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1、齿轮的材料、寿命系数和极限应力院（系）名称机械工程学院专业名称机械制造学生姓名李岩学生学号SY13072022013年11月北京航空航天大学第I页齿轮的材料、寿命系数和极限应力摘要齿轮是机械传动中应用最广泛的零件之一, 它在工作中的受力情况比较复杂。在齿轮的制造过程中, 合理选择材料与热处理工艺, 是提高承载能力和延长使用寿命的必要保证。在满足工作要求的前提下合理选择齿轮的寿命系数，这对实际工作有着十分重要的意义。本文就常用齿轮材料的选择及热处理工艺，不同标准下寿命系数的计算方法进行了分析。关键词： 齿轮材料，热处理，疲劳极限，寿命系数The material, life factor and
2、 ultimate stress of gearAbstractThe gear is one of the most widely used parts in mechanical transmission, and the state of forces it suffers in the work is more complicated. In the manufacturing process of gears, the rational choice of material and heat treatment process is a necessary guarantee to
3、improve the bearing capacity and extend the life. Choosing the rational life factor is very important. In this paper, material selection and heat treatment process of gears, as well as different calculation methods of standards commonly used in life factor are analyzed.Key words: material of gears，h
4、eat treatment，fatigue limit，life factor目录1绪论11.1 齿轮的材料和热处理11.2 齿轮的寿命系数11.3 齿轮的疲劳极限12齿轮的材料和热处理32.1 锻钢32.1.1 高承载能力的重要齿轮32.1.2 中等承载能力的齿轮42.1.3 较低承载能力的齿轮42.2 铸钢52.3 铸铁52.4 有色金属52.5 非金属材料53齿轮的疲劳曲线和寿命系数63.1 疲劳曲线和寿命系数的一般表达式63.2 疲劳曲线的其它表达式83.3 接触疲劳曲线中的特征数（p和N ）93.4 接触强度寿命系数值的比较113.5 弯曲疲劳曲线中的两个特征数（p和）114齿轮的疲
5、劳极限134.1 比较接触疲劳极限的前提条件134.2 接触疲劳极限值的分析比较184.3 比较弯曲疲劳极限值的前提条件224.4 弯曲疲劳极限值的分析比较24结论30参考文献311 绪论1.1 齿轮的材料和热处理齿轮是机械传动中应用最广泛的零件之一, 它的功用是按规定的速比传递动力和运动。在工作中, 它的受力情况比较复杂, 齿轮的齿根部受交变弯曲应力, 齿面承受大的接触应力并产生强烈的摩擦, 在换挡、启动和啮合不良时, 齿轮还承受一定的冲击载荷。齿轮的主要失效形式是疲劳断齿、疲劳点蚀以及齿面的过量磨损。根据齿轮的受力情况和失效分析可知, 齿轮一般都需经过适当的热处理, 以提高承载能力和延长使
6、用寿命, 齿轮在热处理后应满足下列性能要求:1)高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度(抗疲劳点蚀)。2)齿面具有较高的硬度和耐磨性。3)齿轮心部具有足够的强度和韧性。齿轮的材料及热处理对齿轮的内在质量和使用性能都有很大的影响。锻钢、铸钢、铸铁、有色金属及非金属材料都可用来制造齿轮, 各种热处理方法, 如渗碳、渗氮、碳氮共渗、表面淬火、调质和正火等, 在齿轮制造中都被应用, 因此, 齿轮的选材和热处理方法的选用较其它零件复杂。这就需要设计人员根据齿轮承载能力的不同, 合理选择材料和毛坯及热处理工艺, 并制定相应的工艺路线, 用最经济的办法最大限度地发挥材料的潜能, 做到物尽其用。1.2 齿轮的寿命系数
7、齿轮承载能力计算中的寿命系数是从齿轮的疲劳曲线中引申出来的。从概念上来说，人们对疲劳曲线和寿命系数两者的理解都比较一致。但是，在涉及具体的数据上，就有比较大的差别，造成这种差别的原因是多方面的，例如各家试验条件有差别，材质和热处理也不尽相同，数据有多有少，有不同的数据处理方法等等。因此，本文的重点在于比较各家疲劳曲线和寿命系数在数据上的异同，从中找出一些规律性的东西。1.3 齿轮的疲劳极限 金属材料在无数次重复的交变载荷作用下不致破坏的最大应力,称为疲劳极限。齿轮在工作过程中，始终受到不断变化的力作用，因此，研究齿轮的疲劳极限，对齿轮的正常工作有着十分重要的意义。按照齿轮在不同工况下失效形式的
8、不同，齿轮的疲劳极限可大体上分为接触疲劳极限和弯曲疲劳极限。每种材料和热处理状况的疲劳极限最好通过齿轮的运转实验来确定，实验条件和实验齿轮的尺寸应尽可能地同计算齿轮的条件相类似。 在滚子试验台上用滚子试验来代替齿轮试验，实践证明只能获得齿轮接触疲劳极限的比较值；用有缺口或无缺口的光滑试件作弯曲疲劳试验得到的疲劳极限来代替齿根的弯曲疲劳极限，也有类似的情况。因此，目前倾向性的看法是：推荐在标准试验条件，用标准试验齿轮的试验为基础，并考虑到实践的经验来确定齿轮的疲劳极限。ISO（GB与ISO相同）、AGMA、和JGMA各家给出的齿轮p疲劳极限值，都是在这种试验和经验想结合的办法来确定的。作为一种齿
9、轮承载能力计算方法，在给出和时，通常都应说明齿轮的试验条件，如：循环基数、失效判据、可靠度、齿轮圆周速度、润滑油的粘度、模数、齿宽、应力集中系数、齿面粗糙度、齿根过渡圆角表面的粗糙度等。但是，目前除了ISO方法有比较具体的交代外，其他如AGMA、等计算法均缺乏这方面的数据，这不能不说是个欠缺。为了搞清各家在处理齿轮疲劳极限这个问题上的不同看法、不同的数据取值和其他一些差别，本文采用对比的办法，作一较全面分析。2 齿轮的材料和热处理 常用于制造齿轮的材料主要是钢, 其次是铸铁, 在某些场合, 也可使用非金属材料。2.1 锻钢锻钢应用最广泛, 通常重要用途的齿轮大多采用锻钢制作。根据承载能力的大小
10、不同, 选择的材料及热处理工艺又有所不同。2.1.1 高承载能力的重要齿轮 这类齿轮有汽车、拖拉机、摩托车、矿山机械及航空发动机等齿轮。1)汽车、拖拉机等齿轮主要分装在变速箱和差速器中。在变速箱中, 通过它来改变发动机、曲轴和主轴齿轮的转速;在差速器中, 通过齿轮来增加扭转力矩, 且调节左右两车轮的转速, 并将发动机动力传给主动轮, 推动汽车、拖拉机运行, 所以传递功率、冲击力及摩擦压力都很大, 工作条件比较恶劣。因此在耐磨性、疲劳强度、心部强度和冲击韧性等方面的要求均比较高。实践证明, 选用渗碳钢经渗碳、淬火及低温回火后使用最为合适。渗碳齿轮一般采用合金渗碳钢, 而不采用碳素钢, 因为碳素钢
11、渗碳后淬火时要用水作淬火剂, 变形量大。小模数齿轮一般采用20Cr和20CrMnT,i 而较大模数齿轮采用30CrMnTi 钢。其工艺路线一般为:备料锻造正火机械粗加工、半精加工渗碳+淬火+低温回火喷丸校正精加工该工艺中正火的目的是为了均匀和细化组织, 消除锻造应力, 改善切削加工性; 渗碳后表面含碳量提高, 保证淬火后得到高的硬度( 58 62HRC) , 提高耐磨性和接触疲劳强度, 心部硬度可达30 45HRC, 并具有足够的强度和韧性; 喷丸可增大渗碳表层的压应力, 提高疲劳强度, 并可清除氧化皮。航空发动机齿轮承受高速和重载, 比汽车、拖拉机齿轮的工作条件更为恶劣, 除要求高的耐疲劳性
12、外, 还要求齿轮的心部具有高的强度和韧性, 一般多采用12CrNi3A、12Cr2N i4A或18Cr2N i4WA 等高级渗碳钢制造, 为了节约镍, 可用15CrMn2SMioA代替18Cr2Ni4WA。这两种钢的切削加工性能较差, 其工艺路线一般为:备料 锻造调质处理机械粗加工、半精加工渗碳高温回火机械加工淬火+低温回火机械精加工检验在此工艺中, 由于12CrNi3A、12Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA 等高级渗碳钢的淬透性较高, 退火困难, 一般采用调质处理, 使硬度降低到35HRC 以下, 改善切削加工性能。由于不渗碳表面未经镀铜防渗, 因此渗碳后进行高温回火, 降低硬度, 便于
13、切去不渗碳表面的渗碳层。2.1.2 中等承载能力的齿轮 这类齿轮的代表是金属切削机床齿轮。机床齿轮大多用于齿轮箱, 主要用于传递动力, 改变运动速度和方向, 工作条件较好, 载荷不大, 工作平稳无强烈冲击, 转速也不高, 属工作条件较好的齿轮。因此, 要求综合力学性能好, 一般选用调质钢制造, 如40钢、45钢、40C r、42SMi n等。一般40钢、45钢用于中小载荷机床齿轮, 如床头箱、溜板箱齿轮等, 40Cr、42SMin等用于高速、高载的机床的走刀箱、变速箱齿轮。其工艺路线一般为:备料 锻造 正火 机械粗加工 调质 机械半精加工 高频感应淬火+ 低温回火 磨削该工艺路线中热处理工序的
14、作用: 正火处理的目的是消除锻造应力, 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; 调质的目的是为了提高齿轮心部的综合力学性能, 以承受交变弯曲应力和冲击载荷, 还可减少高频淬火变形; 高频感应淬火及低温回火是决定齿轮表面性能的关键工序, 高频感应淬火可提高齿轮表面的硬度和耐磨性,并使齿轮表面具有残余压应力, 从而提高抗疲劳点蚀的能力。低温回火是为了消除淬火应力, 防止产生磨削裂纹和提高抗冲击能力。对于中等承载能力的高精度齿轮, 也可选用38CrM nA l等专用渗氮钢, 进行渗氮处理。2.1.3 较低承载能力的齿轮 较低承载能力的齿轮一般选用中碳钢( 40、45)
15、 或低合金中碳钢( 40Cr、40Mn、40MnB 等) 制造, 进行调质处理, 调质后硬度约为200300H B。相互配对使用的小齿轮硬度稍高(相差大约在70120HB) , 对齿轮的使用寿命有利。其工艺路线一般为: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( 40、45)。2.2 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
