硬齒面齒輪
http://m.dcyhziu.cn 2007/6/6 源自:中華職工學(xué)習(xí)網(wǎng) 【字體：
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【摘要】風(fēng)力發(fā)電增速齒輪箱中，其輸入軸承受葉片傳過來的軸向力、扭矩和顛覆力矩。中間軸上的齒輪承受輸入端傳過來的力矩和輸出端剎車時(shí)傳過來的剎車力矩。輸出軸上的齒輪承受中間軸傳過來的扭矩，同時(shí)也承受輸出端剎車時(shí)帶來的剎車力矩。
一、 簡述齒輪箱輸入軸、中間軸和輸出軸上各種齒輪的受力分析
風(fēng)力發(fā)電增速齒輪箱中，其輸入軸承受葉片傳過來的軸向力、扭矩和顛覆力矩。中間軸上的齒輪承受輸入端傳過來的力矩和輸出端剎車時(shí)傳過來的剎車力矩。輸出軸上的齒輪承受中間軸傳過來的扭矩，同時(shí)也承受輸出端剎車時(shí)帶來的剎車力矩。
二、 簡述齒輪箱齒輪的常用材料及其性能分析
風(fēng)力發(fā)電增速齒輪箱中，齒輪的常用材料為低碳合金鋼，重齒公司常用20CrMnTi、20CrMnMo、17CrNiMo6等材料；內(nèi)齒圈用42CrMoA材料。它們的力學(xué)分析見下表：
鋼號 試樣毛坯
尺寸
(mm) 熱處理 力學(xué)性能供應(yīng)狀態(tài)硬度HB
淬火溫度
（℃） 冷卻 回火溫度(℃) 冷卻 σb
(MPa) σs
(MPa) δ5
（％） ψ
（％） AK
（J）
第一次 第二次 不小于 不大于
20CrMnTi 15 880 870 油 200 水、空 1080 835 10 45 55 217
20CrMnMo 15 850油 200 水、空 1175 885 10 45 55 217
17CrNiMo6 11 855 815 油 180 水、空 1300 830 7 30 41 229
42CrMoA 15 840油 610 水、空 1150 885 10 40 34
齒輪材料為滲碳鋼，滲碳鋼載未滲碳前進(jìn)行的各種試驗(yàn)只能測定零件心部的性能，滲碳淬火后的性能除與心部性能有關(guān)外，還受滲碳層深度、滲碳層的碳含量與金相組織。內(nèi)應(yīng)力的分布等因素的影響。
1、 抗彎強(qiáng)度 滲碳鋼的靜強(qiáng)度一般通過彎曲試驗(yàn)測定。零件心部硬度、鋼材的化學(xué)成分合面層碳含量都影響彎曲強(qiáng)度。在滲碳層深度一定的情況下，心部硬度增加時(shí)，彎曲強(qiáng)度隨之增加；當(dāng)滲碳層組織相同時(shí)，滲碳層深度增加，彎曲強(qiáng)度隨之增加；在滲碳層深度與心部硬度相同時(shí)，含鎳的鋼材彎曲強(qiáng)度比其他鋼材彎曲強(qiáng)度高；滲碳層面層碳含量增加時(shí)彎曲強(qiáng)度降低。
2、 疲勞強(qiáng)度 齒輪多因變載荷作用而疲勞損壞，如齒根彎曲疲勞損壞合齒面接觸疲勞損壞。影響疲勞損壞的因素有：
（1） 心部硬度（強(qiáng)度）
（2） 滲碳層內(nèi)的氧化物 當(dāng)滲碳鋼中含有鈦、硅、錳和等合金元素，并在吸熱性滲碳?xì)夥罩袧B碳時(shí)容易形成這些元素的氧化物，他們存在于晶界或晶粒內(nèi)部。在氧化物附近這些元素貧化，降低了淬透性。這種氧化物還會(huì)成為高溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的核心，導(dǎo)致淬火后在表面形成一些非馬氏體產(chǎn)物從而降低了最表面的硬度。
（3） 滲碳層內(nèi)的碳化物 碳含量的數(shù)量、大小、形狀和分布對滲碳鋼的接觸疲勞和彎曲疲勞性能都有影響，網(wǎng)狀碳化物會(huì)明顯降低滲碳鋼的彎曲疲勞性能。
（4） 滲碳層內(nèi)的殘余奧氏體 殘余奧氏體本身強(qiáng)度低，它的存在還降低對疲勞性能有利的殘余壓應(yīng)力，因此滲碳層組織中有殘余奧氏體會(huì)降低疲勞性能，但經(jīng)滾壓和噴丸強(qiáng)化會(huì)提高疲勞強(qiáng)度。
三、 硬齒面齒輪的特點(diǎn)及運(yùn)行注意事項(xiàng)
重慶齒輪箱有限責(zé)任公司，建于六十年代中期。主要設(shè)計(jì)制造船用齒輪箱、聯(lián)軸節(jié)、離合器等。
船舶，是水中的流動(dòng)城市，是一個(gè)國家現(xiàn)代化工業(yè)的縮影。它的高性能、高技術(shù)要求，決定了齒輪箱在設(shè)計(jì)制造技術(shù)方面要先于其它工業(yè)部門追蹤世界先進(jìn)技術(shù)水平。所以公司從建廠開始幾按照硬齒面齒輪的制造工藝流程進(jìn)行設(shè)計(jì)、配備設(shè)備。
改革開放以來，為適應(yīng)我國造船工業(yè)的發(fā)展，在八十年代初，七十年代末，引進(jìn)了德國羅曼·斯托爾福特公司（下簡稱LUS）的船用齒輪箱的圖紙，標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)算機(jī)軟件和設(shè)計(jì)制造技術(shù)；為解決動(dòng)力裝置軸系扭振問題引進(jìn)了奧地利蓋斯林格公司的蓋斯林格聯(lián)軸節(jié)、減振器的設(shè)計(jì)制造技術(shù)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)電算程序；隨后船舶工業(yè)總公司又將引進(jìn)瑞士蘇爾壽、德國曼恩、法國熱機(jī)學(xué)會(huì)、日本大發(fā)等柴油要的齒輪圖紙，標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)放我公司，由我公司消化吸收生產(chǎn)制造。公司在自己設(shè)計(jì)制造硬齒面齒輪的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，對引進(jìn)技術(shù)進(jìn)行消化吸收、移植、開發(fā)、創(chuàng)新。為保證先進(jìn)技術(shù)和先進(jìn)國際標(biāo)準(zhǔn)的貫徹執(zhí)行，公司不間斷的對工廠進(jìn)行技術(shù)改造。三十多年的發(fā)展，使重慶齒輪箱有限責(zé)任公司擁有世界先進(jìn)硬齒面齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算技術(shù)；建立了以國際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)為主體的設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)、檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范體系；擁有齊全配套的、保證先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范貫徹執(zhí)行的機(jī)械加工、熱處理、檢驗(yàn)計(jì)量設(shè)備；同時(shí)造就出一批掌握先進(jìn)技術(shù)的工程技術(shù)人員和操作先進(jìn)設(shè)備的高級技師。成為我國能設(shè)計(jì)、制造高精度硬齒面齒輪的基地。
（一）、高精度硬齒面齒輪的優(yōu)點(diǎn)
眾所周知，齒輪的強(qiáng)度設(shè)計(jì)是從考慮潤滑條件的齒面壓力和齒根強(qiáng)度兩個(gè)方面進(jìn)行的。隨著技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，世界傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展趨于采用硬齒面。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于硬齒面齒輪的采用大大地促進(jìn)了機(jī)器的重量輕、小型化和質(zhì)量性能的提高，使機(jī)器工作速度提高了一個(gè)等級。如高速線材軋機(jī)的軋制速度從過去的30m/s以下提高到90-120m/s。采用硬齒面齒輪傳動(dòng)使傳動(dòng)裝置的體積大大地減少，可以降低制造成本，一某軋機(jī)主減速機(jī)為例進(jìn)行比較：
中心距 表面積 重量 軋制速度 硬度
調(diào)質(zhì)齒輪 2400 100% 100% 30m/s HB360
硬齒面齒輪 1695 34% 60% 90-120m/s HRC57＋4
硬齒面中氮化硬齒面，由于氮化層深度很淺，不適合作低俗重載齒輪傳動(dòng)，而且氮化工藝本身的成本較貴，所以很少采用。
表面淬火（如高、中頻或火焰淬火）的淬硬層與非淬硬層過渡界面明顯，硬度的分布剃度太大，同時(shí)淬硬質(zhì)量不均勻，齒根淬硬困難，易生成表面裂紋，齒面硬度較低（HRC55左右）所以應(yīng)用也逐漸減少。
深層滲碳、淬火磨削的高精度硬齒面齒輪，精度高、表面硬度高（HRC58+4），齒面硬化層均勻等多方面的優(yōu)點(diǎn)，特別適用于低速重載齒輪傳動(dòng)。它表面硬度高，接觸強(qiáng)度比調(diào)質(zhì)齒輪成倍增長，而彎曲強(qiáng)度比調(diào)質(zhì)齒輪約增加50%以上。所以FALK、（LUS）、費(fèi)蘭特公司、雪鐵龍-梅西安-杜朗公司等全部采用深層滲碳-淬火-磨齒齒輪。高精度硬齒面齒輪代表了工業(yè)用，船用齒輪傳動(dòng)裝置的發(fā)展方向。
重慶齒輪箱有限責(zé)任公司，從建廠開始，由于其服務(wù)性質(zhì)決定其跟蹤世界先進(jìn)技術(shù)，采用合金結(jié)構(gòu)鋼制造滲碳-淬火-磨齒的高精度硬齒面齒輪。長期的實(shí)際應(yīng)用證明，齒輪的耐磨性可以與軸承滾動(dòng)面媲美，無需擔(dān)心齒面磨損和銹蝕，在彎曲強(qiáng)度上也留有很大余地。
（二）、齒輪強(qiáng)度計(jì)算
公司引進(jìn)了齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算程序，并與上海交大、重慶大學(xué)等合作開發(fā)，可按GB3480-83、AGMA、ISO、DIN、ZC、ABS、GL、Lioyd′s等標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范對齒輪強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。
為了提高齒輪的承載能力，利用計(jì)算機(jī)對齒輪的幾何參數(shù)和變位系數(shù)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于表面硬化技術(shù)的采用，齒輪承載能力得到提高，LUS通過多年生產(chǎn)實(shí)踐認(rèn)為：對于齒輪齒面應(yīng)力的計(jì)算，對小型齒輪，用赫茲應(yīng)力公式還可以，它基于齒面接觸區(qū)的最大表面壓縮。而對于大模數(shù)、大直徑的齒輪、用赫茲公式計(jì)算齒面壓應(yīng)力強(qiáng)度，則不能真實(shí)反映齒輪的實(shí)際受力情況。因?yàn)殡S著模數(shù)的增大，齒高和齒輪當(dāng)時(shí)接觸半徑增大，應(yīng)力的危險(xiǎn)點(diǎn)已不在齒輪硬化層的表面層，而是在內(nèi)部的某一個(gè)深度。例如：中心距A=1000（mm），I=3的齒輪箱的大齒輪，應(yīng)力危險(xiǎn)齒面以下應(yīng)力分布及其強(qiáng)度計(jì)算的研究，提出了“三向應(yīng)力理論“：齒面以下受三向單個(gè)應(yīng)力組成的合成應(yīng)力作用，應(yīng)用主延伸假設(shè)得到包括齒面應(yīng)力在內(nèi)的齒截面的應(yīng)力分布曲線。能確切地反映齒面嚙合時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)。
計(jì)算齒根應(yīng)力，主要考慮輪齒嚙合時(shí)的彎曲強(qiáng)度、壓縮應(yīng)力、剪應(yīng)力、齒輪熱處理效應(yīng)及裝配時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。
用計(jì)算機(jī)對齒面齒根合成應(yīng)力的計(jì)算，綜合考慮接觸強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度，確定齒輪的幾何參數(shù)、材料、許用疲勞強(qiáng)度及齒輪的硬度曲線和齒面的硬化層深度。
（三）、材料的選擇
為了提高齒輪的彎曲強(qiáng)度，我們選用國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)合金鋼。這些材料經(jīng)LUS與西德材料進(jìn)行同爐處理對比試驗(yàn)。結(jié)果證明其機(jī)械性能、淬硬性、硬化層金相組織、硬度、碳勢層深度分布等性能略高于羅曼現(xiàn)用相應(yīng)材料的性能。
利用國產(chǎn)材料，按我公司標(biāo)準(zhǔn)齒形（原引進(jìn)的LUSI15）加工，采用現(xiàn)行熱處理工藝滲碳淬火并磨齒制造的試驗(yàn)齒輪，與711所、上海交大合作，在國產(chǎn)CL-100型齒輪試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行接觸疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)。參試齒輪精度6HK（JB179-83），試驗(yàn)驗(yàn)證工作在GB3480-83規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行，按升降法，測定材料的疲勞極限，通過試驗(yàn)，推薦設(shè)計(jì)選用值為1450-1550N/ ，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO268文推薦滲淬硬齒輪材料接觸疲勞強(qiáng)度極限框圖范圍在1300-1650kg/ ，我公司試驗(yàn)齒輪材料在ISO268推薦框圖的中上限。
試驗(yàn)時(shí)，齒輪單位齒寬、單位模數(shù)上的圓周力為171。62N/ ，齒輪接觸強(qiáng)度K系數(shù)為156kg/cm ，經(jīng)5×107次循環(huán)，所有被試齒輪均未發(fā)生斷齒和點(diǎn)蝕現(xiàn)象。
公司與哈爾濱船舶工程學(xué)院合作對滲碳齒輪材料及工藝進(jìn)行優(yōu)選試驗(yàn)研究，對國內(nèi)常用的六種材料進(jìn)行碳含量沿層深分布、硬度沿層深的分布及有效硬化層深、滲層和心部組織、常規(guī)力學(xué)性能、斷裂韌性、靜彎性能、彎曲疲勞性能、接觸疲勞性質(zhì)、耐磨性、工藝性、晶粒長大規(guī)律及組織遺傳、高溫回火溫度對調(diào)質(zhì)組織和性能的影響等十八項(xiàng)專題研究，編制了公司對不同材質(zhì)的不同的熱處理工藝規(guī)程和規(guī)范確保熱處理質(zhì)量。
（四）、采用氣體滲碳
在表面硬化方法中，氮化由于硬化層薄而限制了齒輪的承載能力。高頻淬火又很難得到理想的硬化層分布，對大模數(shù)齒輪淬火時(shí)，齒輪淬硬深度太淺或沒有淬火造成應(yīng)力分布不均勻而降低了齒輪彎曲強(qiáng)度。
氣體滲碳淬火，可以得到所需要的硬化層，熱處理后具有較理想的殘余應(yīng)力。用最新技術(shù)可準(zhǔn)確地控制碳勢而獲得最佳硬度值，從而提高齒輪的接觸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度，是制造大型重載齒輪的一種好的表面處理方法。為此，我廠從西德迪高沙公司引進(jìn)了GSRU190×250型滲碳爐。從日本中外爐株社引進(jìn)了￠3000的滲碳爐。
該爐用氧探頭或紅外線CO2氣體分析儀兩種測定爐氣碳勢，通過微處理機(jī)和模擬計(jì)算機(jī)兩套獨(dú)立的自動(dòng)控制系統(tǒng)對熱處理過程進(jìn)行適時(shí)控制，碳勢控制偏差±0.05%。與該爐配套使用硝鹽淬火，可穩(wěn)定淬火介質(zhì)溫度，減少工件變形，提高工件淬透性。采用公法線千分尺型硬度檢驗(yàn)儀檢驗(yàn)齒頂?shù)烬X根的硬度，其硬度差很小。
經(jīng)滲碳淬火后的齒輪MSF-2M型X射線應(yīng)力分析儀上用側(cè)傾法，X-20法測定齒面，齒根表面的殘余奧氏體含量。齒根殘余壓應(yīng)力在490-588 N/ 范圍內(nèi)，國家標(biāo)準(zhǔn)中推薦的齒根彎曲持續(xù)極限為400-440 N/ ，大大提高了彎曲疲勞強(qiáng)度，殘余奧氏體含量在5.8-20%范圍內(nèi)。
（五）、高精度齒輪
齒輪精度的選擇原則是工作線速度、要求的承載能力和公司設(shè)備的可能。對硬齒面齒輪，經(jīng)磨削后的齒輪精度一般選6級精度。線速度特別高時(shí)選4-5級，對振動(dòng)、噪音有特別要求時(shí)，目前最高可達(dá)3級精度。
硬齒面齒輪模數(shù)增大后，或調(diào)質(zhì)齒輪直徑增大后，如不提高齒輪精度，則模數(shù)，直徑增大帶來的強(qiáng)度的提高將被動(dòng)負(fù)荷的增大所抵消。這點(diǎn)以前的國內(nèi)調(diào)質(zhì)齒輪傳動(dòng)裝置在水泥、冶金行業(yè)中的使用發(fā)生失效的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)可以證明提高齒輪加工精度的必要。
為了保證齒輪的加工精度和國際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的貫徹執(zhí)行，本公司先后MAAG系列磨齒機(jī)、ZST0.31m~2.5m磨齒機(jī)，Hoefler4000mm和NOVA1000CNC高精度磨齒機(jī)可加工直徑4000，模數(shù)32mm，最高齒輪精度達(dá)到DIN3級的齒輪。高精度的設(shè)備靠高精度的檢測儀調(diào)校，為此，公司配備了MAAGSP-60，德國可林貝爾格大型齒輪檢查儀，Hoefler公司的TPF40/1000，EVTM/MAC2T齒輪檢查儀，Leits公司GMM303010型門式三坐標(biāo)測量機(jī)，可檢測齒輪直徑4000mm，精度DIN3級精度，圖七為測量曲線。
齒輪直徑增大后，熱處理后由于工件容積效應(yīng)，齒面從齒頂?shù)烬X根各部位硬度不均，最大硬度差達(dá)20HB。為對齒輪制造質(zhì)量嚴(yán)格控制，從德國引進(jìn)齒面硬度檢查儀，對大模數(shù)的大型齒輪用硝鹽淬火，提高工件的淬透性。
齒頂、齒向修整
輪齒是一個(gè)彈性體，工作受力后不可避免地要發(fā)生彎曲變形。雖然嚙合結(jié)束后恢復(fù)原狀，但嚙合時(shí)的變形會(huì)發(fā)生基節(jié)誤差那樣的影響，使下一對齒的齒頂和齒根發(fā)生干涉，能產(chǎn)生很大的沖擊而引起嚙合噪音。
表面滲碳淬火齒輪的許用K系數(shù)約為調(diào)質(zhì)齒輪的4-5倍。輪齒變形的影響，比調(diào)質(zhì)齒輪大得多。為了避免嚙合沖擊，改善齒面潤滑狀態(tài)，降低嚙合噪音，需對齒輪的齒頂和齒向進(jìn)行修整。起修整量是根據(jù)齒輪負(fù)荷計(jì)算齒輪變形量，齒輪軸的彎曲，扭轉(zhuǎn)變形量后確定的。對高承載能力的高硬度齒面的滲碳淬火齒輪，齒頂、齒向修整技術(shù)是保證產(chǎn)品性能不可缺少的必要條件。
我公司已建立了自己的齒頂、齒向修形計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)算程序，并成功的用NiIES、MAAG、Hoefier及國產(chǎn)磨齒機(jī)對我廠生產(chǎn)的各種齒輪，其中包括按西歐、日本和美國設(shè)計(jì)的圖紙生產(chǎn)的齒輪進(jìn)行了修正。
（六）、變位系數(shù)的選擇
當(dāng)采用帶觸角滾刀切齒時(shí)，變位系數(shù)的選擇十分重要，標(biāo)準(zhǔn)中心距和變位系數(shù)過大，通常都不適用于帶觸角滾刀深切齒，因?yàn)樗鼘?dǎo)致齒根部分嚴(yán)重的漸開線偏切。另外，為有利于提高齒輪副的承載能力，發(fā)揮物盡其能的作用，不采用變位齒輪，實(shí)際上是一種無形的浪費(fèi)。
公司生產(chǎn)的所有齒輪都是變位齒輪，首先根據(jù)幾何條件計(jì)算出大、小齒輪變位系數(shù)之和，并由計(jì)算機(jī)按公司設(shè)定的分配原則進(jìn)行分配，保證齒輪副的最佳性能。
（七）、齒輪箱的安裝找正
齒輪箱能否安全可靠地工作，除了正確地選材，先進(jìn)合理的設(shè)計(jì)、高精的制造、組裝、全面的性能檢測保證外，正確地安裝找正是保證齒輪箱長壽命，安全可靠工作的重要環(huán)節(jié)，公司的齒輪箱在交貨時(shí)，我們將向用戶提供一份安裝找正規(guī)范。該規(guī)范內(nèi)容包括在齒輪箱使用說明書中，對較大型號的特種齒輪傳動(dòng)裝置，工廠將單獨(dú)提供找正規(guī)范。
齒輪箱的找正規(guī)范是集LUS多年經(jīng)驗(yàn)，并根據(jù)VD2725標(biāo)準(zhǔn)制定。起目的是為正常情況下原動(dòng)機(jī)、齒輪箱、工作機(jī)械在所有運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下（而不是在安裝時(shí)）互相聯(lián)結(jié)的軸應(yīng)準(zhǔn)確地同心，平穩(wěn)地工作。因此找正時(shí)，必須根據(jù)下列三種曲線修正軸心位移。
1、 齒輪箱軸心（輸入、輸出軸）位移的全負(fù)荷溫度特性曲線。
2、 原動(dòng)機(jī)軸心位移的全負(fù)荷溫度特性曲線。
3、 工作機(jī)械軸心位移的全負(fù)荷溫度特性曲線。
計(jì)算繪制齒輪箱軸心位移的全負(fù)荷溫度特性曲線時(shí)，將考慮到下列因素的影響。
齒輪箱機(jī)座的熱膨脹；
齒輪箱殼體的熱膨脹；
齒輪箱軸的熱膨脹；
運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)齒輪箱機(jī)座的彈性變形；
運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)齒輪箱殼體的彈性變形；
運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)軸承間隙、齒輪嚙合力和油膜引起的軸心位置的變動(dòng)。
法蘭的端面跳動(dòng)、徑向跳動(dòng)。
原動(dòng)機(jī)、工作機(jī)械的影響。
這里所講的“找正”是一個(gè)過程，并不等于“對中”，“對中”是一個(gè)狀態(tài)。找正規(guī)范中我們規(guī)定了嚴(yán)格找正方法，按規(guī)范找正，可保證齒輪箱長壽命、安全可靠地工作。自80年簽訂許可證協(xié)議以來，我公司已設(shè)計(jì)制造多種型號的永進(jìn)-船用齒輪箱。在國防、航運(yùn)中應(yīng)用日益廣泛。
在多年實(shí)際使用中，永進(jìn)齒輪制造技術(shù)經(jīng)受了嚴(yán)格的檢驗(yàn)，也給我們提供了豐富的經(jīng)驗(yàn)。我們深信，隨著我國海軍建設(shè)、漁業(yè)、航運(yùn)事業(yè)和建材機(jī)械及電力、冶金的發(fā)展，永進(jìn)齒輪箱將在更多的部門應(yīng)用，為祖國的民族工業(yè)作出更大的貢獻(xiàn)。
一、 簡述齒輪箱輸入軸、中間軸和輸出軸上各種齒輪的受力分析
風(fēng)力發(fā)電增速齒輪箱中，其輸入軸承受葉片傳過來的軸向力、扭矩和顛覆力矩。中間軸上的齒輪承受輸入端傳過來的力矩和輸出端剎車時(shí)傳過來的剎車力矩。輸出軸上的齒輪承受中間軸傳過來的扭矩，同時(shí)也承受輸出端剎車時(shí)帶來的剎車力矩。
二、 簡述齒輪箱齒輪的常用材料及其性能分析
風(fēng)力發(fā)電增速齒輪箱中，齒輪的常用材料為低碳合金鋼，重齒公司常用20CrMnTi、20CrMnMo、17CrNiMo6等材料；內(nèi)齒圈用42CrMoA材料。它們的力學(xué)分析見下表：
鋼號 試樣毛坯
尺寸
(mm) 熱處理 力學(xué)性能供應(yīng)狀態(tài)硬度HB
淬火溫度
（℃） 冷卻 回火溫度(℃) 冷卻 σb
(MPa) σs
(MPa) δ5
（％） ψ
（％） AK
（J）
第一次 第二次 不小于 不大于
20CrMnTi 15 880 870 油 200 水、空 1080 835 10 45 55 217
20CrMnMo 15 850油 200 水、空 1175 885 10 45 55 217
17CrNiMo6 11 855 815 油 180 水、空 1300 830 7 30 41 229
42CrMoA 15 840油 610 水、空 1150 885 10 40 34
齒輪材料為滲碳鋼，滲碳鋼載未滲碳前進(jìn)行的各種試驗(yàn)只能測定零件心部的性能，滲碳淬火后的性能除與心部性能有關(guān)外，還受滲碳層深度、滲碳層的碳含量與金相組織。內(nèi)應(yīng)力的分布等因素的影響。
1、 抗彎強(qiáng)度 滲碳鋼的靜強(qiáng)度一般通過彎曲試驗(yàn)測定。零件心部硬度、鋼材的化學(xué)成分合面層碳含量都影響彎曲強(qiáng)度。在滲碳層深度一定的情況下，心部硬度增加時(shí)，彎曲強(qiáng)度隨之增加；當(dāng)滲碳層組織相同時(shí)，滲碳層深度增加，彎曲強(qiáng)度隨之增加；在滲碳層深度與心部硬度相同時(shí)，含鎳的鋼材彎曲強(qiáng)度比其他鋼材彎曲強(qiáng)度高；滲碳層面層碳含量增加時(shí)彎曲強(qiáng)度降低。
2、 疲勞強(qiáng)度 齒輪多因變載荷作用而疲勞損壞，如齒根彎曲疲勞損壞合齒面接觸疲勞損壞。影響疲勞損壞的因素有：
（1） 心部硬度（強(qiáng)度）
（2） 滲碳層內(nèi)的氧化物 當(dāng)滲碳鋼中含有鈦、硅、錳和等合金元素，并在吸熱性滲碳?xì)夥罩袧B碳時(shí)容易形成這些元素的氧化物，他們存在于晶界或晶粒內(nèi)部。在氧化物附近這些元素貧化，降低了淬透性。這種氧化物還會(huì)成為高溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的核心，導(dǎo)致淬火后在表面形成一些非馬氏體產(chǎn)物從而降低了最表面的硬度。
（3） 滲碳層內(nèi)的碳化物 碳含量的數(shù)量、大小、形狀和分布對滲碳鋼的接觸疲勞和彎曲疲勞性能都有影響，網(wǎng)狀碳化物會(huì)明顯降低滲碳鋼的彎曲疲勞性能。
（4） 滲碳層內(nèi)的殘余奧氏體 殘余奧氏體本身強(qiáng)度低，它的存在還降低對疲勞性能有利的殘余壓應(yīng)力，因此滲碳層組織中有殘余奧氏體會(huì)降低疲勞性能，但經(jīng)滾壓和噴丸強(qiáng)化會(huì)提高疲勞強(qiáng)度。
三、 硬齒面齒輪的特點(diǎn)及運(yùn)行注意事項(xiàng)
重慶齒輪箱有限責(zé)任公司，建于六十年代中期。主要設(shè)計(jì)制造船用齒輪箱、聯(lián)軸節(jié)、離合器等。
船舶，是水中的流動(dòng)城市，是一個(gè)國家現(xiàn)代化工業(yè)的縮影。它的高性能、高技術(shù)要求，決定了齒輪箱在設(shè)計(jì)制造技術(shù)方面要先于其它工業(yè)部門追蹤世界先進(jìn)技術(shù)水平。所以公司從建廠開始幾按照硬齒面齒輪的制造工藝流程進(jìn)行設(shè)計(jì)、配備設(shè)備。
改革開放以來，為適應(yīng)我國造船工業(yè)的發(fā)展，在八十年代初，七十年代末，引進(jìn)了德國羅曼·斯托爾福特公司（下簡稱LUS）的船用齒輪箱的圖紙，標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)算機(jī)軟件和設(shè)計(jì)制造技術(shù)；為解決動(dòng)力裝置軸系扭振問題引進(jìn)了奧地利蓋斯林格公司的蓋斯林格聯(lián)軸節(jié)、減振器的設(shè)計(jì)制造技術(shù)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)電算程序；隨后船舶工業(yè)總公司又將引進(jìn)瑞士蘇爾壽、德國曼恩、法國熱機(jī)學(xué)會(huì)、日本大發(fā)等柴油要的齒輪圖紙，標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)放我公司，由我公司消化吸收生產(chǎn)制造。公司在自己設(shè)計(jì)制造硬齒面齒輪的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，對引進(jìn)技術(shù)進(jìn)行消化吸收、移植、開發(fā)、創(chuàng)新。為保證先進(jìn)技術(shù)和先進(jìn)國際標(biāo)準(zhǔn)的貫徹執(zhí)行，公司不間斷的對工廠進(jìn)行技術(shù)改造。三十多年的發(fā)展，使重慶齒輪箱有限責(zé)任公司擁有世界先進(jìn)硬齒面齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算技術(shù)；建立了以國際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)為主體的設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)、檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范體系；擁有齊全配套的、保證先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范貫徹執(zhí)行的機(jī)械加工、熱處理、檢驗(yàn)計(jì)量設(shè)備；同時(shí)造就出一批掌握先進(jìn)技術(shù)的工程技術(shù)人員和操作先進(jìn)設(shè)備的高級技師。成為我國能設(shè)計(jì)、制造高精度硬齒面齒輪的基地。
（一）、高精度硬齒面齒輪的優(yōu)點(diǎn)
眾所周知，齒輪的強(qiáng)度設(shè)計(jì)是從考慮潤滑條件的齒面壓力和齒根強(qiáng)度兩個(gè)方面進(jìn)行的。隨著技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，世界傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展趨于采用硬齒面。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于硬齒面齒輪的采用大大地促進(jìn)了機(jī)器的重量輕、小型化和質(zhì)量性能的提高，使機(jī)器工作速度提高了一個(gè)等級。如高速線材軋機(jī)的軋制速度從過去的30m/s以下提高到90-120m/s。采用硬齒面齒輪傳動(dòng)使傳動(dòng)裝置的體積大大地減少，可以降低制造成本，一某軋機(jī)主減速機(jī)為例進(jìn)行比較：
中心距 表面積 重量 軋制速度 硬度
調(diào)質(zhì)齒輪 2400 100% 100% 30m/s HB360
硬齒面齒輪 1695 34% 60% 90-120m/s HRC57＋4
硬齒面中氮化硬齒面，由于氮化層深度很淺，不適合作低俗重載齒輪傳動(dòng)，而且氮化工藝本身的成本較貴，所以很少采用。
表面淬火（如高、中頻或火焰淬火）的淬硬層與非淬硬層過渡界面明顯，硬度的分布剃度太大，同時(shí)淬硬質(zhì)量不均勻，齒根淬硬困難，易生成表面裂紋，齒面硬度較低（HRC55左右）所以應(yīng)用也逐漸減少。
深層滲碳、淬火磨削的高精度硬齒面齒輪，精度高、表面硬度高（HRC58+4），齒面硬化層均勻等多方面的優(yōu)點(diǎn)，特別適用于低速重載齒輪傳動(dòng)。它表面硬度高，接觸強(qiáng)度比調(diào)質(zhì)齒輪成倍增長，而彎曲強(qiáng)度比調(diào)質(zhì)齒輪約增加50%以上。所以FALK、（LUS）、費(fèi)蘭特公司、雪鐵龍-梅西安-杜朗公司等全部采用深層滲碳-淬火-磨齒齒輪。高精度硬齒面齒輪代表了工業(yè)用，船用齒輪傳動(dòng)裝置的發(fā)展方向。
重慶齒輪箱有限責(zé)任公司，從建廠開始，由于其服務(wù)性質(zhì)決定其跟蹤世界先進(jìn)技術(shù)，采用合金結(jié)構(gòu)鋼制造滲碳-淬火-磨齒的高精度硬齒面齒輪。長期的實(shí)際應(yīng)用證明，齒輪的耐磨性可以與軸承滾動(dòng)面媲美，無需擔(dān)心齒面磨損和銹蝕，在彎曲強(qiáng)度上也留有很大余地。
（二）、齒輪強(qiáng)度計(jì)算
公司引進(jìn)了齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算程序，并與上海交大、重慶大學(xué)等合作開發(fā)，可按GB3480-83、AGMA、ISO、DIN、ZC、ABS、GL、Lioyd′s等標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范對齒輪強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。
為了提高齒輪的承載能力，利用計(jì)算機(jī)對齒輪的幾何參數(shù)和變位系數(shù)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于表面硬化技術(shù)的采用，齒輪承載能力得到提高，LUS通過多年生產(chǎn)實(shí)踐認(rèn)為：對于齒輪齒面應(yīng)力的計(jì)算，對小型齒輪，用赫茲應(yīng)力公式還可以，它基于齒面接觸區(qū)的最大表面壓縮。而對于大模數(shù)、大直徑的齒輪、用赫茲公式計(jì)算齒面壓應(yīng)力強(qiáng)度，則不能真實(shí)反映齒輪的實(shí)際受力情況。因?yàn)殡S著模數(shù)的增大，齒高和齒輪當(dāng)時(shí)接觸半徑增大，應(yīng)力的危險(xiǎn)點(diǎn)已不在齒輪硬化層的表面層，而是在內(nèi)部的某一個(gè)深度。例如：中心距A=1000（mm），I=3的齒輪箱的大齒輪，應(yīng)力危險(xiǎn)齒面以下應(yīng)力分布及其強(qiáng)度計(jì)算的研究，提出了“三向應(yīng)力理論“：齒面以下受三向單個(gè)應(yīng)力組成的合成應(yīng)力作用，應(yīng)用主延伸假設(shè)得到包括齒面應(yīng)力在內(nèi)的齒截面的應(yīng)力分布曲線。能確切地反映齒面嚙合時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)。
計(jì)算齒根應(yīng)力，主要考慮輪齒嚙合時(shí)的彎曲強(qiáng)度、壓縮應(yīng)力、剪應(yīng)力、齒輪熱處理效應(yīng)及裝配時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。
用計(jì)算機(jī)對齒面齒根合成應(yīng)力的計(jì)算，綜合考慮接觸強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度，確定齒輪的幾何參數(shù)、材料、許用疲勞強(qiáng)度及齒輪的硬度曲線和齒面的硬化層深度。
（三）、材料的選擇
為了提高齒輪的彎曲強(qiáng)度，我們選用國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)合金鋼。這些材料經(jīng)LUS與西德材料進(jìn)行同爐處理對比試驗(yàn)。結(jié)果證明其機(jī)械性能、淬硬性、硬化層金相組織、硬度、碳勢層深度分布等性能略高于羅曼現(xiàn)用相應(yīng)材料的性能。
利用國產(chǎn)材料，按我公司標(biāo)準(zhǔn)齒形（原引進(jìn)的LUSI15）加工，采用現(xiàn)行熱處理工藝滲碳淬火并磨齒制造的試驗(yàn)齒輪，與711所、上海交大合作，在國產(chǎn)CL-100型齒輪試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行接觸疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)。參試齒輪精度6HK（JB179-83），試驗(yàn)驗(yàn)證工作在GB3480-83規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行，按升降法，測定材料的疲勞極限，通過試驗(yàn)，推薦設(shè)計(jì)選用值為1450-1550N/ ，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO268文推薦滲淬硬齒輪材料接觸疲勞強(qiáng)度極限框圖范圍在1300-1650kg/ ，我公司試驗(yàn)齒輪材料在ISO268推薦框圖的中上限。
試驗(yàn)時(shí)，齒輪單位齒寬、單位模數(shù)上的圓周力為171。62N/ ，齒輪接觸強(qiáng)度K系數(shù)為156kg/cm ，經(jīng)5×107次循環(huán)，所有被試齒輪均未發(fā)生斷齒和點(diǎn)蝕現(xiàn)象。
公司與哈爾濱船舶工程學(xué)院合作對滲碳齒輪材料及工藝進(jìn)行優(yōu)選試驗(yàn)研究，對國內(nèi)常用的六種材料進(jìn)行碳含量沿層深分布、硬度沿層深的分布及有效硬化層深、滲層和心部組織、常規(guī)力學(xué)性能、斷裂韌性、靜彎性能、彎曲疲勞性能、接觸疲勞性質(zhì)、耐磨性、工藝性、晶粒長大規(guī)律及組織遺傳、高溫回火溫度對調(diào)質(zhì)組織和性能的影響等十八項(xiàng)專題研究，編制了公司對不同材質(zhì)的不同的熱處理工藝規(guī)程和規(guī)范確保熱處理質(zhì)量。
（四）、采用氣體滲碳
在表面硬化方法中，氮化由于硬化層薄而限制了齒輪的承載能力。高頻淬火又很難得到理想的硬化層分布，對大模數(shù)齒輪淬火時(shí)，齒輪淬硬深度太淺或沒有淬火造成應(yīng)力分布不均勻而降低了齒輪彎曲強(qiáng)度。
氣體滲碳淬火，可以得到所需要的硬化層，熱處理后具有較理想的殘余應(yīng)力。用最新技術(shù)可準(zhǔn)確地控制碳勢而獲得最佳硬度值，從而提高齒輪的接觸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度，是制造大型重載齒輪的一種好的表面處理方法。為此，我廠從西德迪高沙公司引進(jìn)了GSRU190×250型滲碳爐。從日本中外爐株社引進(jìn)了￠3000的滲碳爐。
該爐用氧探頭或紅外線CO2氣體分析儀兩種測定爐氣碳勢，通過微處理機(jī)和模擬計(jì)算機(jī)兩套獨(dú)立的自動(dòng)控制系統(tǒng)對熱處理過程進(jìn)行適時(shí)控制，碳勢控制偏差±0.05%。與該爐配套使用硝鹽淬火，可穩(wěn)定淬火介質(zhì)溫度，減少工件變形，提高工件淬透性。采用公法線千分尺型硬度檢驗(yàn)儀檢驗(yàn)齒頂?shù)烬X根的硬度，其硬度差很小。
經(jīng)滲碳淬火后的齒輪MSF-2M型X射線應(yīng)力分析儀上用側(cè)傾法，X-20法測定齒面，齒根表面的殘余奧氏體含量。齒根殘余壓應(yīng)力在490-588 N/ 范圍內(nèi)，國家標(biāo)準(zhǔn)中推薦的齒根彎曲持續(xù)極限為400-440 N/ ，大大提高了彎曲疲勞強(qiáng)度，殘余奧氏體含量在5.8-20%范圍內(nèi)。
（五）、高精度齒輪
齒輪精度的選擇原則是工作線速度、要求的承載能力和公司設(shè)備的可能。對硬齒面齒輪，經(jīng)磨削后的齒輪精度一般選6級精度。線速度特別高時(shí)選4-5級，對振動(dòng)、噪音有特別要求時(shí)，目前最高可達(dá)3級精度。
硬齒面齒輪模數(shù)增大后，或調(diào)質(zhì)齒輪直徑增大后，如不提高齒輪精度，則模數(shù)，直徑增大帶來的強(qiáng)度的提高將被動(dòng)負(fù)荷的增大所抵消。這點(diǎn)以前的國內(nèi)調(diào)質(zhì)齒輪傳動(dòng)裝置在水泥、冶金行業(yè)中的使用發(fā)生失效的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)可以證明提高齒輪加工精度的必要。
為了保證齒輪的加工精度和國際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的貫徹執(zhí)行，本公司先后MAAG系列磨齒機(jī)、ZST0.31m~2.5m磨齒機(jī)，Hoefler4000mm和NOVA1000CNC高精度磨齒機(jī)可加工直徑4000，模數(shù)32mm，最高齒輪精度達(dá)到DIN3級的齒輪。高精度的設(shè)備靠高精度的檢測儀調(diào)校，為此，公司配備了MAAGSP-60，德國可林貝爾格大型齒輪檢查儀，Hoefler公司的TPF40/1000，EVTM/MAC2T齒輪檢查儀，Leits公司GMM303010型門式三坐標(biāo)測量機(jī)，可檢測齒輪直徑4000mm，精度DIN3級精度，圖七為測量曲線。
齒輪直徑增大后，熱處理后由于工件容積效應(yīng)，齒面從齒頂?shù)烬X根各部位硬度不均，最大硬度差達(dá)20HB。為對齒輪制造質(zhì)量嚴(yán)格控制，從德國引進(jìn)齒面硬度檢查儀，對大模數(shù)的大型齒輪用硝鹽淬火，提高工件的淬透性。
齒頂、齒向修整
輪齒是一個(gè)彈性體，工作受力后不可避免地要發(fā)生彎曲變形。雖然嚙合結(jié)束后恢復(fù)原狀，但嚙合時(shí)的變形會(huì)發(fā)生基節(jié)誤差那樣的影響，使下一對齒的齒頂和齒根發(fā)生干涉，能產(chǎn)生很大的沖擊而引起嚙合噪音。
表面滲碳淬火齒輪的許用K系數(shù)約為調(diào)質(zhì)齒輪的4-5倍。輪齒變形的影響，比調(diào)質(zhì)齒輪大得多。為了避免嚙合沖擊，改善齒面潤滑狀態(tài)，降低嚙合噪音，需對齒輪的齒頂和齒向進(jìn)行修整。起修整量是根據(jù)齒輪負(fù)荷計(jì)算齒輪變形量，齒輪軸的彎曲，扭轉(zhuǎn)變形量后確定的。對高承載能力的高硬度齒面的滲碳淬火齒輪，齒頂、齒向修整技術(shù)是保證產(chǎn)品性能不可缺少的必要條件。
我公司已建立了自己的齒頂、齒向修形計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)算程序，并成功的用NiIES、MAAG、Hoefier及國產(chǎn)磨齒機(jī)對我廠生產(chǎn)的各種齒輪，其中包括按西歐、日本和美國設(shè)計(jì)的圖紙生產(chǎn)的齒輪進(jìn)行了修正。
（六）、變位系數(shù)的選擇
當(dāng)采用帶觸角滾刀切齒時(shí)，變位系數(shù)的選擇十分重要，標(biāo)準(zhǔn)中心距和變位系數(shù)過大，通常都不適用于帶觸角滾刀深切齒，因?yàn)樗鼘?dǎo)致齒根部分嚴(yán)重的漸開線偏切。另外，為有利于提高齒輪副的承載能力，發(fā)揮物盡其能的作用，不采用變位齒輪，實(shí)際上是一種無形的浪費(fèi)。
公司生產(chǎn)的所有齒輪都是變位齒輪，首先根據(jù)幾何條件計(jì)算出大、小齒輪變位系數(shù)之和，并由計(jì)算機(jī)按公司設(shè)定的分配原則進(jìn)行分配，保證齒輪副的最佳性能。
（七）、齒輪箱的安裝找正
齒輪箱能否安全可靠地工作，除了正確地選材，先進(jìn)合理的設(shè)計(jì)、高精的制造、組裝、全面的性能檢測保證外，正確地安裝找正是保證齒輪箱長壽命，安全可靠工作的重要環(huán)節(jié)，公司的齒輪箱在交貨時(shí)，我們將向用戶提供一份安裝找正規(guī)范。該規(guī)范內(nèi)容包括在齒輪箱使用說明書中，對較大型號的特種齒輪傳動(dòng)裝置，工廠將單獨(dú)提供找正規(guī)范。
齒輪箱的找正規(guī)范是集LUS多年經(jīng)驗(yàn)，并根據(jù)VD2725標(biāo)準(zhǔn)制定。起目的是為正常情況下原動(dòng)機(jī)、齒輪箱、工作機(jī)械在所有運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下（而不是在安裝時(shí)）互相聯(lián)結(jié)的軸應(yīng)準(zhǔn)確地同心，平穩(wěn)地工作。因此找正時(shí)，必須根據(jù)下列三種曲線修正軸心位移。
1、 齒輪箱軸心（輸入、輸出軸）位移的全負(fù)荷溫度特性曲線。
2、 原動(dòng)機(jī)軸心位移的全負(fù)荷溫度特性曲線。
3、 工作機(jī)械軸心位移的全負(fù)荷溫度特性曲線。
計(jì)算繪制齒輪箱軸心位移的全負(fù)荷溫度特性曲線時(shí)，將考慮到下列因素的影響。
齒輪箱機(jī)座的熱膨脹；
齒輪箱殼體的熱膨脹；
齒輪箱軸的熱膨脹；
運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)齒輪箱機(jī)座的彈性變形；
運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)齒輪箱殼體的彈性變形；
運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)軸承間隙、齒輪嚙合力和油膜引起的軸心位置的變動(dòng)。
法蘭的端面跳動(dòng)、徑向跳動(dòng)。
原動(dòng)機(jī)、工作機(jī)械的影響。
這里所講的“找正”是一個(gè)過程，并不等于“對中”，“對中”是一個(gè)狀態(tài)。找正規(guī)范中我們規(guī)定了嚴(yán)格找正方法，按規(guī)范找正，可保證齒輪箱長壽命、安全可靠地工作。自80年簽訂許可證協(xié)議以來，我公司已設(shè)計(jì)制造多種型號的永進(jìn)-船用齒輪箱。在國防、航運(yùn)中應(yīng)用日益廣泛。
在多年實(shí)際使用中，永進(jìn)齒輪制造技術(shù)經(jīng)受了嚴(yán)格的檢驗(yàn)，也給我們提供了豐富的經(jīng)驗(yàn)。我們深信，隨著我國海軍建設(shè)、漁業(yè)、航運(yùn)事業(yè)和建材機(jī)械及電力、冶金的發(fā)展，永進(jìn)齒輪箱將在更多的部門應(yīng)用，為祖國的民族工業(yè)作出更大的貢獻(xiàn)。
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