值時，還要搞清各家齒輪試驗(yàn)中失效判據(jù)上的差別。但是，對于一般通用的齒輪承載能力計(jì)算法中的limH? 來說，就應(yīng)該有一個一致的失效判據(jù)，這樣才可能對不同的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行 對比和 北京航空航天大學(xué) 第 17 頁 修正，然而遺憾的是目前國內(nèi)外還沒有這種統(tǒng)一的失效判據(jù)。然而，在 DIN3990基礎(chǔ)上制定的 ISO200E 中，確沒有明確地說明確定 limH? 的失效判據(jù)，而在壽命系數(shù)中有出現(xiàn)了“允許一定程度點(diǎn)蝕”這樣不明確的規(guī)定。 為了制訂出統(tǒng)一的齒輪壽命試驗(yàn)規(guī) 范，近年來，在文獻(xiàn) [20]、 [222]中規(guī)定用點(diǎn)蝕面積率作為齒面疲勞的失效判據(jù)，具體規(guī)定如下。 在工業(yè)實(shí)踐中，通常不能要求有一個統(tǒng)一的失效判據(jù)。 ISO200E 明確指出：該計(jì)算法的 limH? 值“與 1%的失效概率相一致”。 ISO 把失效判據(jù)、失效概率和安全系數(shù)混在一起，從而有可能引起某些技術(shù)上的困難。目前，要統(tǒng)一循環(huán)次數(shù) ?N 是不可能的，但是我們可以取相同循環(huán)次數(shù) N 時的條件疲勞極限進(jìn)行比較，這樣就能大致上看出極限應(yīng)力值得大小了。由于 OCT? 和 JGMA 沒有這類材料的有關(guān)數(shù)據(jù)，因此圖中從缺。 圖 916 中 AGMA 球鐵的區(qū)域圖是按照“球鐵齒輪的 acS 等于相同硬度鋼齒輪的90~100%”繪制的。表中 II 為“允許一定程度點(diǎn)蝕”的數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)與 AGMA 的數(shù)據(jù)相近。從硬度范圍來看， JGMA 的碳鋼調(diào)質(zhì)、正火齒輪的取值比較合理。 北京航空航天大學(xué) 第 21 頁 圖 918 是火焰淬火、高頻淬火和滲碳淬火齒輪的 limH? 值。這是有道理的，因?yàn)辇X面硬度過高，會使齒面脆性趨勢增加而降低承載能力。 圖 919 是氮化齒輪的 limH? 圖?？磥?Winter的看法在 JGMA 中已得到實(shí)現(xiàn)。根據(jù) 15 對齒輪接觸疲勞壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)，求得失效概率 P=1%， 70 10?N時的極限應(yīng)力 2lim /1060 mmNH ?? 。這兩個數(shù)據(jù)畫在圖 919 中。例如， 等用 ISO 和 AGMA 的方法，計(jì)算了54 個實(shí)際使用的齒輪例樣，其齒根應(yīng)力的比值如表 99 所示，從而得出： ISO 的齒根應(yīng)力要比 AGMA 的高的多、其實(shí)，在 ISO 的許用彎曲應(yīng)力中取 FST FY ?? ? ，從而提高了許用彎曲應(yīng)力值。 首先，要搞清試驗(yàn)齒輪彎曲疲勞極限值得計(jì)算式。 從式（ 914） ~（ 917）可看出，除了各式共有的一些影響因素外， OCT? 式是考慮因素最多的。 ISO 明確指出：通常，齒的折斷就 北京航空航天大學(xué) 第 25 頁 是齒輪壽命的終止。這種差別取決于所加載荷的大小，材料性能和熱處理工藝。在 OCT? 中，沒有明確地給出 bFlim? 數(shù)值的可靠度，但在OCT? 2135475 的表 11 中，有一個注值得我們注意。FS ，此 39。這種可靠度有無的不同，必然導(dǎo)致各計(jì)算法的 limF? 取值的不同。圖中我國球鐵的一個數(shù)據(jù)點(diǎn)蝕通過 13對齒輪的彎曲疲勞壽命試驗(yàn)得到的。此圖示根據(jù) ISO、 AGMA、 JGMA和 OCT? 的原始數(shù)據(jù)繪制的，沒有統(tǒng)一的循環(huán)基數(shù)和失效判據(jù)。但引人注目的是OCT? 的數(shù)據(jù)（按 2lim /, mmNHBbF ?? 作圖）遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它值，如果 HB=350（圖中 北京航空航天大學(xué) 第 27 頁 HB 與 HV10 值按近似值關(guān)系處理），則 2lim /630 mmNbF ?? ，此值是 ISO 上限值得 倍。 從圖 921 可見， ISO 碳鋼調(diào)質(zhì)的硬度只到 HB210，這可認(rèn)為是太低了，取 JGMA 得范圍較好（ HB=160~290）。 圖 922 是滲碳淬火、高頻淬火、火焰淬火和整體淬火鋼齒輪的 limF? 線圖。JGMA 碳鋼滲碳淬火齒輪的 limF? 是最低的。 AGMA 只給出 4140 鋼氮化一個數(shù)據(jù)。 以上分析比較是輪齒單向彎曲時的 limF? 值。 同時，在選擇齒輪的各項(xiàng)參數(shù)時，也應(yīng)綜合考慮各項(xiàng)要求，從而達(dá)到事半功倍的效果。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是對我大學(xué)四年學(xué)習(xí)下來最好的檢驗(yàn)。 首先，我要特別感謝我的知道老師周巍老師對我的悉心指導(dǎo)，在我的論文書寫及設(shè)計(jì)過程中給了我大量的幫助和指導(dǎo)，為我理清了設(shè)計(jì)思路和操作方法，并對我所做的課題提出了有效的改進(jìn)方案。 。從他身上，我學(xué)到了許多能受益終生的東西。這期間凝聚了很多人的心血，在此我表示由衷的感謝。 首先非常感謝學(xué)校開設(shè)這個課題，為本人日后從事計(jì)算機(jī)方面的工作提供了經(jīng)驗(yàn)，奠定了基礎(chǔ)。 OCT? ：在 limF? 的計(jì)算公式中，用一個雙向受載荷影響系數(shù) FCK 來考慮，即當(dāng)單向受載時， FCK =1，當(dāng)雙向受載時 北京航空航天大學(xué) 第 30 頁 結(jié)論 以上就常用齒輪材料及熱處理工藝進(jìn)行了探討，同時對齒輪的疲勞極限和壽命系數(shù)一并進(jìn)行了分析 。但 ISO 指出： 1）表面硬度 HV1750 時，由于脆性，疲勞強(qiáng)度降低； 2）在表面硬化和氮化齒輪中，由于不僅表面硬度，而且硬化程度與邊緣區(qū)的硬度降都有某些 北京航空航天大學(xué) 第 29 頁 影響，因此幾乎顯不出表面硬度對疲勞極限的影響。 圖 923 是氮化齒輪的 limF? 的線圖。 JGMA 分碳鋼和合金鋼給出與 HV 成單值關(guān)系