【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 中 , 正火處理的目的也是消除鍛造應(yīng)力 ,均勻組織 , 使同批坯料硬度相同 , 利于切削加工 , 改善齒輪表面加工質(zhì)量。大型齒輪也常用正 火作為最終熱處理 , 正火齒輪的力學(xué)性能不如調(diào)質(zhì)齒輪 , 故僅用于制造不重要的大型齒輪 , 材料用優(yōu)質(zhì)中碳鋼 ( 45)。 鑄鋼 對(duì)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(shí) , 可采用鑄鋼制作 , 其強(qiáng)度比鍛鋼齒輪低 10%左右。鑄造齒輪的精度較低 , 常用于農(nóng)業(yè)機(jī)械。近十幾年來(lái) , 隨著鑄造技術(shù)的發(fā)展 , 鑄造精度有了很大的提高 , 某些鑄造齒輪已經(jīng)可以直接用于具有一定傳動(dòng)精度要求的機(jī)械中。為了提高鑄鋼齒輪的精度 , 應(yīng)增加機(jī)械加工工序 , 在機(jī)械加工前應(yīng)進(jìn)行正火 , 消除鑄造應(yīng)力和硬度不均 ,改善切削加工性能 。 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。而對(duì)于性能要求不高、轉(zhuǎn)速較低的鑄鋼齒輪通常不需淬火。常用的鑄鋼有 ZG270（ 500、 ZG310) 570 等。其工藝路線(xiàn)一般為 : 鑄造 正火 機(jī)械粗加工、半精加工 表面淬火 + 低溫回火 機(jī)械精加工 鑄鐵 對(duì)于一些輕載、低速、不受沖擊、精度和結(jié)構(gòu)緊湊要求不高的不重要齒輪 , 常用灰鑄鐵 HT200、 HT250、 HT300 等。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?；诣T鐵齒輪多用于開(kāi)式齒輪傳動(dòng)。近年來(lái)在閉式傳動(dòng)中 , 采用球墨鑄鐵 QT600) QT500) 7 代替鑄鋼制造齒輪的趨勢(shì)越來(lái)越大。 有色金屬 在儀器、儀表中 , 以及在某些接觸腐蝕介質(zhì)中工作的輕載齒輪 , 常用耐蝕、耐磨的有色金屬 , 如黃銅、鋁青銅、錫青銅等制造。 非金屬材料 受力不大 , 以及在無(wú)潤(rùn)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。此外 , 齒輪選材時(shí)還應(yīng)注意 : 對(duì)某些高速、重載或齒面相對(duì)滑動(dòng)速度較大的齒輪 , 為防止齒面咬合 , 并且使相嚙合的兩齒輪磨損均勻 , 使用壽命相近 , 大、小齒輪應(yīng)選用不同的材料。小齒輪材料應(yīng)比大齒輪好些 , 硬度比大齒輪高些。 北京航空航天大學(xué) 第 6 頁(yè) 3 齒輪的疲勞曲線(xiàn)和壽命系數(shù) 疲勞曲線(xiàn)和壽命系數(shù)的一般表達(dá)式 圖 31 和圖 32 是 ISO 計(jì)算法中給出的接觸強(qiáng)度計(jì)算的壽命系數(shù) ZN和彎曲強(qiáng)度計(jì)算的壽命系數(shù) YNT 的線(xiàn)圖。 圖 31 圖 32 北京航空航天大學(xué) 第 7 頁(yè) 如果齒輪的疲勞曲線(xiàn)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)。則齒輪的壽命系數(shù)為 ： ZN（或 YNT） = 式中 ?N 為循環(huán)基數(shù) 。 上式的壽命吸收也可理解為試驗(yàn)齒輪在有限壽命下的疲勞極限和無(wú)限壽命時(shí)的疲勞極限的比值，即 ZN（或 YNT ） = ISO 的疲勞曲線(xiàn)采用了包括 N=1 的 PSN 曲線(xiàn)（取失效概率 P= ）。這種曲線(xiàn)如圖 33 所示，設(shè)從一批條件相同的試件中，隨機(jī)檢取 25 個(gè)試件．把它們分為 5 組，并在 5 個(gè)應(yīng)力水平下試驗(yàn)，直至失效，從而得到 PSN 曲線(xiàn)如圖所示。中間的一條 SN 曲線(xiàn)具有失效概率 P= ，其它的兩條 SN 曲線(xiàn)也具有各自的失效率。樣本越 大，置信度越高。 對(duì)于給定的樣本，抗拉強(qiáng)度的范圍，用 ab 表示，而疲勞極限范圍，用 cd(N=N∞ )表示。如果應(yīng)力水平 S=Su（ Su—— N 趨向于 l 時(shí)的疲勞強(qiáng)度期望值），則進(jìn)行試驗(yàn)的 50%試件預(yù)期在第一個(gè)循環(huán) (N=1)中失效。因此剩余的一半試件可預(yù)期有 N1 的疲勞壽命。同樣，如果 S=SN(SN—— 循環(huán)次數(shù)為 N 時(shí)的疲勞極限期望值 )，則各有 50%的試件可預(yù)期超過(guò) N 或 N∞應(yīng)力循環(huán)。以上，都是對(duì)中間曲線(xiàn)而言的。 圖 33 p NN?limlim39。?? 北京航空航天大學(xué) 第 8 頁(yè) 圖 34 圖 33 中的任意一條曲線(xiàn)可簡(jiǎn)化為圖 34 曲線(xiàn)的形狀（采用雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)）。曲線(xiàn)由三部分組成： 1 一靜強(qiáng)度和少循環(huán)失效段； 2— 高循環(huán)疲勞失效段； 3— 持久壽命段（有時(shí)，這段曲線(xiàn)是假設(shè)的）。圖中 N∞ .、 N0 分別為三部分線(xiàn)段轉(zhuǎn)折處的循環(huán)次數(shù)， Slim 是疲勞極限。從 ISO 的壽命系數(shù)圖 (圖 31 和圖 32)來(lái)看，它采用的就是這種疲勞曲線(xiàn)。 疲勞曲線(xiàn)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(duì)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(duì)數(shù)成線(xiàn)性關(guān)系。 Stromeyer 式 ： S=bNa+Se 式中 Se— 疲勞極限 a、 b— 同材料有關(guān)的試驗(yàn)常數(shù) Bent 式： a、 b— 同材料有關(guān)的試驗(yàn)常數(shù) Weibull 式： SSe=b(N+B)a 式中 Se— 疲勞極限 a、 b、 B— 同材料有關(guān)的試驗(yàn)常數(shù) 上述疲勞曲線(xiàn)的表達(dá)式，在一定條件下都能作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸曲線(xiàn)。目前，世界各國(guó)的齒輪承載能力計(jì)算法中之所以采用冪函數(shù)式，主要是由于它的表達(dá)式比較簡(jiǎn)單，?? ?? ?? NS logbNaS ?? log1 北京航空航天大學(xué) 第 9 頁(yè) 并且也比較符合疲勞試驗(yàn)結(jié)果的緣故。 接觸疲勞曲線(xiàn)中的特征數(shù)（ p 和 N∞ ） 由于采用冪函數(shù)的疲勞曲線(xiàn)，所以壽命系數(shù)就采用了式 ZN= 這一式，不同的標(biāo)準(zhǔn)在形式上雖然一致，但是指數(shù) p 和循環(huán)基數(shù) ?N 的取值卻大不相同 ,具體見(jiàn) 表 31。 p NN? 北京航空航天大學(xué) 第 10 頁(yè) 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。 2） p 值完全取決于材料和熱處理性能，幾乎沒(méi)有規(guī)律可循。因此，按材料和熱處理的情況分別確定 p 值是比較合理的。 3）各家的循環(huán)基數(shù)差別也很大。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。循環(huán)基數(shù)的差別對(duì)齒輪壽命的計(jì)算雖然有影響，但是沒(méi)有 p的影響大。在處理上，只要是 SN 在坐標(biāo)紙上具有線(xiàn)性關(guān)系，那么任何 ?N 下的極限值都可通過(guò)外延法得到。 4）在 ISO 的計(jì)算法中，相同材料和熱處理的齒輪，根據(jù)是否“允許有一定程度點(diǎn)蝕”的判據(jù)，其壽命 系數(shù)取不同值。這種處理方法，有其合理的地方，但問(wèn)題是“一定程度點(diǎn)蝕”的含義缺乏定量的概念。這樣就會(huì)出現(xiàn)選擇壽命系數(shù)時(shí)的隨意性，缺乏計(jì)算法標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格性 北京航空航天大學(xué) 第 11 頁(yè) 接觸強(qiáng)度壽命系數(shù)值的比較 為了比較各計(jì)算法中壽命系數(shù)的具體數(shù)值，現(xiàn)取調(diào)質(zhì)鋼 (HB=250)和滲碳淬火齒輪為例，將壽命系數(shù)列于表 32 中。 表 32 由上表可以得到 ： AGMA 和 JGMA 的數(shù)據(jù)基本上是一致的，并且，其壽命系數(shù)值（ CL和 KHL）普遍比ISO 的小。 TOCT 的 KHL值是表列計(jì)算方法中最大的，特別是 N=105～ 3x105范圍內(nèi)更為明顯。 各家計(jì)算方法中所取的疲勞曲線(xiàn)的形狀和壽命系數(shù)值有很大的差別，這些差別的來(lái)源：其一是試驗(yàn)規(guī)范不一致。例如，在各種公開(kāi)發(fā)表的試驗(yàn)結(jié)果中，就有不同的點(diǎn)蝕失效判據(jù)；如何劃分早期點(diǎn)蝕、破壞性點(diǎn)蝕等，這些都影響試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)。其二是試驗(yàn)數(shù)據(jù)不足，因而使各家根據(jù)有限的試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的回歸曲線(xiàn)差別很大。特別是對(duì)于循環(huán)次數(shù) N108的齒輪試件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，顯得鳳毛麟角。 彎曲疲勞曲線(xiàn)中的兩個(gè)特征數(shù)（ p 和 ?N ） 目前，齒輪彎曲疲勞曲線(xiàn)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 12 頁(yè) YNT= 指數(shù) p 和循環(huán)基數(shù) ?N 是疲勞曲線(xiàn)的兩個(gè)特征數(shù) 。 現(xiàn)將各計(jì)算法中采用的 p 和 ?N 值列于表中 。 從表 33 中數(shù)據(jù)可見(jiàn) ， 隨著齒面硬度的增加 （ 除鑄鐵外 ）， p 值也增加，如 ISO，而 AGMA 卻有相反的趨勢(shì)?？傊?，對(duì)齒面硬度 HB350 的齒輪，取 p=6~9 比較合適。 表 33 p NN? 北京航空航天大學(xué) 第 13 頁(yè) 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)。如果用實(shí)驗(yàn)齒輪，在一定的試驗(yàn)條件下，在齒輪試驗(yàn)臺(tái)上作接觸疲勞壽命試驗(yàn)，就能得到兩個(gè)數(shù)據(jù)：齒 輪所傳遞的轉(zhuǎn)矩 T 和直到齒輪失效（達(dá)規(guī)定的失效判據(jù)）時(shí)的應(yīng)力循環(huán)數(shù) N。有了轉(zhuǎn)矩 T（或分度圓上圓周力、節(jié)圓上圓周力或單位齒寬上的圓周力等），就可以用一定的公式計(jì)算出該齒輪所受的接觸應(yīng)力 H? 或壽命為 N 的條件疲勞極限 HN? ，然而此H? 和 HN? 值 將隨所使用的計(jì)算公式的不同而又很大差別。因此，在進(jìn)行接觸疲勞極限值對(duì)比的時(shí)候，首先要搞清各家疲勞極限的計(jì)算表達(dá)式上的差別。 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(hào)意義如下： 北京航空航天大學(xué) 第 14 頁(yè) 根據(jù)以上各式的差異，以下幾點(diǎn)值得注意： 在幾何方