齿轮的材料、寿命系数和极限应力毕业论文(编辑修改稿)

齿轮的材料、寿命系数和极限应力毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

: 备料 锻造 正火 机械粗加工 调质 机械精加工 由于调质齿轮表面硬度低 , 而且也不存在表面压应力 , 故其承载能力和疲劳强度都比较低 , 但因调质齿轮切削加工后不再进行热处理 , 能保证齿轮的制造精度 , 故对大型 北京航空航天大学 第 5 页 齿轮特别适宜 , 减少了淬火引起的变形 (一般认为 U350mm 以下为小齿轮 , U350mm ~ U1000mm为大型齿轮 , U1000mm 以上为特大齿轮 )。 在该工艺过程中 , 正火处理的目的也是消除锻造应力 ,均匀组织 , 使同批坯料硬度相同 , 利于切削加工 , 改善齿轮表面加工质量。 大型齿轮也常用正火作为最终热处理 , 正火齿轮的力学性能不如调质齿轮 , 故仅用于制造不重要的大型齿轮 , 材料用优质中碳钢 ( 45)。 铸钢 对于一些直径较大 (U 400~ 500mm )、形状复杂的大齿轮毛坯 , 当用锻造方法难于成型时 , 可采用铸钢制作 , 其强度比锻钢齿轮低 10%左右。 铸造齿轮的精度较低 , 常用于农业机械。 近十几年来 , 随着铸造技术的发展 , 铸造精度有了很大的提高 , 某些铸造齿轮已经可以直接用于具有一定传动精度要求的机械中。 为了提高铸钢齿轮的精度 , 应增加机械加工工序 , 在机械加工前应进行正火 , 消除铸造应力和硬度不均 ,改善切削加工性能。 机械加工后 , 一般进行表面淬火 , 提高硬度、耐磨性及抗疲劳强度。 而对于性能要求不高、转速较低的铸钢齿轮通常不需淬火。 常用的铸钢有 ZG270（ 500、 ZG310) 570 等。 其工艺路线一般为 : 铸造 正火 机械粗加工、半精加工 表面淬火 + 低温回火 机械精加工 铸铁 对于一些轻载、低速、不受冲击、精度和结构紧凑要求不高的不重要齿轮 , 常用灰铸铁 HT200、 HT250、 HT300 等。 铸铁齿轮一般在铸造后进行去应力退火、正火 , 机械加工后表面淬火 , 目的是提高耐磨性。 灰铸铁齿轮多用于开式齿轮传动。 近年来在闭式传动中 , 采用球墨铸铁 QT600) QT500) 7 代替铸钢制造齿轮的趋势越来越大。 有色金属 在仪器、仪表中 , 以及在某些接触腐蚀介质中工作的轻载齿轮 , 常用耐蚀、耐磨的有色金属 , 如黄铜、铝青铜、锡青铜等制造。 非金属材料 受力不大 , 以及在无润滑条件下工作的小型齿轮 (如仪器、仪表齿轮 ) ,可用尼龙、ABS、聚甲醛等非金属材料制造。 此外 , 齿轮选材时还应注意 : 对某些高速、重载或齿面相对滑动速度较大的齿轮 , 为防止齿面咬合 , 并且使相啮合的两齿轮磨损均匀 , 使用寿命相近 , 大、小齿轮应选用不同的材料。 小齿轮材料应比大齿轮好些 , 硬度比大齿轮 北京航空航天大学 第 6 页 高些。 北京航空航天大学 第 7 页 3 齿轮的疲劳曲线和寿命系数 疲劳曲线和寿命系数的一般表达式 图 31 和图 32 是 ISO 计算法中给出的接触强度计算的寿命系数 ZN 和弯曲强度计算的寿命系数 YNT 的线图。 图 31 图 32 北京航空航天大学 第 8 页 如果齿轮的疲劳曲线具有幂函数的形式，即 SpN=C 式中 S应力； N寿命，即循环次数； p指数； C试验常数。 则齿轮的寿命系数为 ： ZN（或 YNT） = 式中 N 为循环基数。 上式的寿命吸收也可理解为试验齿轮在有限寿命下的疲劳极限和无限寿命时的疲劳极限的比值，即 ZN（或 YNT ） = ISO 的疲劳曲线采用了包括 N=1 的 PSN 曲线（取失效概率 P= ）。 这种曲线如图 33 所示，设从一批条件相同的试件中，随机检取 25 个试件．把它们分为 5 组，并在 5 个应力水平下试验，直至失效，从而得到 PSN 曲线如图所 示。 中间的一条 SN 曲线具有失效概率 P= ，其它的两条 SN 曲线也具有各自的失效率。 样本越大，置信度越高。 对于给定的样本，抗拉强度的范围，用 ab 表示，而疲劳极限范围，用 cd(N=N∞ )表示。 如果应力水平 S=Su（ Su—— N 趋向于 l时的疲劳强度期望值），则进行试验的 50%试件预期在第一个循环 (N=1)中失效。 因此剩余的一半试件可预期有 N1 的疲劳寿命。 同样，如果 S=SN(SN—— 循环次数为 N 时的疲劳极限期望值 )，则各有 50%的试件可预期超过 N 或 N∞应力循环。 以上，都是对中间曲线而言的。 图 33 pNlimlim39。  北京航空航天大学 第 9 页 图 34 图 33 中的任意一条曲线可简化为图 34 曲线的形状（采用双对数坐标）。 曲线由三部分组成： 1 一静强度和少循环失效段； 2— 高循环疲劳失效段； 3— 持久寿命段（有时，这段曲线是假设的）。 图中 N∞ .、 N0 分别为三部分线段转折处的循环次数， Slim 是疲劳极限。 从 ISO 的寿命系数图 (图 31 和图 32)来看，它采用的就是这种疲劳曲线。 疲劳曲线的其它表达式 指数函数式 ： eaSN=C a、 C— 试验确定的常数； 两边取对数： aSloge +logN=logC 令 aloge= ， logN= ,得 这表明应力 S 和循环次数 N 的对数成线性关系。 Stromeyer 式 ： S=bNa+Se 式中 Se— 疲劳极限 a、 b— 同材料有关的试验常数 Bent 式： a、 b— 同材料有关的试验常数 Weibull式： SSe=b(N+B)a 式中 Se— 疲劳极限 a、 b、 B— 同材料有关的试验常数 上述疲劳曲线的表达式，在一定条件下都能作为试验数据的回归曲线。 目前，世界各国的齿轮承载能力计算法中之所以采用幂函数式，主要是由于它的表达式比较简单，   Nlog baS  log 北京航空航天大学 第 10 页 并且也比较符合疲劳试验结果的缘故。 接触疲劳曲线中的特征数（ p 和 N∞ ） 由于采用幂函数的疲劳曲线，所以寿命系数就采用了式 ZN= 这一式，不同的标准在形式上虽然一致，但是指数 p 和循环基数 N 的取值却大不相同 ,具体见 表 31。 p NN 北京航空航天大学 第 11 页 表 31 分析比较一下表 31 中的数据，可以看到： 1）指数 p 的差别很大，从 Niemann 的各种材料的 p=2 到 ISO 的调质钢液态氮化p=. 的 p 值均取较小值，而 ISO、 AGMA、 JGMA 均取较大值。 2） p 值完全取决于材料和热处理性能，几乎没有规律可循。 因此，按材料和热处理的情况分别确定 p 值是比较合理的。 3）各家的循环基数差别也很大。 其中是一部分人为的取值不同而引起的，另一部分是试验结果数据上的离散。 循环基数的差别对齿轮寿命的计算虽然有影响，但是没有 p的影响大。 在处理上，只要是 SN 在坐标纸上具有线性关系，那么任何 N 下的极限值都可通过外延法得到。 4）在 ISO 的计算法中，相同材料和热处理的齿轮，根据是否“允许有一定程度点蚀”的判据，其寿命 系数取不同值。 这种处理方法，有其合理的地方，但问题是“一定程度点蚀”的含义缺乏定量的概念。 这样就会出现选择寿命系数时的随意性，缺乏计算法标准的严格性 北京航空航天大学 第 12 页 接触强度寿命系数值的比较 为了比较各计算法中寿命系数的具体数值，现取调质钢 (HB=250)和渗碳淬火齿轮为例，将寿命系数列于表 32 中。 表 32 由上表可以得到： AGMA 和 JGMA 的数据基本上是一致的，并且，其寿命系数值（ CL 和 KHL）普遍比ISO 的小。 TOCT 的 KHL 值是表列计算方法中最大的，特别是 N=105～ 3x105 范围内更为明显。 各家计算方法中所取的疲劳曲线的形状和寿命系数值有很大的差别，这些差别的来源：其一是试验规范不一致。 例如，在各种公开发表的试验结果中，就有不同的点蚀失效判据；如何划分早期点蚀、破坏性点蚀等，这些都影响试验结果数据。 其二是试验数据不足，因而使各家根据有限的试验数据得到的回归曲线差别很大。 特别是对于循环次数 N108 的齿轮试件的试验数据，显得凤毛麟角。 弯曲疲劳曲线中的两个特征数（ p 和 N ） 目前，齿轮弯曲疲劳曲线的计算法也采用幂函数的形式，即 北京航空航天大学 第 13 页 YNT= 指数 p 和循环基数 N 是疲劳曲线的两个特征数。 现将各计算法中采用的 p 和 N 值列于表中。 从表 33 中数据可见，随着齿面硬度的增加（除铸铁外）， p 值也增加，如 ISO，而 AGMA 却有相反的趋势。 总之，对齿面硬度 HB350 的齿轮，取 p=6~9 比较合适。 表 33p NN 北京航空航天大学 第 14 页 4 齿轮的疲劳极限 比较接触疲劳极限的前提条件 目前的齿轮接触应力 H 和接触疲劳极限 limH 都属于“比较应力”范畴，因为 H 和limH 的数值大小和计算式中各具体参数的取舍、粗精程度以及其他条件有关。 如果用实验齿轮，在一定的试验条件下，在齿轮试验台上作接触疲劳寿命试验，就能得到两个数据：齿 轮所传递的转矩 T 和直到齿轮失效（达规定的失效判据）时的应力循环数 N。 有了转矩 T（或分度圆上圆周力、节圆上圆周力或单位齿宽上的圆周力等），就可以用一定的公式计算出该齿轮所受的接触应力 H 或寿命为 N 的条件疲劳极限 HN ，然而此H 和 HN 值 将随所使用的计算公式的不同而又很大差别。 因此，在进行接触疲劳极限值对比的时候，首先要搞清各家疲劳极限的计算表达式上的差别。 式（ 99）是试验齿轮接触疲劳极限的 ISO（ GB）计算式 式（ 910）是 AGMA 许用接触应力 acS （相当于 ISO 的 limH ）计算式 下面式（ 911）和式（ 912）分别是 JGMA 和 OC 的接触疲劳极限值 以上四式中的符号意义如下： 北京航空航天大学 第 15 页。