盛 娟,吳 強,馮全保
(江蘇省徐州鍛壓機床廠集團有限公司,江蘇 徐州 221116)
齒輪傳動因其可傳遞大扭矩,又具有結構緊湊、工作可靠、壽命較長等優(yōu)點,在機械壓力機和其他許多機械中獲得了廣泛應用,其中用的最多的是圓柱齒輪傳動。
在齒輪材料選用中,不僅要考慮材料性能能夠適應其工作條件,使其經(jīng)久耐用,而且要考慮材料有較好的加工工藝性和經(jīng)濟性,以提高零件生產(chǎn)率,降低成本,減少消耗。如果齒輪材料選擇不當,則會出現(xiàn)零件過早損傷,甚至失效。
齒輪傳動一般遇到的問題有:齒面磨損、牙齒折斷、倒牙、點蝕和振動噪聲等。對于一些精密機械,齒輪傳動的平穩(wěn)性能往往是主要的。而對于機械壓力機,由于齒輪必須承受較大的載荷,而轉速又不高,所以齒輪失效是主要矛盾,傳動平穩(wěn)性是次要矛盾。
因此,對于機械壓力機的齒輪傳動有如下基本要求:①足夠的承載能力。既要盡可能縮小齒輪的尺寸,采用常用的材料,又要保證能夠承受外載荷的作用,并且有足夠的使用壽命。②必要的傳動平穩(wěn)性能。齒輪傳動過程中產(chǎn)生的振動和噪聲要在允許的范圍內,不能過大。
圖1為機械壓力機中最為典型的一種齒輪結構示意圖。
從圖1可看出,對于機械壓力機齒輪傳動,齒輪為單側受載,彎曲應力為脈沖循環(huán)。
圖1 齒輪結構示意圖
根據(jù)機械壓力機的齒輪傳動的特點,通常在計算校核時不必進行接觸強度計算,主要計算彎曲強度。但是還應注意到,在牙齒彎曲疲勞折斷之前,由于齒輪的短時超載(在壓力機上一般允許超載10%),在齒面上可能產(chǎn)生很大的接觸應力,造成表面塑性變形(對于齒面硬度HB<350的鋼制齒輪)或脆性破壞(對于齒面硬度HB>350的鋼制齒輪和鑄鐵齒輪)。因此,為避免上述現(xiàn)象的出現(xiàn),應在計算校核彎曲強度之后,再核驗超載時的表面接觸應力。
可由下式預選齒輪模數(shù):
式中:Mn2——大齒輪所需傳遞的扭矩(N·m),在計算低速級時,對單點壓力機Mn2=Mg(Mg為曲軸上公稱扭矩),對雙點壓力機,Mn2=0.6Mg;
ψm——齒寬系數(shù),ψm=B/m,B為齒寬。目前國產(chǎn)壓力機,ψm在8~18范圍內。對一級齒輪傳動,ψm可取 13~15;對兩級齒輪傳動,ψm可取 10~13;對人字齒輪傳動,ψm可取 17~22;
z2——大齒輪齒數(shù)。
上式中的系數(shù)(2.8~3.5)在一般情況下可取3.15,在齒輪材料及熱處理條件較好的情況下可取2.8,在條件較差時可取3.5。
對于斜齒輪,按式(1)算得的模數(shù)是端面模數(shù)ms,需換算成法向模數(shù)mn(mn=mscosβ,β為螺旋角),再選取模數(shù)標準值。
其計算式為:
式中:σw——齒輪齒根處彎曲應力;
Mn1——小齒輪所受扭矩,i傳動速比;
Cw——彎曲應力系數(shù),,z1為小齒輪齒數(shù),α為齒輪壓力角;
Y——齒形系數(shù);
M——齒輪模數(shù);
B——齒寬;
Kj——載荷集中系數(shù);
Kd——動載系數(shù);
[σw]——許用彎曲應力,參見表1、表2。
表1 許用應力表
表2 現(xiàn)有壓力機齒輪常用材料和計算彎曲應力
在閉式傳動中的齒輪,需要核算一下接觸強度,特別是對軟齒面的閉式傳動齒輪,容易產(chǎn)生點蝕破壞。
齒輪齒面的接觸強度公式為:
式中:B——齒寬;
A——兩齒輪中心距;
Cjc——接觸應力系數(shù),,i傳動速比,Ed為當量彈性模量;α為齒輪壓力角;
a——齒形系數(shù),直齒圓柱齒輪,a=1;斜齒圓柱齒輪,a=0.88~0.93(對應于螺旋角β=20~6°);
σjc——計算接觸應力;
[σjc]——許用接觸應力。
根據(jù)機械壓力機齒輪傳動的特點,對其齒輪要求為齒面硬、芯部韌。
常用齒輪材料分為鋼件及鑄鐵件,其中若采用鑄鋼件,通常為了改善性能采用合金鋼。
鋼材韌性好,耐沖擊,可通過熱處理和化學處理來改善其機械性能,最適于用來制造齒輪。
考慮工作條件、載荷性質、經(jīng)濟性、制造方法等篩選出如下齒輪材料供選擇參考。
表3 許用接觸應力
圖2 機械壓力機齒輪材料
選擇適當?shù)牟牧?,同時要選擇適當?shù)臒崽幚砉に?。從齒輪特性來說可分成兩種狀態(tài),一種是軟齒面,一種是硬齒面,下面分別介紹。
(1)軟齒面。①調質:用于中碳或中碳合金鋼,如45、40Cr、35SiMn等。因為硬度不高,故可在熱處理后精切齒形,且在使用中易于跑合。②正火:能消除內應力、細化晶粒、改善力學性能和切削性能。機械強度要求不高的齒輪可用中碳鋼正火處理。大直徑的齒輪可用鑄鋼正火處理。
(2)硬齒面。①表面淬火:用于中碳鋼和中碳合金鋼,如45、40Cr等。表面淬火后輪齒變形小,可不磨齒,硬度可達52~56HRC,面硬芯軟,能承受一定沖擊載荷。②滲碳淬火:滲碳鋼為含碳量0.15%~0.25%的低碳鋼和低碳合金鋼,如20、20Cr等。齒面硬度達56~62HRC,齒面接觸強度高,耐磨性好,齒芯韌性高。常用于受沖擊載荷的重要傳動。通常滲碳淬火后要磨齒。③表面氮化:一種化學處理方法。滲氮后齒面硬度可達60~62HRC。氮化處理溫度低,輪齒變形小,適用于難以磨齒的場合,如內齒輪。材料為38CrMoAlA。
注意:當大小齒輪都是軟齒面時,因小輪齒根薄,彎曲強度低,故在選材和熱處理時,小輪比大輪硬度高30~50HBS。表面淬火、滲碳淬火、滲氮處理后齒面硬度高,屬硬齒面。其承載能力高,但一般需要磨齒。常用于結構緊湊的場合。
表4 J21系列產(chǎn)品大齒輪校核數(shù)據(jù)
材料:ZG35SiMn
熱處理:正火,表面淬火,回火。
通過理論計算,參考實際生產(chǎn)數(shù)據(jù),對一般曲柄壓力機,小齒輪可選擇45號鋼或40Cr,熱處理方面進行調質+淬火;大齒輪可選擇較為經(jīng)濟的ZG45或ZG35SiMn,熱處理工藝可以正火或者調質。對于要求較高的精密壓力機,大齒輪可進行淬火+磨齒工藝,提高齒輪的承載能力,同時提高其傳動的平穩(wěn)性。
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