硬齿面齿轮传动装置的设计制造技术:四川齿轮箱厂的技术特点.pdf
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1、 。齿 亳 龌 , , 硬齿面齿轮传动装置的设计制造技术 四川齿轮箱厂的技术特 点 四川齿轮箱厂, 原名永进机械厂, 建于六 十年代中期。 主要为海军服务、 设计制造船用 齿轮箱 、 联轴节、 离台器。 船 舶 , 特别 是舰船 , 是 水 中的流 动城 市 , 是一个国家现代化工业的缩影。 它的高性能、 高技术要求, 决定 了四川齿轮箱厂在设计制 造 技术 方面要先 于其它工业部 门追踪世界先 进 技术水平 。所 以工厂从建厂开始就按照硬 齿面齿轮的制造工艺流程进行设计、 配备设 各 。 在国家改革开放以前, 工厂主要为海军 服务 , 靛f 造各 种舰 船用传动装置 。 改革开放 以 来 ,
2、 为适 应我国造 船工业的发展 , 在八十年代 初 , 七 十年代末 , 引进 了蓥 国罗曼 斯托尔福 特 公司 ( 下简称 L u S ) 的船用齿轮箱三个 系列 的图纸 , 标准 、 计算机 软件 和设 计制造 技 术 ; 为解决动力装置轴系扭振问题引进了奥地利 盖斯林 格公 司的盖斯林 格联辅 节 、 减 振器 的 设计 制 造技术 和扭转振 动 电算 程序 ; 随后 船 舶工 业总 公司又 将引进瑞 士 苏尔寿 、 德 国曼 恩、 法国热机学会、 日本大发等柴油机的齿轮 图纸 , 标准 转入我厂 , 由我厂消化 吸收 生产制 造 。工 厂在 自己设 计制造硬齿面齿轮 的经验 基础上 ,
3、 对引进 技术进行 消化 吸收 、 移植 、 开 发 、 创新 。 为保证 先进 技术和先进 国际标准 的 一 r Hf 弓 2 、 十 贯彻执 行 , 工 厂在 六 五” 、 “ 七 五 、 “ 八 五 ” 期 间不问断地对工厂进行技术改造 。十多年的 发展, 使四川齿轮箱厂拥有世界先进硬齿面 齿轮 的设计计算 技术 ; 建 立 了以 国际先进 标 准 为主体的设计 、 制造 、 试验 、 检验 的标准 、 规 范体系 拥 有齐 全配套 的、 保证 先进 标准 、 规 范贯衡执行 的机械加工 、 热处理 、 检验计量设 各 同时造就 出一批掌握 先进 技术 的工 程技 术 人员和操作先进设备
4、的高级 技师 。四川齿 轮箱 厂成 为我 国能设计 、 制造高精度 、 硬 齿面 齿轮的基地 。生产 GW 、 GC、 GVA、 C G 系列 船 用齿 轮 箱和 J s J D、 J H、 J K VB S 、 VB P工 业 用齿轮箱 , 为船舶 、 冶金 、 建材 、 石油 、 化 工、 水 电和航天 工业服务 。 一 、高精度硬齿面齿轮的优点 众所周 知, 齿轮的强度设计是从考虑润 滑条件 的齿面压力和齿根强度两方面进行 的 随着 技术 的发展和技算 机的应用 , 世界传 动技术 的发展趋于采用硬齿 面。 据统计 , 由于 硬 齿面 的采 用大大地 促进 了机 器 的重 量轻 、 小型
5、化和质量性能的提高 。使机器 工作 速度 提高一个等级 。如高速线材轧机 的轧制速 度 从 过 去 的 3 0 m s以 下提 高 到 9 0 - 1 2 0 m s 。 采 用硬齿面齿轮传动使传动装置的体积太 大 减少 , 可以降低 制造成本 , 以某轧机 主减速机 9 一 为例进行 比较 面刮 重量轧御速度 硬度 调质齿轮2 4 0 0 1 0 0 l 1 O 0 I 3 0 m s 1 H B 3 6 0 齿面齿划 1 6 9 5 l 弘 l 6 0 p o 一1 2 0 l HHR c 5 7 - - 4 硬 齿面中氮化硬 齿面 , 由于氮化层深度很 浅 , 不 适台作 低速 重载齿轮
6、传 动 , 而且氮化工 艺本身的成本较贵 , 所 很少采用 。 表 面淬火 ( 如 高 、 中频 或火焰淬 火 ) 的 淬 硬 层与非淬硬 层过 渡界 面 明显 , 硬度 的分 布 梯度太大 , 同时淬硬 质量不均匀 , 齿根淬硬困 难 , 易生成 表面 裂纹 , 齿 面 硬度较 低 ( HRc 5 5 左右) 所 以也逐渐 减少 。 深层渗碳、 淬火磨 削的高精度硬齿面齿 轮 , 精度高 、 表 面硬 度高 ( HRc 5 8 - - 4 ) , 齿面硬 化层均匀等多方面的优点, 特别适用于低速 重载齿轮 传动。 它 表面硬度高 , 接触强度 比调 质齿轮成倍 增长 , 而 弯 曲强度 比调
7、质齿轮 约 增 加 o 以上 。 所 以 F a l k、 ( L us) 、 费兰特 公 司、 雪铁龙一梅西安一杜朗公司等全部采用 深层渗碳一淬火一磨 齿齿轮 ,高精度 硬齿 面 齿轮 代表 了工 业用 , 船 用齿 轮传动装 置的 发 展方 向。 四川齿轮箱 厂 , 从建 厂开始 , 由于其服务 性质决定其 跟踪 世界先 进 技术 , 采用合金 结 构钢制造渗碳一淬火一 磨齿的高精度硬齿面 齿轮 。 长期的实际应 用证 明 , 齿轮的耐磨性 可 以与轴 承滚动 面媲 美 , 无需担 心齿 面磨损和 锈蚀 , 在弯 曲强度上 也 留有很大余地 。 二、 齿 轮强度计 算 工 厂引进 了齿轮
8、设 计计算 程序 , 并 与上 一 1 O 一 海 交 大 、 郑 州 机 械 研 究所 合 作 开 发 , 可 按 GB3 4 8 0 83 、 AGM A 、 I S O 、 DI N、Z C、 ABS、 G L、 L l o y d S等标准和规范对齿轮强度进行 计算 为了提高齿轮的承载能力。利用计算机 对 齿轮 的几何参 数和变位 系数 , 进行 优 化设 计。 由于表面硬化技术的采用, 齿轮承载能力 得到 提高 , L u S通过多年生产实践认为 对于 齿轮 齿面应力 的计算 , 对小型齿轮 , 用赫兹应 力公 式还 可 以, 它基于 齿面接触 区的最 大 表 面压缩。而对于大模数、
9、 大直径的齿轮、 用赫 兹应 力公式 计算齿 面压应 力强 度 , 则 不能 真 实反映齿轮 的实际受力情况 。因为随着摸 数 的增大, 齿高和齿轮当量接触半径增大, 应力 的危 险点 已不在 齿轮硬 化层的表面层 , 而是 在内部的某一个深度。 例如 : 中心距 A-1 0 0 0 ( ram) , i -3的齿 轮箱 的大齿轮 , 应力危 险点 在 距表 面层 4 ram 处 。L u S通过对大 量 齿轮 齿 面 以下 应力分布及 其强度 计算的研 究 , 提 出 了 三 向应 力理 论” : 齿面 下 受三 向单 个 应 力组成 的合成应 力作 用 , ( 图一示 ) 应用 主 延伸假
10、设得到包括齿面应力在内的齿截面的 应 力分布 曲线 。能确切 地反映齿面啮台时 的 应 力状态 ( 图二 ) 。 计算齿根应力, 主要考虑轮齿啮合时的 弯 曲应 力 、 压 缩应 力 、 剪应力 、 齿 轮热处理 效 应及装配时产 生的 内应力 。齿根处于复合应 力状态, 用能量法求得其合成应力。 用合成应 力峰值作 出齿根截面上的有关 位置 的计 算应 句, 得到 图七所示 的合成应力 曲线。 用计 算机对 图二 、 图三所示 的齿面 齿撮 合成应力的计算, 综合考 虑接触强度和弯曲 疲 劳强度 , 确 定齿轮 的几 何参数 、 材料 、 许 用 疲劳强度及 齿轮 的硬 度 曲线和 齿面的硬
11、化 层 深度 。 齿轮设计者借助于图二、 图三曲线, 可以 有把握地设计出尺寸小、 重量轻的传动装置 。 现在我们除按引进的图纸生产引进的三系列 齿轮 籍井 , 还用 引进韵计算机程序 , 根 据用户 需要 , 设计 、 改型 设计各 种特殊用途 的齿轮 、 齿轮箱 , 满足工业和船用的需要 。 图四是计算 机打印出的结果。工厂的 J s系列磨机减速 机 , 就是 根据 图四船用齿轮箱 Gu T系列改型 移植后开发研制的。 三 、 材料的选择 为了提高 齿轮 的弯 曲强度 , 我们选 用 国 产优质合金钢 。 这 些材料经 L u S与西德材料 进行 同炉处理对 比试 验。结果证 明其机 械性
12、 能 、 淬硬性 、 硬化层金相组 织、 硬度 、 碳势沿深 度 分布等性 能略高于 罗曼现用相应材料 的性 能 。 利用 国产材料 , 按我厂标准齿形( 原 引进 的 LUS1 5 ) 加 工 采用 现行 热处理 工 艺渗 碳 淬火并磨齿制造的试验齿轮 , 与 7 1 1所 、 上海 交大合作 , 在营产 cL 一 1 O O型齿轮 试验机 上 进行 接触 疲劳强度 试验。参试齿轮精度 6 HK ( J B1 7 9 8 3 ) , 试 验 验 证 工 作 在 GB4 8 0 - 8 3 规定的标准条 件下进行 , 按升降法, 测定材料 的疲 劳极 限 , 通 过 试验 , 推荐 设 计选
13、用 值 为 1 4 j O 一1 5 5 0 N mm 。 国 际 标 准 化组 织 I S 02 6 8文推荐 渗碳淬 硬齿 轮材 料 接触疲 劳 极 限框 图范 围在 1 3 0 0 - -1 6 5 0 Nmm。 , 我 厂试 验齿轮材料在 I S 02 6 8推荐框 图的中上限 。 试验时 , 齿轮单位齿宽 、 单位模数 上的圆 周力 为 1 7 1 6 2 N ram , 齿轮 接 触 强度 K 系 数为 1 5 6 k g c mm m , 经 5 x1 0 次循环, 所有 被试齿轮均 未发 生断齿和点蚀瑗象 。 工厂与哈 尔滨船舶工程学 院合 作对 渗碳 齿轮材 料及工 艺进行优
14、选 试验 研 究 , 对 国内 常用的六种材料进行碳含量沿层深分布 、 硬 度 沿层深 的分 布及 有效硬 化层 深 、 渗层 和心 都组织、 常规力学性能、 断裂韧性、 静弯性能、 弯 曲疲劳性 能 、 接触疲 劳性 能 、 耐磨 性 、 工 艺 性、 晶粒长大规律及组织遗传、 高温回火温度 对谓 质组 织 和性 簏 的影响 等 十 八 项 专题 研 究 , 编 制 了工 厂对 不 同材 质 的不 同的热 处理 工 艺规程和规 范确保热处理质量 。 四、 单斜 齿的选用 由于淬火磨 削齿轮 的采用 , 如 采 用人 字 齿要加大人字 齿间的退 刀槽 装配时 只能达 到两侧齿 面接 触形状对
15、称而不 能达到全齿侧 接触 , 不是偏内侧接触 , 就是偏外侧接触, 采 用单斜齿则可 以通过调整或齿轮修 形达到全 齿长接触 。( J S系列轴承设有小偏心距可调 整接触精度) , 我厂一般情况下尽可能地 采用单斜齿 传动。 由于硬齿面的广泛采 用 , 承 载 能力有很 大提高 , 很多 情况下 用单 斜齿 已 可 以满足 传动要求 , 而不 会造成传 动 装置尺 寸过大 尤其是 中心距过 大的情况 。另外 , 采 用 人字 齿的双分 流式 传动耗费 材料 、 工时和 1 给加工装 配带来 的麻烦要 比取得 的效 果来得 小 , 在经济上考虑也应 当尽量 不采 用 。 只有在 结构要 求 中
16、心距 极 小 + 而 又传 动力矩很 大 的 情况下 , 不得不 用增 加齿 宽来实现 时, 人字 齿 似乎就难 以避免 了。 在这种情况 下 , 也应设计 成组合结构 , 如西 马克公司 , 把 人字齿轮变 为 两个单斜齿齿轮 的拼 装结 构 。 大型 齿轮采 用齿 圈与 轮毂 组合结柯 , 齿 “ 圈的尺 寸通 过三维 有限 元计算 确定 , 并依据 三维应力 应变计算结 果确定联结螺栓 的数 量 和形式 。 五 、 采用气体渗碳 在 表 面硬 化方法 中, 氮化 由于硬化层 薄 而限制 了齿轮的承载 能力 。高频淬火又很难 得到理 想的硬化 层分 布 , 对 大模数齿 轮淬 火 时+ 齿
17、轮淬硬深度 太浅 或没 有淬火 造成应 力 分布不均 而降低 了齿轮弯 曲强度 。 气 体渗碳淬 火 , 可 以得到 所需 要的硬 化 层 , 热处理 后具有较理 想的残余应 力 。 用最 新 技术 可准确地控 制碳 势而获得 最佳硬 度值 , 从而提 高齿轮 的接 触强 度和弯 曲强度 , 是 制 造大 型重载 齿轮 的一种 好的表 面处理方 法 。 为 此 , 我 厂 从 西 德 迪 高 莎 公 司 引 进 了 GS R U1 9 0 2 5 0型渗碳炉 。从 日本中外炉株 式会社 引进 了 3 0 0 0的渗 碳炉 该炉 用氧探 头 或红 外 线 C 02气体分 析 仪丽种 方法 测定炉
18、气 碳 势 通过 微处理机 和 模拟计算机两套独立 的 自动控 制系统对热处 理过程进 行 适 时 控 制 碳 势 控 制 偏 差 :0 0 2 碳势均匀性偏 差士0 0 5 。 与谤炉 配 套使用硝盐淬火 , 可稳 定淬火介 质温度 , 减 少 工件变形 + 提高工件淬 透性 。 图五为经渗碳 淬 火后 的各炉 次实测渗层碳浓度和硬度分布 曲线。 图六为渗碳淬火经腐蚀后的齿形 照片 。 采用公法 线千分尺型硬度检验仪 检验齿顶到 齿根 的硬度 , 其硬度差 很小 。 经 渗 碳 淬 火 后 的齿 轮 Ms F 一 2 M 型 X 射线应力分析仪上用侧倾法 , x 一2 o法测定 齿 面 ,
19、齿 根表面 的残 余应 力和残余奥 氏体 含 量 。齿根 残余压应力 在 4 9 0 - 5 8 8 N mm。 范 围内 , 国家标准 中推 荐 的齿根弯 曲持 久极 限 为 4 0 0 - 4 4 0 N ram , 大大 提高 了弯曲疲 劳强 度 。残余 奥氏体含量在 5 8 2 0 范 围内。 六 、 齿轮的大模数和小齿数 传动装置设 计时 + 已知条件首先是 传 动 的功 率 P和转 速 l it 或力距 T, 要求 的传动 比 u , 由齿 轮接触 应力公式 可知 , 齿宽和节 圆直 径 ( 小齿轮 ) 的平方 的乘 积与接触 应力 6 n 成 反 比 : b d w 0 H 由弯
20、 曲强 度公式 知 : 齿宽与模数 的乘 积 与弯 曲应 力 成反 比。 、 b Mn 寺 设 b=d W 1 上 两式 又转变为 l d wl “ 。 ( 1 ) ( 2 ) 砷b 丽 J 分 析 式 ( 1 ) 或 ( 2 ) , 可 知 , 在 d w 和 传 动 要 求 一定 的情 况下 , 小齿轮 的齿数与齿轮 的 弯 曲应 力成正 比, 所 以减少 齿数 , 增大 模数 总体上 讲对传动有利 。 由于硬齿面齿轮 齿面接触疲劳极限 6 B 提 高掘 多 , 它 与弯 曲疲劳 极 限 6 之 比大 约 等 于 3 2 3 5 。而调质齿面倒 过来的这个 比 值 大约 等于 2 5 ,
21、所 以要 作 到齿轮 轮 齿接 触 和弯曲的等强度条件 , 也要求硬齿面齿轮选 用较大模数和尽 量减 少齿数。硬齿 面齿轮传 动 的最小齿数 l 9 2 l而调质齿轮 3 0 3 5 。 我厂 日前磨齿机 能磨 的最大模数 3 4 , 而 能铣 削 的最大模数又选 9 7 ram 七 、 高精度齿轮 齿轮精度的选择原则是工作线速度 、 要 求的承线 能力和工 厂生 产设备 的可能。对硬 齿 面齿轮 , 经磨 削后 的齿轮 精度 一般选 6级 精度 。 线速度特 别高时选 4 5级 , 对振 动 、 噪 音有特别要求时, 目前最高可达 3级精度 。 硬 齿面 齿轮模 数增 大后 , 或 凋质 齿
22、轮 直 径 增大后 , 如不 提高齿轮精 度 , 则模数 , 直径 增 大带来的强度 的提高将被动负荷的增大 所 抵 消 这 点以前的国 内调质齿轮传动装置 在 水泥 、 冶 金行 业 中的使 用发生 失效 的经验和 教训可以证 明提高齿轮加 工精度 的必要 。 为保证齿轮的加工精度和 国际先进标准 的贯 彻 执行 , 工 厂先 后 配 备 了 MAAG 系列 磨 齿 机 、 Z S TZ 0 3 1 m2 5 m 磨 齿 机 , Ho e f l e r 4 0 0 0 mm 和 No VAI O 0 0 C NC高 精度 磨 齿 机 可加 工直径 4 0 0 0 , 模数 3 2 ram,
23、 最 高齿轮精 度达到 D I N3级的齿轮 。高精度 的设备 靠高 精 度 的 检 测 仪 器 调 校, 为 此 , 工 厂 配 备 有 MAAG s P一6 0 , 德 国克林 贝尔格大型齿 轮 检查 仪 , Ho e fl e r 公 司的 TP F 4 0 1 0 0 0 , E VT M MAC2 T 齿 轮 检 查 仪 ,L e i t z 公 司 GMM3 0 3 0 1 0型 门式 三座 标测 量机 , 可检 测 齿轮 直径 4 0 0 0 mm, 精度 DI N3级精度 , 图七 为测量 曲线 。 齿轮 直径增 大后 , 热 处理 后 由于工件 容 积效应 , 齿面从 齿顶到
24、齿根各部位 硬度 不均 , 最大硬度差 达 2 0 HB。为对齿 轮 制造 质量严 格 控制 , 从德 国引进齿面硬度 检查仪 , 对大模 数的大型齿轮用硝盐淬火, 提高工件的淬透 性 。 1 、 齿顶、 齿向修整 轮 齿是 一个弹性 体 , 工 作受力后 不可避 免地要发生弯曲变形。虽然啮合结束后恢复 原 状 , 但啮合 时的变形 会发生基 节误 差 那样 的影响 , 使下一对齿 的齿顶和 齿根发生干 涉 , 见图八 、 图九 。 能产生很 大的冲 击而引起啮合 噪音 表 面渗碳 淬火 齿轮 的 许用 K 系数 约 为 调质齿轮的 4 5 倍。轮齿变形的影响, 比调 质 齿轮大得多 。 为
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