不同材料和/或硬度随齿轮尺寸的变化

材料性能应用和/或热处理方面的性能差可能导致良好的理论齿轮设计提供不令人满意的服务。

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有人说冶金是一门“黑色艺术”事实上,这是一门非常熟练的技术,对精度和一致性要求很高。从事冶金和摩擦学的人员在这些技术、技术和技术方面非常熟练。齿轮副设计的材料的适当选择和规格,以及热处理要求的精确实施众所周知,优化材料性能可以使齿轮设计具有令人满意的性能。同样,材料性能应用和/或热处理方面的不良性能也可以使良好的理论齿轮设计提供非常不令人满意的服务。

正如我们从研究和各种计算和设计技术的实施中所了解到的,材料在齿轮设计中发挥着不可或缺的作用,特别是在预期或预测的使用寿命中,无论是通过高周疲劳,如表面压应力或齿根失效。当然,还有环境方面的考虑,特别是耐腐蚀、磁场干扰、食品和医疗环境。一些材料甚至被用来减弱或衰减NVH问题作为其性质和/或内部结构的函数。

为齿轮副选择材料时有许多考虑因素。众所周知,齿轮组的设计受应用的影响,甚至更受预期失效机制的影响;长寿命与灾难性的牙齿弯曲。存在或不存在冲击载荷、极端温度甚至外部振动源可能会增加齿轮啮合和支承轴承通过频率的频率响应谱。在齿轮副中选择两种不同的材料,或者至少在啮合中选择相同或类似材料的冶金性能差异时,需要更详细的考虑。

这是一个涉及面很广的问题,其广度超出了我们的讨论范围。因此,注意力将集中在主题的子集上;接触片内的材料差异。此外,对微观结构的深入讨论超出了本文的范围。值得一提的是,马氏体结构的程度是材料质量的主要指标之一。AGMA 2004-B892在确定必须考虑的其他微观结构方面做得很好。

磨损率中还考虑了基础材料特性。最明显的例子是,蜗轮相对于其运行的车轮的平衡磨损是用于确定蜗轮和齿轮组使用寿命的分析机制。一般来说,车轮材料的选择是为了提供良好的滑动性能它可以提供自润滑,或者至少可以增强两个齿轮表面之间润滑剂中弹性流体动力剪切层的功能。

材料性能差异的具体影响,特别是表面硬度、涂层深度和微观结构,甚至嵌入到刘易斯方程的基本形式中。两个重要因素是负荷分配系数(KMKH)和弹性系数(CPZE).载荷分布系数是描述接触应力(施加载荷)在整个轮齿表面分布的数学方法。接触界面面积(接触片)由齿面内发生的局部弹性变形量以及与配合齿接触产生的感应应力的函数定义。局部弹性变形基本上是一个齿面在其弹性范围内的柔度之比,作为瞬时接触点处两个齿间共享的界面几何形状和弹性流体动力剪切层的载荷分布效应的函数。这还具有将最大次表面剪应力定位在轮齿表面以下的效果。这种效应是两个因素的组合,弹性流体动力剪切层的厚度导致剪切应变能(由滑动速度和边界层润滑中的剪切阻力引起)在轮齿表面产生一个力偶或力矩,进而导致反作用力(反力偶)为了达到最大应变能,必须在齿面下方留出不可忽略的、可测量的距离。最大应变能位置的这种分离(例如压缩和剪切)解释了为什么加载齿局部偏转刚好足以保持在材料屈服极限以下。在这种情况下,屈服极限的功能定义是导致材料从弹性范围过渡到塑性范围的施加荷载。

不同的材料和优化的热处理如何增强这种效果?通过使驱动齿和从动齿的诱导应变能在表面压缩应力和亚表面剪切应力方面相等。这是非常理论化的,实际计算等超出了本文的范围,但该程序在各种标准中都有很好的文档记录,并在任何数量的分析工具中实现。

另一个因素或效应,即弹性系数,通过简单的加权系数比较两种材料杨氏模量和泊松比的差异,将诱导应变能与每个齿轮(驱动器和从动齿轮)表面的比率进行比较。基于Lewis方程的AGMA开发计算了材料属性(杨氏模量和泊松比)差异的影响,以尝试在两个齿轮齿面中均匀分布应变能。作为设计师,我们可以改变使用意图,并根据材料特性求解所需的应变能分布,因此齿轮材料、条件、质量和热处理成为设计变量。我鼓励任何有兴趣探索这一效应的人采用一种相当标准的齿轮设计,并通过改变其中一个齿轮的材料特性(不同材料)和热处理(基本上是表面硬度)进行少量模拟。

异种材料选择和热处理规范的另一个方面是在预测高周疲劳时使用这些设计变量的能力。如前所述,作为高周疲劳函数的材料性能差异或平衡受接触片(2D表面)和次表面(效应深度)内应变能分布的影响。众所周知,加工硬化是母材性能和表面热处理效果的函数。对于高周齿轮设计,设计者可以使用材料差异作为预测局部加工硬化的手段。所有这些技术都是基于理论的,尽管有大量的经验证据支持这些理论,但一如既往,确保结果的最佳方法是通过测试。 

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William Mark McVea博士,P.E.是KBE+,Inc.的总裁兼首席工程师,该公司为汽车和非公路车辆开发完整的动力系统。他是Kinatech公司的首席工程师,Kinatech公司是Gear Motions/Nixon Gear的合资企业。他发表了大量论文,持有或被列为与我有关的多项专利的共同发明人机械传动。马克是一名持照专业工程师,拥有罗切斯特理工学院机械工程学士学位,普渡大学设计工程博士学位。