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齿轮承载能力

[拼音]:chilun chengzai nengli

[外文]:gear load capacity

在齿轮传动中,齿轮失效前所能传递的最大允许载荷。齿轮的承载能力取决于齿轮的尺寸、结构、材质、制造水平、润滑条件、允许的损伤程度、要求的寿命和可靠度等。

失效形式

齿轮的齿圈、轮辐和轮毂等部分通常按经验设计,结构尺寸的安全系数较大,一般很少遭受破坏。齿轮的失效主要出现在轮齿上。轮齿的失效形式主要有轮齿折断、点蚀、胶合、磨损和塑性变形等(图1)。不过,轮齿每一种失效形式的出现并不是孤立的,齿面一旦出现了点蚀或胶合,就会加剧齿面的磨损;齿面的严重磨损又将导致轮齿的折断等。

轮齿折断

轮齿受载后齿根处的弯曲应力最大,当轮齿弯曲应力超过其极限应力时就会发生过载折断或疲劳折断。轮齿折断一般发生在齿根部分,可能一个或多个齿沿齿长整体折断,也可能发生局部折断。

点蚀

在润滑良好的闭式传动中,齿面在过高的循环变化的接触应力作用下产生疲劳裂纹,裂纹不断扩展蔓延,导致工作齿面小块金属剥落,形成麻点,即点蚀。点蚀严重时会产生强烈振动和机械噪声,使齿轮不能正常工作。点蚀一般首先出现在节线附近的齿根表面。

胶合

在高速重载齿轮传动中,油膜会因瞬时高温而破坏,相啮合齿面的金属形成局部熔焊,导致较软齿面上的金属撕落,形成沟痕。在低速重载齿轮传动中,有时也常因局部压应力很高,两接触齿面间油膜被刺破而粘着。胶合时振动和噪声增大,轮齿很快失效。

磨损

在闭式传动中,润滑油供应不足,油不清洁,齿面易产生磨损。在开式传动中,灰尘和各种颗粒等进入啮合齿面会造成磨料磨损。磨损使齿厚减薄、侧隙加大,造成冲击,降低弯曲强度,严重时使轮齿过载折断。

塑性变形

在过大的应力作用下,轮齿材料因屈服而产生的塑性流动,如齿面碾击塑变、鳞皱、起脊、齿体的歪扭和齿形剧变等。这些现象多发生在硬度低的齿轮上,严重时会破坏正常齿廓,使之失去工作能力。

强度计算

在机械工程中,轮齿的强度计算方法主要有两种。一种是以轮齿点蚀为依据的齿面接触强度计算法;一种是以轮齿折断为依据的齿根弯曲强度计算法。此外,对于齿面抗胶合能力也有相应的强度计算法。对于轮齿的磨损和塑性变形,由于缺乏试验数据和手段,尚无较为成熟的计算法。中国参照 ISO直齿和斜齿轮承载能力计算的基本原则,制定了关于渐开线圆柱齿轮承载能力计算方法的国家标准。

齿面接触强度计算

由于点蚀常首先在节线附近发生,通常以节点c处两齿廓的曲率半径ρ1ρ2为半径,分别作两个圆柱体(图2), 根据赫兹公式导出齿轮的接触强度计算公式,其强度条件为

式中σH为最大接触应力(兆帕);Ft为分度圆上名义切向力(牛);K为载荷系数,考虑工作情况、制造误差和弹性变形等对齿轮承载能力的影响;b为齿轮的工作宽度(毫米);d1为小齿轮的分度圆直径(毫米);u为齿数比,,Z2Z1分别为大轮和小轮的齿数;式中”+”号用于外啮合,”-”号用于内啮合;Z H为节点区域系数,主要考虑节点处齿廓曲率对接触应力的影响;ZE为弹性系数(),考虑材料弹性模量和泊桑比对最大接触应力的影响;σHP为许用接触应力(兆帕)。

齿根弯曲强度计算

主要根据1892年美国W.刘易斯提出的论点(把轮齿看作悬臂梁)为基础来进行计算。轮齿在齿顶处啮合时弯曲力臂最大,齿根危险截面AB处的弯曲应力也最大(图3)。由于齿轮传动重合度大于1,在齿顶啮合时载荷由几对齿来分担。对较低精度的齿轮传动,考虑到制造误差的影响,仍以一对齿啮合进行计算为宜。略去压应力和切应力后其强度条件为

式中σF为齿根弯曲应力(兆帕);m为模数(毫米),对斜齿轮用法模数mnyF为齿形系数,考虑齿形对弯曲应力的影响;σFP为许用弯曲应力(兆帕)。

齿面胶合计算

通常以限制接触齿面的温度作为胶合计算的依据。常用方法有两种:一种是计算齿面各接触点的最高瞬时温度,使之小于某极限温度的闪温法;另一种是计算齿面啮合过程的平均温度,使之小于某极限温度的积分温度法。

润滑

为充分发挥齿轮的承载能力、减少失效、延长寿命和提高传动效率,润滑是重要环节。齿轮齿面工作时每一点的啮合时间非常短促,接触应力大,而且常存在加工和装配误差等,故在一般条件下较难形成流体动压润滑状态,而处于边界润滑和混合润滑状态。为了提高齿轮的承载能力,必须改进润滑材料和使用特殊的润滑剂。一般是在齿轮装配后先加入硫、磷型极压添加剂,然后进行跑合,以降低齿面粗糙度,增加油膜厚度,提高润滑效果。润滑剂和润滑方式根据齿轮圆周速度和工作条件来选择。对开式、半开式齿轮传动,通常用人工定期加润滑脂或粘度大的润滑油进行润滑。对于齿轮圆周速度v≤12米/秒的闭式齿轮传动,常采用浸油润滑。高速级轮齿浸入油中深度约为一个齿高,但不小于10毫米,低速级齿轮也不宜大于100毫米。当v>12~15米/秒时,应采用喷油润滑。对高速轻载齿轮,应选粘度较小的润滑油,对低速重载齿轮,应选粘度较大的润滑油。为了改善润滑油的性能,一般在润滑油中加二硫化钼、石墨或氯、铅的烷基化合物、硫氰化合物等,有普遍采用硫-磷型极压齿轮油的趋势。

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