发布时间 : 星期日 文章基于UG的直齿圆锥齿轮的参数化、可视化设计(1).更新完毕开始阅读c76e606a182e453610661ed9ad51f01dc28157c0
基于UG的直齿圆锥齿轮的参数化、可视化设计
图2-3软齿面点蚀
对于软齿面齿轮（硬度≤350HBS），当载荷不大时，在工作初期，由于相啮合的齿面接触不良造成局部应力过高而出现仅为针尖大小的麻点。齿面经过一段时间的跑合后，接触应力趋于均匀，麻点不在扩展或消失，这种点蚀 称为早期点蚀（如图2-4（a））。如果在较大的载荷作用下，齿面点蚀面积会不断扩展，麻点数量不断增加并连成片，点蚀坑大而深，就会发展成破坏性点蚀（如图2-4（b））。
对于硬齿面齿轮（硬度>350HBS），其齿面接触疲劳强度高，一般不宜出现点蚀，但有于齿面硬、脆，不宜磨损，所以一旦出现点蚀，他会不断扩大，形成破坏性点蚀。
（a）早期点蚀 （b）破坏性点蚀
图2-4硬齿面点蚀
开式齿轮传动，由于齿面磨损较快，很少出现点蚀。
提高齿面硬度和润滑油的粘度，采用正角度变位传动等，均可减缓或防止点蚀的产生。
2.2.1.3齿面胶合
胶合是比较严重的粘着磨损。在高速重载传动时，因滑动速度高而产生的瞬时高温会使油膜破裂，造成齿面间的粘焊现象，粘焊处被撕脱后，轮齿表面沿滑动方向形成沟痕，这种胶合称为热胶合（如图2-5）。在低速重栽传动中，不宜形成油膜，摩擦热虽不大，但也能因重载而出现冷焊粘着，这种胶合称为冷胶合。
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热胶合是高速、重载齿轮传动的主要失效形式。
减小模数、降低齿高以减小滑动系数，提高齿面硬度，采用抗胶合能力强的润滑油（极压油）等，均可减缓或防止齿面胶合的产生。
2.2.1.4齿面磨损
当外界的硬屑落入运动着的齿面间，就可能产生磨料磨损（如图2-6）。另外当表面粗糙的硬齿与较软的轮齿相啮合时，由于相对滑动，软齿表面易被划伤也可能产生磨料磨损。磨损后，正确的齿形遭到破坏，齿厚减薄，最后导致轮齿因强度不足而折断。
改善润滑、密封条件，在润滑油中加入减磨添加剂，保持润滑油的的清洁，提高齿面硬度等，均能提高齿面的抗磨料磨损的能力。[4]
图2-5齿面胶合 图2-6齿面磨损
2.2.1.5齿面塑性变形
当齿轮材料较软而载荷及摩擦力又很大时，在啮合过程中，齿面表层材料就会沿着摩擦力的方向产生塑性变形从而破坏正确齿形。由于在主动轮齿面节线的两侧，齿顶和齿根的摩擦力方向相背，因此在节线附近产生凹槽，从动轮则相反，由于摩擦力方向相对，因此在节线附近形成凹脊（如图2-7）。这种失效常在低速重载、频繁起动和过载传动中出现。
适当提高齿面硬度，采用粘度较大的润滑油，可以减轻或防止齿面塑性流动。 图2-6
2.2.2设计准则
齿轮传动的设计准则是有失效形式确定的。
开式传动的齿轮，主要失效形式是弯曲疲劳磨损和磨料磨损，磨损尚无完善的计算方法，所以目前只能进行弯曲强度计算，并用适当加大模数的办法以考虑磨料磨损的影响。
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图2－7 齿面塑性变形
闭式传动的齿轮，主要失效形式是接触疲劳点蚀、弯曲疲劳折断和齿面胶合。一般情况下，只进行齿面接触疲劳强度计算和齿根弯曲疲劳强度计算。对于高速、大功率的齿轮传动，还应进行抗胶合计算。对于闭式软齿面的齿轮传动，主要是齿面接触疲劳强度，其次才是齿根弯曲疲劳强度，一般来说，只要接触疲劳强度满足，弯曲疲劳强度一般是满足的。对于闭式硬齿面的齿轮传动，齿面疲劳强度和弯曲疲劳强度一般不分主次。
对于有短时过载的齿轮传动，无论是开式还是闭式，都应进行静强度计算。
2.2.3齿轮材料及热处理
由齿轮传动的失效形式可知，设计齿轮传动时，应使齿面具有较高的抗磨损、抗点蚀、抗胶合等能力，而齿根要有较高的抗折断能力。因此，对齿轮材料性能的基本要求为：齿面要有足够的硬度，而齿芯要有一定的韧性。
常用的齿轮材料有：锻钢、铸钢、铸铁和非金属材料。
2.2.3.1锻钢
一般的齿轮都采用锻钢制造，常用的是含碳量在0.15％～0.6％的碳钢或合金钢。按热处理方式和齿面硬度不同可分为以下两种情况：
①对于要求不高的齿轮，可采用软齿面（硬度＜350HBS）以便于切齿。此时，应将齿轮毛坯经过常化（正火）或调质处理后切齿。切齿后即为成品。其精度一般为8级，精度可达7级。这类齿轮制造简单、较经济，且生产率高。 ②对于高速、重载以及高精度要求的齿轮传动，一般轮齿应具有较高的硬度（硬度=58～65HRC），在加工时还应进行磨齿精加工。需精加工的齿轮目前多为先切齿，再作表面硬化处理，最后进行精加工，精度可达5级或4级。所采用的热处理方式有表面淬火、渗碳、氮化等。这类齿轮精度高，价格较贵。
合金钢可使材料的韧性、耐冲击性、耐磨性以及抗胶合性能等得以提高，也可以通过热处理或化学热处理方法改善材料的机械性能和提高齿面的硬度。所以在高速、重载以及有特别要求的场合，就可用性能优良的合金钢来制造齿轮轮齿材料有：锻钢、铸钢、铸铁和非金属材料。 2.2.3.2铸钢
铸钢的耐磨性以及强度均较好，一般需经退火及常化处理，必要时也可进行
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调质。铸钢常用于尺寸较大的齿轮。 2.2.3.3铸铁
铸铁的抗弯及耐冲击性能较差，但抗胶合及抗点蚀的性能较好。铸铁齿轮常用于工作平稳、速度较低、功率不大和对尺寸与质量要求不高的齿轮传动中。 2.2.3.4非金属材料
非金属材料的硬度、接触强度和弯曲强度低，常用于高速、轻载及精度要求不高的齿轮传动中。另外为了降低噪音，常用非金属材料做小齿轮，大齿轮仍用
钢或铸铁。
表2-1 常用的齿轮材料及其机械性能
强度极限 材料牌号 热处理方式 正火 45 35SiMn 42SiMn 40Cr 20CrMnTi ZG310～370 ZG340～640 HT250 HT300 QT500-5 QT600-2 调质 表面淬火 调质 表面淬火 调质 表面淬火 渗碳后淬火 正火 正火 调质 正火 正火 屈服极限 HBS 169～217 229～286 229～286 241～286 162～197 179～207 241～269 170～241 187～255 147～241 229～302 硬度 HRC（齿面） 40～50 45～55 48～55 58～62 ?B（MPa） ?s（MPa） 588 647 785 735 1100 570 640 700 250 300 500 600 294 373 510 539 850 310 340 380 2.3 锥齿轮大端背锥、当量齿轮及当量齿数
2.3.1背锥和当量齿轮
如图（2-8）为一锥齿轮的轴向半剖面，其中DOAA为分度锥的轴剖面，锥长OA称锥距，用R表示；以锥顶O为圆心，以R为半径的圆应为球面的投影。若以球面渐开线作锥齿轮的齿廓，则园弧bAc为轮齿球面大端与轴剖面的交线，该球面齿形是不能展开成平面的。为此，再过A作O1A⊥OA，交齿轮的轴线于点O1。设想以OO1为轴线，以O1A为母线作圆锥面O1AA，该圆锥称为锥齿轮的大端背锥。显然，该背锥与球面切于锥齿轮大端的分度圆。由于大端背锥母线1A与锥齿轮的分度锥母线相互垂直，将球面齿形的圆弧bAc投影到背锥上得到线段b'Ac'，圆弧bAc与线段b'Ac'非常接近，且锥距R与锥齿轮大端模数m之比值愈大（一般R/m>30），两者就更接近。这说明：可用大端背锥上的齿形近似地作为锥齿轮的大端齿形。由于背锥可展开成平面并得到一扇形齿轮，扇形齿轮的模数m、
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