齒輪硬化層疲勞剝落強(qiáng)度研究與應(yīng)用.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，齒輪傳動(dòng)正逐漸向輕量化、低能耗方向發(fā)展。齒輪裝置是機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的核心設(shè)備，隨著工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)其承載能力和經(jīng)濟(jì)性提出了更高的要求。由于硬齒面齒輪具有強(qiáng)度高、體積小、質(zhì)量輕等一系列優(yōu)點(diǎn)，目前硬齒面熱處理工藝已得到普遍使用。但是，熱處理工藝過程中的節(jié)能降耗卻是對(duì)齒輪熱處理生產(chǎn)的重要考驗(yàn)。節(jié)能是熱處理技術(shù)發(fā)展中的一項(xiàng)意義重大但又艱巨的任務(wù)，節(jié)能工藝的推廣應(yīng)用，在齒輪行業(yè)具有重要的意義。
　　采用硬齒面齒輪替代軟

2、齒面或中硬齒面齒輪，是齒輪輕量化的重要手段。然而，齒面剝落作為硬齒面齒輪主要的失效形式嚴(yán)重制約了齒輪承載能力的大幅度提高。齒輪剝落失效的產(chǎn)生不僅與齒面下的剪應(yīng)力分布有關(guān)，而且與硬化層的深度、硬化層的硬度梯度等因素有關(guān)。表面硬化齒輪的有效硬化層深度與齒輪的強(qiáng)度、可靠性等性能密切相關(guān)，是保證齒輪承載能力充分發(fā)揮的關(guān)鍵。增加硬化層的深度有利于齒輪承載能力的提高，防止疲勞剝落失效。然而，過大的硬化層深度又會(huì)帶來如工藝難度加大、工藝周期增長(zhǎng)、畸變

3、增加等諸多問題，造成齒輪生產(chǎn)成本和能源消耗的增加。合理硬化層深度設(shè)計(jì)的要點(diǎn)是既要保證過渡區(qū)有足夠的強(qiáng)度防止深層剝落，又不過分加大安全余度。設(shè)計(jì)最佳的齒輪硬化層深度，無論是對(duì)提高齒輪齒面承載能力和產(chǎn)品質(zhì)量，還是節(jié)能降耗都是極其重要的。因此，進(jìn)一步開展能夠防止齒輪疲勞剝落并節(jié)能的最佳硬化層深度研究已成為齒輪設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)十分重要的工作。但目前為止，還沒有一種行之有效的硬化層深度設(shè)計(jì)方法可用于齒輪的抗剝落計(jì)算。本文從剝落產(chǎn)生的力學(xué)角度出發(fā)，對(duì)齒

4、輪疲勞剝落強(qiáng)度進(jìn)行了研究及試驗(yàn)驗(yàn)證。論文主要研究?jī)?nèi)容有：
　　（1）利用彈性力學(xué)理論，在不考慮摩擦因數(shù)和考慮摩擦因數(shù)的情況下，分別分析了齒面下兩種剪切應(yīng)力的分布特點(diǎn)，以及不同摩擦因數(shù)條件下齒輪剪切應(yīng)力的變化規(guī)律。為了更方便、直觀地了解齒面下剪切應(yīng)力的分布，采用克里格插值方法得到了正交剪切應(yīng)力和最大剪切應(yīng)力的空間分布圖。利用有限元方法對(duì)齒輪接觸的剪切應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算，并與理論方法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。
　?。?）討論了齒輪硬化

5、層深度的力學(xué)意義，分析了齒輪曲率半徑、心部硬度、殘余應(yīng)力及齒面加工質(zhì)量等與齒輪硬化層剝落的關(guān)系。根據(jù)最大剪切應(yīng)力和判據(jù)，提出了一種抗齒面剝落的硬化層深度設(shè)計(jì)方法，并根據(jù)剪切應(yīng)力與剪切強(qiáng)度的關(guān)系，得到了齒輪最低要求的硬度分布曲線。在此基礎(chǔ)上提出了定量確定齒輪最小有效硬化層深度的計(jì)算方法。
　?。?）根據(jù)齒輪有效硬化層深設(shè)計(jì)方法，推導(dǎo)了計(jì)算齒輪齒面下最大剪切應(yīng)力和齒輪有效硬化層深的公式，為定量確定齒輪有效硬化層深度提供了一種簡(jiǎn)便可行的

6、方法?；邶X輪有效硬化層深度的計(jì)算公式，得到了齒輪有效硬化層分布模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)齒輪有效硬化層深的定量分析。通過對(duì)齒輪硬化層深的影響因素進(jìn)行分析研究，找出了齒輪參數(shù)中對(duì)硬化層深度影響最大的因素。
　?。?）考慮到不同硬化層深度對(duì)齒輪接觸疲勞強(qiáng)度的影響，把安全系數(shù)和可靠性計(jì)算與硬化層深度聯(lián)系起來，建立了考慮硬化層深度影響的齒輪安全系數(shù)和可靠度計(jì)算模型，得到了不同硬化層深度與安全系數(shù)和可靠度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，使齒輪硬化層深度的選取更加直觀、更

7、加科學(xué)。
　?。?）利用齒輪抗剝落硬化層深度設(shè)計(jì)方法對(duì)試驗(yàn)齒輪疲勞剝落強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算，根據(jù)齒面下的應(yīng)力與強(qiáng)度的分布規(guī)律對(duì)齒輪是否發(fā)生剝落失效及齒面下疲勞裂紋萌生的位置進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并通過齒輪接觸疲勞試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。分別從材料的化學(xué)成分、夾雜物的檢測(cè)、金相組織分析、應(yīng)力分析、硬化層深度分析、偏載、過載分析等方面對(duì)齒輪剝落失效產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析。
　?。?）結(jié)合熱處理工藝試驗(yàn)，利用力學(xué)判據(jù)對(duì)風(fēng)電齒輪箱中齒圈以及三峽升船機(jī)齒條硬化