机械修理中修换齿轮对的方法.docx

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机械修理中修换齿轮对的方法

机械修理中修换齿轮对的方法

机械修理中

修换齿轮对的方法

由于变位齿轮具有提高齿轮传动的接触强度，减少轮齿的磨损和胶合的可能性，以及增高轮齿的抗弯强度等优点，因此，在修换齿轮对时，应根据原齿轮的失效形式，选择适当的变位系数，以充分利用这些优点；尽可能不要完全按原尺寸制作。

对于大传动比的大模数齿轮，则应采取修复大齿轮，配制新的小齿轮以恢复其传动精度。

这对于缩短修理周期，降低修理成本，有较大的经济价值。

一.据齿轮的失效形式修换齿轮对

齿轮的失效，是一个现象复杂，原因众多，形式多样的问题。

据资料统计，失效形式共有四大类二十二种。

但在通用齿轮传动中，主要的失效形式为：

齿面疲劳点蚀、轮齿疲劳折断、齿面胶合和齿面磨损四种。

现就这四种失效形式的原因进行分析，并从应用变位齿轮这一方面，提出防止或减少失效再度出现的措施。

1、轮齿的主要失效形式

如上所述，轮齿的失效形式是各种各样的，这些形式又往往互相交错在一起，致使失效的形式显得更为复杂，修理时必须认真考虑，并抓住主要原因，选择防止措施。

1、齿面疲劳点蚀

疲劳点蚀的失效，是闭式齿轮传动的一种主要失效形式，它是一种接触疲劳现象，分初期点蚀和破坏点蚀两种。

初期点蚀是在齿轮使用的初期发生的，由于齿面加工痕迹而又局部凸起的存在，轮齿局部承受较大的负荷，再交变接触引力的作用下，局部凸起产生微裂纹，随着接触应力的增大，再齿面上出现里初期点蚀。

因此，在齿轮啮合过程中，使得浸入裂纹中的润滑油受到封闭而产生高压，加速了微裂纹的破坏，同时，由于啮合齿面间存在滑动，离节点愈远，滑动愈大；而在节点附近，滑动最小，油膜最不易生成，而节点附近的摩擦力也就达到最大值，所以点蚀大多数发生在轮齿节线附近。

破坏性点蚀产生原因：

对于齿面强度较低的材料（软齿面），裂纹多产生于表面。

它是在外载的作用下，由于齿面间的滑动与滚动反复作用而产生疲劳裂纹。

在存在润滑的作用下，润滑油渗入裂纹，啮合时裂纹中的润滑油遭受高压，这种压力的循环作用，使裂纹逐渐扩大，最后使齿面上一部分材料剥落，在齿面上出现麻坑，形成破坏性点蚀。

对于齿面强度较高的材料（硬齿面），其表面层与心部的过渡层往往成为危险区；当外载应力和材料强度的比值大于0・55时，就会产生裂纹，如果过渡层处有剩余拉应力，或表面淬火时，产生中间回火层，这种危险就更为增加。

当靠近齿表面的材料内部有缺陷，或由非金属夹杂物及有微小裂纹时，就会成为表面内裂纹的根源，这种表面内的裂纹的产生与发展与润滑无关。

点蚀的大小，随着齿轮啮合循环次数的增加而增加，随着载荷的加大而加大；而且，在护堤时，点蚀多发生在小齿轮上；载荷高时，则多发生在大齿轮上。

而点蚀的发生与接触应力、啮合齿面间滑移率、齿轮材质、齿面光洁度等因素有关。

而且在某种特定条件下，其中之一也可能是疲劳点蚀产生的主要原因。

破坏性点蚀的蚀点，其直径要比初期点蚀大，因而齿面承压面积减小，以及齿形的破坏，引起动负荷增大，因而这些蚀坑往往成为疲劳源，最终导致轮齿断裂，这类破坏是修理工作中常遇到的情况。

2、轮齿的疲劳断裂

疲劳断裂时断裂破坏中最常见的一种形式。

由于设计不当，负荷

过大，组装不良以及轮齿表层和次表层下的缺陷引起应力集中，从而

使轮齿材料在超过持久极限的情况下又交变循环弯曲应力引起轮齿早期破坏。

疲劳断裂一般首先从负荷侧（齿根拉伸侧）的齿根危险断面上产生疲劳裂纹，然后裂纹沿齿长的斜上方扩展，当轮齿齿根危险断面有效面积减小到不足以承受负荷时，部分轮齿或整齿迅速折断。

疲劳断裂面具有两个特征：

一个特征是在断裂面上可以看到一连串的贝壳状轮廓线（或等高线），它是因弯曲应力反复循环后发展的，在发展中因摩擦的作用表面较为光亮。

另一个特征是在贝壳状轮廓线的中心区域，有一个极为清晰的“眼”（焦点部分），这个区域较为平滑，它是产生疲劳断裂的疲劳源。

3、齿面胶合

齿面胶合是一种高温扯伤，由于负荷集中于局部的接触齿面上，油膜破坏，啮合齿面形成金属与金属的直接接触，在高温下引起金属分子局部融着，并从齿面很快扯下的现象。

胶合的特征是沿着齿面的滑动方向形成沟槽。

由于这种沟槽的产生，反过来油膜就更不能形成。

因此，也有在同一齿面上同时看到胶合、点蚀及磨损等各种损坏形式。

故胶合有导致齿轮早期损坏的危险性。

初期（或轻度）胶合撕伤只要齿轮的负荷和速度不再增加，往往不会发展。

反之，当负荷和速度继续增大时，则会产生严重胶合撕伤。

在这种破坏过程中，具有融着和撕裂的作用，特别是齿面金属沿滑动

方向被拉扯出齿顶。

4、齿面磨损

由于轮齿间的摩擦而使得齿面磨损耗掉金属通称为齿面磨损。

这种磨损，一般分为下列五种。

a、正常磨损：

正常磨损（跑合）是在齿轮的寿命范围内，接触齿面的金属极其缓慢地磨损，这种磨损是不可避免的，它不影响齿轮的寿命及使用性能。

b、破坏性磨损：

当齿轮啮合节圆的滑动受到阻碍时齿面由于磨损而损坏，工作恶化，此行改变，因而寿命显著降低。

对于软齿面，同时还会产生胶合撕伤。

有的齿轮由于破坏性磨损的产生，破坏了齿形，使冲击负荷增大而发生点蚀和塑性变形。

c、磨料磨损：

这种磨损又叫做麻点磨损。

它是由于外界的微粒在轮齿啮合面所引起的一种表面磨损。

这些微粒是组装前没有清除干净的研磨剂、铸造砂粒或氧化皮、润滑油中的不纯物、外界空气进入的杂志以及齿面或其他零件磨损下来的金属微粒等。

当这些微粒极细时，在齿面沿滑动方向出现彼此独立的浅沟纹。

2、根据齿轮的失效形式以确定变位系数

根据齿轮的失效形式，确定变位系数的出发点是，针对失效原因，选择适当的变位系数，以提高齿轮的使用寿命。

1、应用齿轮变位，将大齿轮齿顶缩短，小齿轮齿顶增长，使啮合段向大齿轮方向移动，以增强轮齿的抗点蚀能力。

将大齿轮齿顶减短，小齿轮齿顶增长，可用对大齿轮进行负变位，而对小齿轮进行正变位的方法达到。

在修理工作中，就是采取修复大齿轮，配制新的正变位小齿轮的修理方案。

至于变位系数的选择，可按下节“根究磨损量修换齿轮对”的方法进行。

2、增大压力角，降低弯曲扭矩，以防止出现疲劳断裂。

采用增大压力角就可以增大齿面的曲率半径，这对于齿面的接触强度当然是有利的；另一方面，由于压力角的增大，齿根宽度也相应增大，因而对齿根的弯曲强度也同样是有利的。

据资料记载，国内外的实验证明：

将压力角由20°提高到24。

时，弯曲强度可提高1・3倍，但当提高到31°时，弯曲强度就几乎不再变化。

同时提高压力角会降低重叠系数，从而加大了不稳定性和轴承负荷，所以一般只提高到25°。

由于啮合角随变位系数的增大而增大，所以在修理工作中常用齿轮变位和加大总变位系数，以及适当分配两齿轮的变位系数值，来增大啮合角，以提高轮齿的弯曲强度。

啮合角与变位系数的关系是：

Inv：

-2x1x2tan：

°Z1Z2Inv：

°1Z1Z2

由该式可知：

啮合角随变位系数的增加而增加，也随刀具角（齿

形角）的增加而增加。

由上式还可知：

当采用高度变位时X，二*o，不论其变位系

数增大多少，啮合角始终等于刀具角。

所以在非变位和高度变位时，只能采取加大原设计齿形角的数值（需成对齿轮更换）。

如在模数制齿轮传动中，齿形角是14・5°、15°、17.5°的可改用〉。

=20的刀具制作。

径节制齿轮传动中的14.5°、15°、16°、17°、17.5°也可以用20°刀具代替。

至于原设计就是20。

的，如能找到齿形角更大的刀具，可根据具体情况，决定是否代替。

应当注意的还有：

当总变位系数过大时，为防止重叠系数过份减少，需要按下式效核：

1匚#

Z1tan一:

唁一tan很i亠Z2tan-：

/2一tan二2二

齿顶圆压力角：

e=cos」dfcos>o

De

df分度圆直径

De——齿顶圆直径

对于直齿轮：

正常情况下应保持>1・3,在齿轮制造质量较好

的情况下，可取；>1.2~1.3。

（六级精度》1.05,七级精度》1.08,八级精度》1.15）。

3、应用变位制增大齿形系数，以增强轮齿的抗弯强度。

由于变位引起的齿形变化，影响到轮齿的抗弯强度。

变位的结果，所得到的齿形系数愈大，则抗弯强度由于变位而得到的增强也愈大。

换言之，当变位量为正时，齿根部的厚度增大，齿轮承受弯曲的强度即增高。

反之，当变位量为负时，齿根部的厚度减小，而齿的抗弯强度降低。

在设备修理工作中，经常遇到的是小齿轮轮齿的折断较多。

遇到

这种情况，可采用将大齿轮进行负变位或增大其变位系数的绝对值，而制造一个与之相配合的正变位小齿轮。

为此应用等弯曲强度设计，并由此选取其变位系数的数值。

对高度变位（Z1+Z2》60）:

f=1.0厂o=20时％=0.51-合二-x2

f=0.8，“0=20叩寸花=0.4（1—£）=—x2

对角度变位：

f=1.00=20时

为=0.51_Z^\Xc，Zl

IZ2/Zi+Z2

X2二Xc-Xi

上列公式为英国曼里特变位制。

它在实际运用中，证明能保证使小齿轮获得等弯曲强度和改善齿廓曲率。

对于斜齿圆柱齿轮，应用上列公式时须以Zi、Xu代替Z、X,

而乙—。

COS:

f

4、选择适当的变位系数，降低个危险点上的滑动比和压强比，以改善轮齿的磨损情况。

滑动比和压强比愈大，齿廓的磨损就越厉害。

而滑动比和压强比在整个齿廓面上又是一个变量，它们再齿根处达到最大值，在齿顶部则为危险点。

计算和实验结果表明，随着齿形曲率半径和啮合角:

的增大，滑动比和接触应力即降低而强度和寿命就提高，而曲率半径和

啮合角是随着变位系数的增大而增大。

所以通过选择适当的变位系数，就可以使各危险点的滑动比和压强比显著减少，从而使轮齿的磨

损情况得到改善。

在修理工作中，由于原设计的传动性能不能改变，所以用增大变位系数来改变齿廓接触点的曲率半径及啮合角〉；也即增大变位系数，以利用曲率半径较大的渐开线部分。

为此，要尽可能采用正变位制。

因正变位齿轮是利用曲率半径较大的渐开线部分；而负变位齿轮则由于齿顶高减小，使基圆以上的渐开线齿廓的长度减小，其平均曲率半径也减小。

对于变位系数的选择，可用下列公式计算：

Xc=XiX2=1.8304—0.0229Zi-Z

当：

0=14.5,f=1时：

Z1<40捲=0.9152-0.0229Z1

X2=0.9152-0.0229Z2

Z2>40x2=0

当r=20,f=1时：

x1=0.74^0.017Z1

x2=0.748-0.017Z2

当为高度变位时，则可简化为：

Z2V40x=0.02Z2-Z1

Z2》40X=0.02（40-Z1）

选择变位系数时，要根据实物的失效形式来选择。

但由于原设计的中心距，在一般情况下不能改变，以及模数、齿数要符合原设计的强度和传动比的要求。

因此，在修理工作中对变位系数的选择，受到了一定的限制。

只能根据实物的主要失效形式来定；再按失效形式计算得出变位系数后，在计算修换齿轮的其他参数。

这方面的主要参数计算是：

总变位系数：

Xn厂焉厂Xn2

齿顶高减低系数：

6二Xnc-彳A

mn

齿顶圆直径：

De=msZ2mnfon■X^Cn

公法线长度：

Lnx二Ln2mnxnsin-0n

二.据齿轮的磨损程度修换齿轮对

在修理工作中，经常遇到齿轮因磨损研瘦，使齿厚减薄而影响传动性能。

修理这种齿轮的方法要依据其磨损程度而定。

1、配制正变位小齿轮，以补偿磨损间隙

当齿轮对中的大齿轮，齿形磨损均匀，渐开线表面也比较完整，且分度圆弦齿厚磨损在6%以下（对于主传动齿轮的要求），或10%以下（对于辅助传动齿轮的要求）。

可应用正变位增加小齿轮齿厚，以消除因磨损研瘦而出现的间隙，恢复传动精度。

采用此法时，应先测出分度圆弦齿厚，然后确定其磨损程度和计算出变位系数及小齿轮的其他参数，即：

1、测量分度圆弦齿厚Sxn:

齿轮的实际分度圆弦齿厚Sxn的测量，可；利用游标齿厚卡尺来测量。

测量时所用的弦高hxn按下式确定：

对于直齿圆柱齿轮：

2

式中：

△为分度圆弧到弦的矢高值的修正量，其值由表格1选

取。

表格1矢高值修正量

Z

△

Z

△

Z

△

Z

△

10

0.0615

21

0.0293

32

0.0198

48

0.0128

11

0.0559

22

:

0.0281:

33

0.0190

50

0.0123

12

0.0513

23

0.0268

34

0.0182

55

0.0112

13

0.0473

24

0.0257

35

0.0176

60

0.0103

14

0.0441

25

0.0246

36

0.0174

70

0.0088

15

0.0411

26

0.02371

37

0.0168

80

0.0077

16

0.0385

27

0.0228:

38

0.0162

97

0.0064

17

0.0363

28

0.0221

40

0.0154

127

0.0053

18

0.0342

29

0.0212

42

0.0146

135

0.0045

19

0.0324

30

0.02061

44

0.0141

20

0.0308

31

0.0202

46

0.0134

齿条

0

或米用下列公式:

Z.rn+2（f+x—"rn_mZ.込^2x+丄>；

22

式中：

x,二用上面介绍的方法确定，如系非变位齿轮，则两值均为零。

对于斜齿圆柱齿轮：

式中：

当量齿数乙Z—

cosPf

2、计算原设计的分度圆弦齿厚Sxn:

原设计的分度圆弦齿厚Sx的计算：

对于直齿圆柱齿轮：

Sx=mZsin2”““0'x+—[

对于斜齿圆柱齿轮：

Sxn=mnZ，sin恥““0"，x+工|

3

、计算磨损度△:

5、计算小齿轮的齿顶圆直径及公法线长度：

Dei=Zim2mfo%-二（直齿圆柱齿轮）

Dei二Zimn-2mnfon'XM-二（斜齿圆柱齿轮）

Lx1L12x1msin〉o（直齿圆柱齿轮）

Lnxi=Lni•2Xnimsin〉on（斜齿圆柱齿轮）

各符号的意义和计算方法与前相同

2、修复大齿轮、更换小齿轮

当齿轮对中的大齿轮磨损较大，或渐开线表面易损坏。

这时，大

齿轮应采用负变位来进行修复，而制造一个新的正变位小齿轮与之配合，以保证其传动精度。

其计算方法是：

1、计算最大负变位量

直齿圆柱齿轮：

Xmax=—fT一-Z2■（〔-COS。

0）

（sin2丿

斜齿圆柱齿轮：

Xsmax=—2°^一-字0-CO^os）

（sin«°s2丿

即最大负变位系数，不能超过由此公式计算出的数值。

而应尽可能取小于该计算数值。

以便为下次修理留有余地。

具体的选择方法，是以能恢复齿廓渐开线表面为依据。

即：

用齿厚卡尺，测量齿厚为1.57m0.6出的高度H，这恢复齿廓渐

X2为：

（直齿圆柱齿轮）

（斜齿圆柱齿轮）

上式X2Xn2计算所得是正值，不能超过最大负变位量的绝对值。

对于小齿轮的变位系数，则X^-X2以保证其中心距不便。

2、确定齿轮外圆可以车去的量，并校核齿圈强度。

大齿轮齿顶圆直径应车去的量：

De22X2m（直齿圆柱齿轮）

De2=2Xn2E（斜齿圆柱齿轮）

如果De2的数值较大，就有可能影响大齿轮原有的齿圈强度。

-般情况下，减少量在0.8m（或0.8mn）以下时，对齿圈强度影响很小，可以不做齿圈强度减弱的校核；也即X2<0.4时可不做校核。

3、齿轮其他参数的确定。

齿轮其他参数的确定，与上节同。

3、成对更换

当两齿轮均已磨损，而且无修复价值时，就只有采取成对更换的修理方案。

对更换齿轮的参数的确定，可以按照实物进行测绘（或按

备件图），全部照办。

如果要提高更换齿轮的寿命，就应该根据齿轮的失效形式，以确定更换齿轮的几何尺寸参数。

其计算方法和步骤时：

①、当为直齿圆柱齿轮时：

a、计算啮合角：

=cos」（＜cosot。

）

计算端面传动啮合角：

〉s二COS’A0COS〉os

计算总变位系数：

xsc=Zi"Ao

mstanc（os

在求得总变位系数后，根据前面所介绍的齿轮失效形式及其变位系数的选择方法，确定一种主要质量指标，适当分配两齿轮的变位系数，然后再计算其他参数。