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一个齿轮装置的成功或失败,材料的选择和热处理最为关键,尤其对于大功率齿轮的设计更是如此。美国齿轮制造业协会规定按齿轮的强度和耐久性选定材料和热处理方法。要缩小一个齿轮箱的尺寸,往往只需将低或中硬度(300hb)的齿轮,换为高硬度(55~60rc)齿轮,就可以实现。常用的硬化齿轮的方法有:

1.透淬

2.氮化处理

3.高频淬火

4.渗碳处理

5.火焰表面硬化

在一定的负载下,选用经热处理的高硬度钢材做齿轮,不用增大尺寸和重量,寿命就可以提高10倍。但硬化的齿轮必须和一个较软的齿轮配合使用。齿轮精度越高,寿命也越长。

透淬   适用于中等和深度透淬的钢材为4140和4340,这种钢的含碳量为0.35~0.5,可淬性与其它合金钢相似,用这种材料所做的齿轮耐磨性好,负载能力强。碳钢1040、1050、1137和1340适宜于表面淬火,不宜深淬。用这些材料制造的齿轮具有中等强度并能承受冲击载荷。4140钢淬火后,硬度为hb300~350,4340钢淬火后硬度为hb350~400后者适用于重载荷。般说来,切制硬度在hb380~400的齿轮是比较困难和较慢的。

氮化处理  这种方法的特殊价值在于它使材料变形很小。它的工艺是在较低的温度(975~1050f)下进行,无需淬火,因而可以避免像其它热处理方法所导致的变形和由此而引起的精加工。因渗氮层很薄,所以它只适用于小节距的齿轮(节径小于4),然而,两次渗氮的工艺可处理两个节径的齿轮。

任何含有可以形成氮化物元素,如铬、钒、钼等的合金钢都可以渗氮。4140、4340,6140和8740钢材渗氮后,通常里层硬度为hb300~340,而外表硬度可达rc47~52。如需更硬些,可用氮化合金钢,这种钢经处理后,表面可得硬度rc65~70,内层硬度为hb300~340。4140和4340钢材硬层厚度取决于它在炉中氮化处理的时间,经72小时的单循环渗氮,可得硬层厚度0.025~0.030英寸。如时间加倍,则可得之硬层厚度为0.045~0.050英寸。氮化合金钢渗氮层要比其它合金钢浅些,如合金钢4140和4340在相同的时间内渗氮层深度可超过它的50%,但硬度略低。

高频淬火  齿轮制造业中感应式淬火的两种基本类型是线圈式和齿廓感应式。线圈式的方法是将工件放在线圈内旋转,以产生高频电流,高频电流使工件加热,然后迅速放入油或水中淬火,使表面硬化。这种方法能使硬度为rc50~58,它与所用的材料有关。用这种方法可使轮齿全部或齿根以下均得到硬化。

齿廓感应式热处理方法是一种经济而有效的方法,可用于大尺寸的正齿、斜齿和人字齿,其表面硬化过程是利用一个感应体依次沿齿廓由齿根至齿顶移动,在经过的地方连续产生局部加热,达到淬火的温度(然后在空气中冷却),所以这种方法不致引起工件变形。4140和4340合金钢广泛采用这种工艺方法,表面硬度可达到rc50~58,齿侧硬化深度可达0.160英寸。对普通碳素钢诸如1040、1045也能用这种方法进行热处理,但它们必须在水中淬火。

渗碳处理   这是使表面硬化的一种好方法,它既可得到齿轮耐久所需的高硬度,又可使齿轮得到高的抗弯强度和抗摩强度

在渗碳层中的残余挤压应力有助于改善这种热处理材料的抗疲劳特性。正常情况下渗碳层深度约为0.03~0.25英寸,硬度rc55~62,内层硬度hb250~320。适用于渗碳处理的钢材为4620、4320、3310和9310。渗碳和淬火会使齿轮变形,因而它的使用也受到一定限制。工艺发展已经可使变形达到最小程度,但一般还需在渗碳和淬火后进行磨齿和研磨,以达到所需的齿轮的精度。

火焰表面硬化   这是用乙炔火焰加热轮齿表面,使其达到规定温度,然后空冷或水淬。这种方法可使齿轮的耐久性有所改善,但对齿的强度不一定有利,因为齿表面的硬化层不能达到齿根部分,在硬软交接处会产生应力,削弱了齿的强度,故其使用亦有一定局限性。

在考虑大小齿轮热处理工艺时,往往需要许多时间。应用于互配的大小齿轮热处理工艺列举如下,供齿轮设计时参考:

1.渗碳的小齿轮—渗碳大齿轮

2.渗碳的小齿轮—透淬的大齿轮

3.渗碳的小齿轮—氮化处理的大齿轮

4.氮化处理的小齿轮—氮化处理的大齿轮

5.氮化处理的小齿轮—透淬的大齿轮

6.高频淬火的小齿轮—透淬的大齿轮

7.渗碳的小齿轮—高频淬火的大齿轮

8.高频淬火的小齿轮—高频淬火的大齿轮

9.透淬的小齿轮—透淬的大齿轮

 

齿轮装置的合理化

齿轮的硬度是影响齿轮装置的寿命,以致于齿轮尺寸的重要因素。将齿轮由中等硬度(约hb300)提高到rc55~60,往往会将齿轮装置的尺寸缩小一半左右。此外,如齿宽与节径之比,压力角与节距之比等也是减小齿轮尺寸的一些重要因素。当根据使用要求设计齿轮时,首先应考虑选择标准样本上的齿轮装置,这样可以合理地降低成本。一般说来,选用样本上的齿轮是经济和有效的,但可能适用范围有限。对于有些特大功率,高速或空间上的特殊要求,应进行专门的齿轮选择和设计。

减少齿轮噪音  在设计齿轮装置时,降低噪音和振动的措施与选择齿轮合理的强度和尺寸是互相矛盾的。一般说来,平行轴齿轮安装的几何尺寸精度容易保证,且齿轮接触的摩擦小,故它比直角齿轮传动的运转情况好。斜齿轮啮合时,重叠系数大,根据经验,它的噪音比正齿轮的噪音小12分贝。加工双斜齿或人字齿轮时存在保证两个斜齿对称性的精度问题,所以只有单斜齿轮最适用于宽广的速度范围,至于它在啮合过程中的轴向力和翻转力矩,在现代设计技术中是容易解决的。

为了取得良好、轻快的传动,设计时应遵循以下部分或全部原则:

1.根据负载情况选择合适的节径;

2.应用最小的压力角:最常用的是14.5°或20°

3.修正渐开线齿形的齿顶或齿根,以保证平滑啮合,没有冲击并补偿微小的偏心;

4.考虑到热膨胀和离心膨胀,应留有适当的齿侧间隙,但不应大到妨害正常啮合;

5.规定较高的齿轮精度,以减少冲击动载荷,一般为取得平稳、无噪音运转,按agma标准需选取质量数≥12;

6.齿表面光洁度至少要达到20rms;

7.转子的同心度和径向跳动应保持准确;

8.转子的不平衡度应小于3 盎斯-英寸,其中w=重量,磅,n=转速,每分钟转数;

9.齿轮付的齿数应互为质数,以防止齿轮啮合过程中出现同一对齿的周期性啮合(所谓振荡齿);

10.运转系统中部件的临界速度应至少偏离运转速度、运转速度的倍数和齿轮啮合频率的30%以上;

11.齿轮箱支承元件的共振频率应至少偏离运转速度、速度的倍数和齿轮啮合频率的20%以上;

12.设计或使用粘性最高的润滑剂

13.轴承对噪音级也有影响,应选用噪音低的滚动轴承。一般滑动轴承比滚动轴承噪音低,但其应用较为复杂;

14.进一步减少噪音与振动可以从机壳的设计着手,可选用吸振材料或采用隔振,减振措施。

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