典型机械零件的选材分析.ppt
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只有少数齿轮用是传递扭矩,调整速度及改变运动方向。
只有少数齿轮受力不大,仅起分度定位作用。
受力不大,仅起分度定位作用。
1.1.工作条件分析工作条件分析工作条件分析工作条件分析一对齿轮副在运转工作时,两齿面啮合运动一对齿轮副在运转工作时,两齿面啮合运动:
(1)因传递扭矩而使齿根部受到弯曲应力)因传递扭矩而使齿根部受到弯曲应力;
(2)同时使齿面有相互滚动和滑动摩擦的摩擦力)同时使齿面有相互滚动和滑动摩擦的摩擦力;(3)在轮齿面窄小接触处承受很大的交变接触压应力)在轮齿面窄小接触处承受很大的交变接触压应力;(4)由于换挡、启动或啮合不均,使齿轮承受一定冲击载荷作用)由于换挡、启动或啮合不均,使齿轮承受一定冲击载荷作用;(5)此外,瞬时过载、润滑油腐蚀及外部硬质磨粒的侵入等情况,)此外,瞬时过载、润滑油腐蚀及外部硬质磨粒的侵入等情况,都可加剧齿轮工作条件的恶化。
都可加剧齿轮工作条件的恶化。
2.常见的主要失效形式常见的主要失效形式齿轮工作时受力繁重、复杂,其主要失效形式有以下几种齿轮工作时受力繁重、复杂,其主要失效形式有以下几种:
(11)断齿)断齿)断齿)断齿除因超载而产生脆性折断除因超载而产生脆性折断(多发生在轮齿淬透的硬齿面齿轮或脆性材多发生在轮齿淬透的硬齿面齿轮或脆性材料制造的齿轮上料制造的齿轮上)外,大多数情况下断齿都是由弯曲疲劳造成的。
外,大多数情况下断齿都是由弯曲疲劳造成的。
当零件所承受的重复应力较高当零件所承受的重复应力较高(接近甚至可能超过材料的屈服强度接近甚至可能超过材料的屈服强度)、而频率较低、而频率较低(低低于于10次次/min)时,其断裂前经受的循环次数较低时,其断裂前经受的循环次数较低(往往低于往往低于1055次次),被称为低周疲劳。
,被称为低周疲劳。
在产生低周疲劳过程中,每次循环都产生较大的塑性变形,因此塑性变形占主导地在产生低周疲劳过程中,每次循环都产生较大的塑性变形,因此塑性变形占主导地位,故应选用塑性、韧性好的材料。
位,故应选用塑性、韧性好的材料。
反之,当重复应力较低、频率较高时,断裂前经受的循环次数较高反之,当重复应力较低、频率较高时,断裂前经受的循环次数较高(可达可达107次次),称,称为高周疲劳。
在产生高周疲劳过程中,应变循环基本上局限在弹性范围内,因此是为高周疲劳。
在产生高周疲劳过程中,应变循环基本上局限在弹性范围内,因此是弹性变形占主导地位,故应选用强度较高的材料。
弹性变形占主导地位,故应选用强度较高的材料。
(22)齿面接触疲劳破坏)齿面接触疲劳破坏)齿面接触疲劳破坏)齿面接触疲劳破坏(麻点麻点麻点麻点)齿面承受大的交变接触应力作用,因表面疲劳齿面承受大的交变接触应力作用,因表面疲劳使齿面表层产生点状、小片剥落的破坏。
这是齿轮最常见的失效形式。
使齿面表层产生点状、小片剥落的破坏。
这是齿轮最常见的失效形式。
2.常见的主要失效形式常见的主要失效形式(33)齿面磨损)齿面磨损)齿面磨损)齿面磨损分为两种情况分为两种情况:
一种是摩擦磨损一种是摩擦磨损;另一种是磨粒磨损。
另一种是磨粒磨损。
摩擦磨损大多由于高速重载齿轮运转时,因齿面摩擦产生大量热,造成润摩擦磨损大多由于高速重载齿轮运转时,因齿面摩擦产生大量热,造成润滑膜破坏,促使齿面软化,致使齿面过度磨损。
轻度的摩擦磨损称滑膜破坏,促使齿面软化,致使齿面过度磨损。
轻度的摩擦磨损称擦伤擦伤,严重者称严重者称胶合胶合。
磨粒磨损是由于外来硬质点嵌入相互啮合的齿面间,使齿。
磨粒磨损是由于外来硬质点嵌入相互啮合的齿面间,使齿面产生机械磨损。
面产生机械磨损。
2.常见的主要失效形式常见的主要失效形式失效方式失效方式统计结果果/%/%失效原因失效原因统计结果果/%/%断裂,断裂,总计疲劳断裂,轮齿轮过载断裂,轮齿轮表面疲表面疲劳,总计麻点剥落麻点-剥落混合磨磨损,总计磨粒磨损粘着磨损塑性塑性变形,形,总计61.261.232.84.023.80.620.320.37.26.86.813.213.210.32.95.35.3使用不当,使用不当,总计润滑不良安装不良过载其它设计,总计设计不合理选材不当热处理条件规定不当热处理,理,总计淬火不良硬化层浅心部硬度低硬化层太深其它,其它,总计74.774.711.021.238.93.66.96.92.81.62.516.216.25.94.82.01.81.41.4表表表表7.17.1美国美国美国美国931931个齿轮失效方式及原因的统计结果个齿轮失效方式及原因的统计结果个齿轮失效方式及原因的统计结果个齿轮失效方式及原因的统计结果据美国一资料对据美国一资料对931931个齿轮失效方式及原因统计结果个齿轮失效方式及原因统计结果(如表如表如表如表7.17.17.17.1所示所示所示所示)表明,疲劳断裂占失效齿表明,疲劳断裂占失效齿轮总数的轮总数的36368%8%、约、约1/31/3以上,居首位,过载断裂约占以上,居首位,过载断裂约占24244%4%、次之,这两项加起来断裂、次之,这两项加起来断裂失效总计占失效总计占61612%2%,是齿轮失效的主要形式,是齿轮失效的主要形式;其次是表面疲劳破坏,占总数的其次是表面疲劳破坏,占总数的20203%;3%;而齿而齿面磨损,占总数的面磨损,占总数的13132%2%。
3.3.主要性能要求主要性能要求根据齿轮的工作条件及失效形式的分析,对齿轮材料特提出如下性能根据齿轮的工作条件及失效形式的分析,对齿轮材料特提出如下性能要求要求:
(1111)高的弯曲疲劳强度)高的弯曲疲劳强度)高的弯曲疲劳强度)高的弯曲疲劳强度,特别是齿根处要有足够的强度,使运行时,特别是齿根处要有足够的强度,使运行时所产生的弯曲应力不致造成疲劳断裂。
所产生的弯曲应力不致造成疲劳断裂。
(2222)高的接触疲劳强度、高的表面硬度和耐磨性,)高的接触疲劳强度、高的表面硬度和耐磨性,)高的接触疲劳强度、高的表面硬度和耐磨性,)高的接触疲劳强度、高的表面硬度和耐磨性,防止齿面损伤。
防止齿面损伤。
(3333)足够高的齿轮心部强度和冲击韧度,)足够高的齿轮心部强度和冲击韧度,)足够高的齿轮心部强度和冲击韧度,)足够高的齿轮心部强度和冲击韧度,防止过载与冲击断裂。
防止过载与冲击断裂。
(4444)此外,还要求有良好的切削加工性,淬火变形要小,)此外,还要求有良好的切削加工性,淬火变形要小,)此外,还要求有良好的切削加工性,淬火变形要小,)此外,还要求有良好的切削加工性,淬火变形要小,以获得高以获得高的加工精度和低的表面粗糙度值,以提高齿轮抗磨损能力。
的加工精度和低的表面粗糙度值,以提高齿轮抗磨损能力。
应说明,在齿轮副中两齿轮齿面硬度值应有一定差值,因小齿轮的齿应说明,在齿轮副中两齿轮齿面硬度值应有一定差值,因小齿轮的齿根薄、轮齿受载次数多,故小齿轮硬度应比大齿轮要高些。
一般两齿根薄、轮齿受载次数多,故小齿轮硬度应比大齿轮要高些。
一般两齿轮齿面硬度差轮齿面硬度差:
软齿面为软齿面为303050HBW50HBW,硬齿面为,硬齿面为5HRC5HRC左右。
左右。
4.齿轮类零件的选材分析齿轮类零件的选材分析确定齿轮用材及热处理工艺,主要根据确定齿轮用材及热处理工艺,主要根据齿轮的传动方式齿轮的传动方式齿轮的传动方式齿轮的传动方式(开式或闭开式或闭开式或闭开式或闭式式式式)、载荷性质与大小、载荷性质与大小、载荷性质与大小、载荷性质与大小(齿面接触应力与冲击载荷等齿面接触应力与冲击载荷等齿面接触应力与冲击载荷等齿面接触应力与冲击载荷等)、传动速、传动速、传动速、传动速度度度度(节园线速度节园线速度节园线速度节园线速度)和精度要求等工作条件而定。
和精度要求等工作条件而定。
和精度要求等工作条件而定。
和精度要求等工作条件而定。
同时还要考虑,依同时还要考虑,依据齿轮模数和截面尺寸提出的淬透性及齿面硬化要求、齿轮副的材料及据齿轮模数和截面尺寸提出的淬透性及齿面硬化要求、齿轮副的材料及硬度值的匹配等问题。
硬度值的匹配等问题。
齿轮类零件绝大多数应选用渗碳钢或调质钢系列。
齿轮类零件绝大多数应选用渗碳钢或调质钢系列。
齿轮类零件绝大多数应选用渗碳钢或调质钢系列。
齿轮类零件绝大多数应选用渗碳钢或调质钢系列。
它们经表它们经表面强化处理后,表面有高的强度和硬度,心部有良好韧性,能满足使用面强化处理后,表面有高的强度和硬度,心部有良好韧性,能满足使用性能要求。
此外,这类钢的工艺性能好,经济上也较合理,所以是较理性能要求。
此外,这类钢的工艺性能好,经济上也较合理,所以是较理想的材料。
想的材料。
但对于某些尺寸较大但对于某些尺寸较大(如直径如直径400mm)400mm)、形状复杂并承受一、形状复杂并承受一定冲击载荷的齿轮,其毛坯用锻造难以加工时,亦常采用铸钢。
某些开定冲击载荷的齿轮,其毛坯用锻造难以加工时,亦常采用铸钢。
某些开式传动的低速齿轮可用铸铁,特殊情况下还可采用有色金属及工程塑料式传动的低速齿轮可用铸铁,特殊情况下还可采用有色金属及工程塑料等。
等。
4.齿轮类零件的选材分析齿轮类零件的选材分析(1111)钢制齿轮)钢制齿轮)钢制齿轮)钢制齿轮有型材和锻件两种毛坯。
由于锻坯纤维组织与轴线垂直,有型材和锻件两种毛坯。
由于锻坯纤维组织与轴线垂直,分布合理,故重要用途齿轮都采用锻造毛坯。
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