最大允许扭矩

齿轮的最大允许扭矩是什么,为什么这很重要?

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W当参加竞技运动时,会有一种强烈的愿望,那就是最大限度地提高身体的体力输出。无论是跑得更快,还是跳得更高,我们都在努力突破自身的极限。有时,这些活动会带来壮观的景象,比如当我们腾空而起,在球门区接住一个足球,得分赢得比赛的触地得分。其他时候,它们会导致严重的失败,比如当我们从令人惊叹的接球中着陆时,我们的股骨在压力下断裂。工程师通常会以类似于运动员对身体所做的方式来推动传动装置的物理极限。

为了适当大小的齿轮为一个特定的应用,设计寿命是至关重要的。如果一个齿轮需要运行一个较短的周期,比如一个小时,那么施加的扭矩可能比相同齿轮需要运行6个月或更长时间的扭矩要高得多。传动装置的通用设计标准是2600小时。这个基准是指一个齿轮每天工作8小时,每周工作5天,持续一整年,安全系数为1.25。建立了这个时间框架后,就可以在机制上安排年度预防性维护,检查磨损和其他问题。

由于扭矩能力与轮系的运行速度成反比,最大允许扭矩将根据从动齿轮的速度而变化。当齿轮不转动时,最大允许转矩等于静转矩。当齿轮开始旋转,动态扭矩能力下降,如图1所示。

图1:当齿轮开始转动时,动转矩能力减小。

正如速度对最大允许转矩的值很重要一样,最大允许转矩的定义本身也很重要。大多数工程师只考虑弯曲强度的最大允许扭矩。这是最大的应用扭矩,将导致齿轮的瞬间失效。另一个要考虑的扭矩是由于表面失效引起的最大允许扭矩。失效模式,也称为轴承失效,被定义为允许施加扭矩,使表面磨损最小化,从而允许齿轮按照预期寿命执行设计。这两种扭矩能力是独立的,可以有很大的变化。

让我们考虑以下情况:

如果我们选择一个模块2,20颗牙齿,碳钢齿轮,和一个20毫米宽度,操作在100 rpm,对称支撑轴承、正确地润滑,受均布荷载和107年所需的生命周期,由于弯曲强度最大允许扭矩是46海里。然而,由于表面失效的最大允许扭矩仅为2.83 Nm。与此齿轮,表面扭矩能力只有6%的弯曲强度扭矩。

如果我们选择一个模块2、40个牙齿,碳钢齿轮,和一个20毫米宽度,操作在100 rpm,对称支撑轴承、正确地润滑,受均布荷载和107年所需的生命周期,那么由于抗弯强度最大允许扭矩118海里。然而,由于表面失效的最大允许扭矩只有12.5 Nm。有了这个齿轮,表面扭矩能力略好于10.5%的弯曲强度扭矩。

为了提高表面的耐久性,热处理通常应用于牙齿表面。根据母材的不同,热处理方法可以是激光硬化、渗碳或感应硬化。这些过程中的每一个都增加了齿面的耐久性,但他们也降低了弯曲强度。

使用相同的齿轮以上详细和感应硬化的齿区域,我们能够显著提高最大允许扭矩由于表面失效。对于20个齿的例子,虽然弯曲强度扭矩能力从46 Nm下降到38.3 Nm,但由于表面耐久性,最大允许扭矩从2.83 Nm增加到16.6 Nm。对于这种齿轮,弯曲强度下降17%,表面耐久性增加6倍。对于40齿的例子,弯曲强度扭矩能力从118 Nm下降到98.3 Nm,最大允许扭矩由表面耐久性从12.5 Nm增加到72.1 Nm。

如本文前面所述,如果期望的寿命较短,则最大允许扭矩值将较高,如果操作速度增加,则这些值将较低。最大允许扭矩决不是一个静态值。为了正确计算最大转矩值,设计人员必须始终考虑所有的运行条件。运动员,就像齿轮一样,会遭受弯曲力量的失败,导致骨折,他们会遭受表面失败,导致髋关节和膝关节置换。如果操作得当,运动员和齿轮的使用寿命都可以超过它们的设计寿命。