硬齒面齒輪

齒面的承載能力應與齒面硬度有關，硬度越高，則其承載能力也越高。根據齒面硬度的大小，通常人們將齒輪傳動分為兩類，即硬齒面齒輪傳動和軟齒面齒輪傳動。通常一對嚙合齒輪的齒面硬度均大於350HBW，稱為硬齒面齒輪，否則即稱為軟齒面齒輪。

基本介紹

• 中文名：硬齒面齒輪
• 分類：硬齒面齒輪，軟齒面齒輪
• 常用材料：低碳合金鋼
• 作用力：軸向力

基本概念

簡介

風力發電增速齒輪箱中，其輸入軸承受葉片傳過來的軸常用材料向力、扭矩和顛覆力矩。中間軸上的齒輪承受輸入端傳過來的力矩和輸出端剎車時傳過來的剎車力矩。輸出軸上的齒輪承受中間軸傳過來的扭矩，同時也承受輸出端剎車時帶來的剎車力矩。

材料分析

風力發電增速齒輪箱中，齒輪的為低碳合金鋼，重齒公司常用20CrMnTi、20CrMnMo、17CrNiMo6等材料；內齒圈用42CrMoA材料。

齒輪材料為滲碳鋼，滲碳鋼載未滲碳前進行的各種試驗只能測定零件心部的性能，滲碳淬火後的性能除與心部性能有關外，還受滲碳層深度、滲碳層的碳含量與金相組織。內應力的分布等因素的影響。

1、 抗彎強度 滲碳鋼的靜強度一般通過彎曲試驗測定。零件心部硬度、鋼材的化學成分合面層碳含量都影響彎曲強度。在滲碳層深度一定的情況下，心部硬度增加時，彎曲強度隨之增加；當滲碳層組織相同時，滲碳層深度增加，彎曲強度隨之增加；在滲碳層深度與心部硬度相同時，含鎳的鋼材彎曲強度比其他鋼材彎曲強度高；滲碳層面層碳含量增加時彎曲強度降低。

2、 疲勞強度 齒輪多因變載荷作用而疲勞損壞，如齒根彎曲疲勞損壞合齒面接觸疲勞損壞。影響疲勞損壞的因素有：

（1） 心部硬度（強度）

（2） 滲碳層內的氧化物 當滲碳鋼中含有鈦、矽、錳和等合金元素，並在吸熱性滲碳氣氛中滲碳時容易形成這些元素的氧化物，他們存在於晶界或晶粒內部。在氧化物附近這些元素貧化，降低了淬透性。這種氧化物還會成為高溫轉變產物的核心，導致淬火後在表面形成一些非馬氏體產物從而降低了最表面的硬度。

（3） 滲碳層內的碳化物 碳含量的數量、大小、形狀和分布對滲碳鋼的接觸疲勞和彎曲疲勞性能都有影響，網狀碳化物會明顯降低滲碳鋼的彎曲疲勞性能。

（4） 滲碳層內的殘餘奧氏體 殘餘奧氏體本身強度低，它的存在還降低對疲勞性能有利的殘餘壓應力，因此滲碳層組織中有殘餘奧氏體會降低疲勞性能，但經滾壓和噴丸強化會提高疲勞強度。

材料選擇

為了提高齒輪的彎曲強度，選用優質合金鋼。這些材料經LUS與西德材料進行同爐處理對比試驗。結果證明其機械性能、淬硬性、硬化層金相組織、硬度、碳勢層深度分布等性能較高。

利用此材料，，採用現行熱處理工藝滲碳淬火並磨齒製造的試驗齒輪，齒輪試驗機上進行接觸疲勞強度試驗。參試齒輪精度6HK（JB179-83），試驗驗證工作在GB3480-83規定的標準條件下進行，按升降法，測定材料的疲勞極限，通過試驗，推薦設計選用值為1450-1550N/ ，國際標準化組織ISO268文推薦滲淬硬齒輪材料接觸疲勞強度極限框圖範圍在1300-1650kg/ ，試驗齒輪材料在ISO268推薦框圖的中上限。

特點及注意事項

優點

眾所周知，齒輪的強度設計是從考慮潤滑條件的齒面壓力和齒根強度兩個方面進行的。隨著技術的發展和計算機的套用，世界傳動技術的發展趨於採用硬齒面。據統計，由於硬齒面齒輪的採用大大地促進了機器的重量輕、小型化和質量性能的提高，使機器工作速度提高了一個等級。如高速線材軋機的軋制速度從過去的30m/s以下提高到90-120m/s。採用硬齒面齒輪傳動使傳動裝置的體積大大地減少，可以降低製造成本，一某軋機主減速機為例進行比較：

硬齒面中氮化硬齒面，由於氮化層深度很淺，不適合作低俗重載齒輪傳動，而且氮化工藝本身的成本較貴，所以很少採用。

表面淬火（如高、中頻或火焰淬火）的淬硬層與非淬硬層過渡界面明顯，硬度的分布剃度太大，同時淬硬質量不均勻，齒根淬硬困難，易生成表面裂紋，齒面硬度較低（HRC55左右）所以套用也逐漸減少。

深層滲碳、淬火磨削的高精度硬齒面齒輪，精度高、表面硬度高（HRC58+4），齒面硬化層均勻等多方面的優點，特別適用於低速重載齒輪傳動。它表面硬度高，接觸強度比調質齒輪成倍增長，而彎曲強度比調質齒輪約增加50%以上。所以FALK、（LUS）、費蘭特公司、雪鐵龍-梅西安-杜朗公司等全部採用深層滲碳-淬火-磨齒齒輪。高精度硬齒面齒輪代表了工業用，船用齒輪傳動裝置的發展方向。

強度計算

為了提高齒輪的承載能力，利用計算機對齒輪的幾何參數和變位係數，進行最佳化設計。由於表面硬化技術的採用，齒輪承載能力得到提高，LUS通過多年生產實踐認為：對於齒輪齒面應力的計算，對小型齒輪，用赫茲應力公式還可以，它基於齒面接觸區的最大表面壓縮。而對於大模數、大直徑的齒輪、用赫茲公式計算齒面壓應力強度，則不能真實反映齒輪的實際受力情況。因為隨著模數的增大，齒高和齒輪當時接觸半徑增大，應力的危險點已不在齒輪硬化層的表面層，而是在內部的某一個深度。例如：中心距A=1000（mm），I=3的齒輪箱的大齒輪，應力危險齒面以下應力分布及其強度計算的研究，提出了“三向應力理論“：齒面以下受三向單個應力組成的合成應力作用，套用主延伸假設得到包括齒面應力在內的齒截面的應力分布曲線。能確切地反映齒面嚙合時的應力狀態。

計算齒根應力，主要考慮輪齒嚙合時的彎曲強度、壓縮應力、剪應力、齒輪熱處理效應及裝配時產生的內應力。

用計算機對齒面齒根合成應力的計算，綜合考慮接觸強度和彎曲疲勞強度，確定齒輪的幾何參數、材料、許用疲勞強度及齒輪的硬度曲線和齒面的硬化層深度。

套用

工作特性

齒輪箱能否安全可靠地工作，除了正確地選材，先進合理的設計、高精的製造、組裝、全面的性能檢測保證外，正確地安裝找正是保證齒輪箱長壽命，安全可靠工作的重要環節，公司的齒輪箱在交貨時，我們將向用戶提供一份安裝找正規範。該規範內容包括在齒輪箱使用說明書中，對較大型號的特種齒輪傳動裝置，工廠將單獨提供找正規範。

齒輪箱的找正規範是集多年經驗，並根據VD2725標準制定。起目的是為正常情況下原動機、齒輪箱、工作機械在所有運轉狀態下（而不是在安裝時）互相聯結的軸應準確地同心，平穩地工作。因此找正時，必須根據下列三種曲線修正軸心位移。

1、齒輪箱軸心（輸入、輸出軸）位移的全負荷溫度特性曲線。

2、 原動機軸心位移的全負荷溫度特性曲線。

3、 工作機械軸心位移的全負荷溫度特性曲線。

計算繪製齒輪箱軸心位移的全負荷溫度特性曲線時，將考慮到下列因素的影響。

齒輪箱機座的熱膨脹；

齒輪箱殼體的熱膨脹；

齒輪箱軸的熱膨脹；

運轉時齒輪箱機座的彈性變形；

運轉時齒輪箱殼體的彈性變形；

運轉時軸承間隙、齒輪嚙合力和油膜引起的軸心位置的變動。

法蘭的端面跳動、徑向跳動。

原動機、工作機械的影響。

在國防、航運中套用日益廣泛。

精度選擇

齒輪精度的選擇原則是工作線速度、要求的承載能力和公司設備的可能。對硬齒面齒輪，經磨削後的齒輪精度一般選6級精度。線速度特別高時選4-5級，對振動、噪音有特別要求時，目前最高可達3級精度。

硬齒面齒輪模數增大後，或調質齒輪直徑增大後，如不提高齒輪精度，則模數，直徑增大帶來的強度的提高將被動負荷的增大所抵消。這點以前的國內調質齒輪傳動裝置在水泥、冶金行業中的使用發生失效的經驗和教訓可以證明提高齒輪加工精度的必要。

為了保證齒輪的加工精度和國際先進標準的貫徹執行，先後MAAG系列磨齒機、ZST0.31m~2.5m磨齒機，Hoefler4000mm和NOVA1000CNC高精度磨齒機可加工直徑4000，模數32mm，最高齒輪精度達到DIN3級的齒輪。高精度的設備靠高精度的檢測儀調校，為此，公司配備了MAAGSP-60，德國可林貝爾格大型齒輪檢查儀，Hoefler公司的TPF40/1000，EVTM/MAC2T齒輪檢查儀，Leits公司GMM303010型門式三坐標測量機，可檢測齒輪直徑4000mm，精度DIN3級精度，圖七為測量曲線。

齒輪直徑增大後，熱處理後由於工件容積效應，齒面從齒頂到齒根各部位硬度不均，最大硬度差達20HB。為對齒輪製造質量嚴格控制，從德國引進齒面硬度檢查儀，對大模數的大型齒輪用硝鹽淬火，提高工件的淬透性。

齒頂、齒向修整

輪齒是一個彈性體，工作受力後不可避免地要發生彎曲變形。雖然嚙合結束後恢復原狀，但嚙合時的變形會發生基節誤差那樣的影響，使下一對齒的齒頂和齒根發生干涉，能產生很大的衝擊而引起嚙合噪音。

表面滲碳淬火齒輪的許用K係數約為調質齒輪的4-5倍。輪齒變形的影響，比調質齒輪大得多。為了避免嚙合衝擊，改善齒面潤滑狀態，降低嚙合噪音，需對齒輪的齒頂和齒向進行修整。起修整量是根據齒輪負荷計算齒輪變形量，齒輪軸的彎曲，扭轉變形量後確定的。對高承載能力的高硬度齒面的滲碳淬火齒輪，齒頂、齒向修整技術是保證產品性能不可缺少的必要條件。

氣體滲碳

在表面硬化方法中，氮化由於硬化層薄而限制了齒輪的承載能力。高頻淬火又很難得到理想的硬化層分布，對大模數齒輪淬火時，齒輪淬硬深度太淺或沒有淬火造成應力分布不均勻而降低了齒輪彎曲強度。

氣體滲碳淬火，可以得到所需要的硬化層，熱處理後具有較理想的殘餘應力。用最新技術可準確地控制碳勢而獲得最佳硬度值，從而提高齒輪的接觸強度和彎曲強度，是製造大型重載齒輪的一種好的表面處理方法。為此，我廠從西德迪高沙公司引進了GSRU190×250型滲碳爐。從日本中外爐株社引進了滲碳爐。

該爐用氧探頭或紅外線CO2氣體分析儀兩種測定爐氣碳勢，通過微處理機和模擬計算機兩套獨立的自動控制系統對熱處理過程進行適時控制，碳勢控制偏差±0.05%。與該爐配套使用硝鹽淬火，可穩定淬火介質溫度，減少工件變形，提高工件淬透性。採用公法線千分尺型硬度檢驗儀檢驗齒頂到齒根的硬度，其硬度差很小。

經滲碳淬火後的齒輪MSF-2M型X射線應力分析儀上用側傾法，X-20法測定齒面，齒根表面的殘餘奧氏體含量。齒根殘餘壓應力在490-588範圍內，國家標準中推薦的齒根彎曲持續極限為400-440 ，大大提高了彎曲疲勞強度，殘餘奧氏體含量在5.8-20%範圍內。

組成機構

一般有輪齒、齒槽、端面、法面、齒頂圓、齒根圓、基圓、分度圓。

輪齒

簡稱齒，是齒輪上 每一個用於嚙合的凸起部分，這些凸起部分一般呈輻射狀排列，配對齒輪上的輪齒互相接觸，可使齒輪持續嚙合運轉；

齒槽

是齒輪上兩相鄰輪齒之間的空間；端面是圓柱齒輪或圓柱蝸桿上 ，垂直於齒輪或蝸桿軸線的平面

法面

指的是垂直於輪齒齒線的平面

齒頂圓

是指齒頂端所在的圓

齒根圓

是指槽底所在的圓

基圓

形成漸開線的發生線作純滾動的圓

分度圓

是在端面內計算齒輪幾何尺寸的基準圓。

相關數據

製造加工

製造齒輪常用的鋼有調質鋼、淬火鋼、滲碳淬火鋼和滲氮鋼。鑄鋼的強度比鍛鋼稍低，常用於尺寸較大的齒輪；灰鑄鐵的機械性能較差，可用於輕載的開式齒輪傳動中；球墨鑄鐵可部分地代替鋼製造齒輪 ；塑膠齒輪多用於輕載和要求噪聲低的地方，與其配對的齒輪一般用導熱性好的鋼齒輪。

未來齒輪正向重載、高速、高精度和高效率等方向發展，並力求尺寸小、重量輕、壽命長和經濟可靠。

而齒輪理論和製造工藝的發展將是進一步研究輪齒損傷的機理，這是建立可靠的強度計算方法的依據，是提高齒輪承載能力，延長齒輪壽命的理論基礎；發展以圓弧齒廓為代表的新齒形；研究新型的齒輪材料和製造齒輪的新工藝； 研究齒輪的彈性變形、製造和安裝誤差以及溫度場的分布，進行輪齒修形，以改善齒輪運轉的平穩性，並在滿載時增大輪齒的接觸面積，從而提高齒輪的承載能力。

摩擦、潤滑理論和潤滑技術是 齒輪研究中的基礎性工作，研究彈性流體動壓潤滑理論，推廣採用合成潤滑油和在油中適當地加入極壓添加劑，不僅可提高齒面的承載能力，而且也能提高傳動效率。

變位係數

當採用帶觸角滾刀切齒時，變位係數的選擇十分重要，標準中心距和變位係數過大，通常都不適用於帶觸角滾刀深切齒，因為它將導致齒根部分嚴重的漸開線偏切。另外，為有利於提高齒輪副的承載能力，發揮物盡其能的作用，不採用變位齒輪，實際上是一種無形的浪費。

公司生產的所有齒輪都是變位齒輪，首先根據幾何條件計算出大、小齒輪變位係數之和，並由計算機按公司設定的分配原則進行分配，保證齒輪副的最佳性能。