齒輪硬化層疲勞剝落強度研究與應(yīng)用.pdf

1、隨著科學技術(shù)的進步，齒輪傳動正逐漸向輕量化、低能耗方向發(fā)展。齒輪裝置是機械傳動系統(tǒng)的核心設(shè)備，隨著工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，對其承載能力和經(jīng)濟性提出了更高的要求。由于硬齒面齒輪具有強度高、體積小、質(zhì)量輕等一系列優(yōu)點，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)能降耗卻是對齒輪熱處理生產(chǎn)的重要考驗。節(jié)能是熱處理技術(shù)發(fā)展中的一項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帶來如工藝難度加大、工藝周期增長、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)計的要點是既要保證過渡區(qū)有足夠的強度防止深層剝落，又不過分加大安全余度。設(shè)計最佳的齒輪硬化層深度，無論是對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)計中的一項十分重要的工作。但目前為止，還沒有一種行之有效的硬化層深度設(shè)計方法可用于齒輪的抗剝落計算。本文從剝落產(chǎn)生的力學角度出發(fā)，對齒

4、輪疲勞剝落強度進行了研究及試驗驗證。論文主要研究內(nèi)容有：
　?。?）利用彈性力學理論，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，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。利用有限元方法對齒輪接觸的剪切應(yīng)力進行了計算，并與理論方法計算結(jié)果進行了對比分析。
　　（2）討論了齒輪硬化

5、層深度的力學意義，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)計方法，并根據(jù)剪切應(yīng)力與剪切強度的關(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算方法。
　?。?）根據(jù)齒輪有效硬化層深設(shè)計方法，推導了計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便可行的

6、方法?；邶X輪有效硬化層深度的計算公式，得到了齒輪有效硬化層分布模型，實現(xiàn)了對齒輪有效硬化層深的定量分析。通過對齒輪硬化層深的影響因素進行分析研究，找出了齒輪參數(shù)中對硬化層深度影響最大的因素。
　?。?）考慮到不同硬化層深度對齒輪接觸疲勞強度的影響，把安全系數(shù)和可靠性計算與硬化層深度聯(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。
　?。?）利用齒輪抗剝落硬化層深度設(shè)計方法對試驗齒輪疲勞剝落強度進行了計算，根據(jù)齒面下的應(yīng)力與強度的分布規(guī)律對齒輪是否發(fā)生剝落失效及齒面下疲勞裂紋萌生的位置進行了預測，并通過齒輪接觸疲勞試驗進行了驗證。分別從材料的化學成分、夾雜物的檢測、金相組織分析、應(yīng)力分析、硬化層深度分析、偏載、過載分析等方面對齒輪剝落失效產(chǎn)生的原因進行了分析。
　?。?）結(jié)合熱處理工藝試驗，利用力學判據(jù)對風電齒輪箱中齒圈以及三峽升船機齒條硬化