關于硬齒面齒輪的結構優化設計探討

朱文光 朱金強

摘要：隨著現代科技的不斷進步，齒輪傳動形式已經廣泛應用于各個領域，通過實踐證明，硬齒面齒輪的結構型式具有一定的優缺點，而且目前的多個應用領域需要更多型式的齒輪結構。本文通過對硬齒面齒輪結構型式進行討論，提出更加合理的結構設計方法，同時對硬齒面齒輪的材質與表面處理等工藝進行簡單介紹。

關鍵詞：硬齒面；齒輪；結構；設計；優化；熱處理

1.引言

齒輪傳動是一種常見的傳動形式，已經在機械工程中得到了廣泛應用。作為其中的關鍵部件，齒輪起到了基礎作用，它的材質、機械性能決定著使用效率與壽命。齒輪傳動具有其他傳動形式所不具備的優點，結構尺寸相對較小，適用范圍更廣。目前齒輪在加工制作過程中多采用齒面碳淬火、氮化處理的方式來提高硬度與結構強度，而不是在之前使用的調質熱處理方式。隨著機械工程的應力強度不斷加大，硬齒面齒輪的需求量更大。

2.硬齒面齒輪概念

硬齒面齒輪概念相對于軟齒面而言，具有較好的機械性能，壽命更長，適用范圍更廣。隨著機械學的不斷發展，硬齒面齒輪的設計制造技術開始在設計領域與加工領域更加廣泛，通過一定的熱處理方式與材質使用不斷提高齒輪的齒面硬度，不斷降低齒輪的使用尺寸。[1]從經濟角度上來講，硬齒面齒輪的價格相對于軟齒面齒輪降低了20%左右，安全系數保持不變或提高10%，具有良好的經濟效益。

3.硬齒面齒輪結構型式

目前市場上出現的硬齒輪主要有幾種類型，分別為鍛造齒輪、鑲圈組合式齒輪與焊接齒輪三種主要的形式。整體鍛造齒輪發展較早，但它的應用范圍相對窄一些，尺寸較大，適用在一些機械性能要求不高的場合，而且它的設計成本與制造成本并不低。目前較良好的結構型式為焊接、鑲圈組合結構。焊接硬面齒輪主要由三部分組成，齒圈是其中的重要部分，多是采用滲碳合金鋼，而其他的幅板與輪轂分別采用調質鋼與高質量的碳素鋼形式。焊接硬齒面齒輪的重量相對鍛造齒輪更輕，需要的支承結構更簡潔，同時它的制造成本與設計成本都有所降低，得到了更多機械工程企業的認可。[2]但焊接硬齒面齒輪在大部分生產加工過程中，卻體現出了一些不足，主要在焊接工藝與熱處理方面存在著一些不足，從而導致齒輪在加工后發生一些變形問題，無法更進一步加工處理，從而對整體的齒輪結構造成了嚴重影響，通過應力不均，導致使用壽命大大降低，甚至直接不能使用。

鑲圈組合齒輪主要有兩部分組成，外齒圈多采用滲碳合金鋼的材質，輪心材料主要由鑄鐵、鑄鋼與碳鋼組成，二者通過盈聯結式結構進行組合，結構更加緊湊，成本也更加降低。同時鑲圈組合齒輪也有其特定的缺點，它的結構相對緊湊，造成了密度大，重量更大，在運輸過程中與安裝過程中需要特定的設備輔助，從而增加難度，在其他機械結構承載負荷不夠的場合中，使用效率大大降低。[3]

針對以上兩種主種主要的硬齒面齒輪結構型式，需要對焊接鑲圈式結構進行更一步優化，才能把二者的優點進行集合，同時避免出現各自體現出的缺點與不足。優化后的硬齒面齒輪結構形式中，外層主要是外齒圈，輪轂體由過盈聯接、銷與螺栓進行組合聯接，它的制造成本更低，能夠適合更加廣泛的運輸方式，安裝非常容易。

4.硬齒面齒輪結構優化設計

通過對硬齒面齒輪的結構型式進行優化，大大提高了應用性能與使用壽命，能夠在多個場合進行應用。某企業所需要的減速機中，需要的大齒輪通過此種焊接鑲圈結構設計方法，應用效果十分良好。由于采用一級斜齒輪傳動形式，在傳動功率為3000KW的前提下，大齒輪的總重量設計為16噸，減速機構總體重量達到56噸。在新形式的焊接鑲圈結構硬齒面齒輪結構中，齒輪外徑為3077mm，嚙合直徑為2670mm，鑲圈的內孔直徑為580mm。[4]

在本案例中，齒輪的外齒圈主要為優質的合金滲碳鋼，接觸疲勞極限應力為1550MPa，它的熱處理工藝為滲碳淬火回火與磨齒工藝，通過處理，齒面的硬度可以達到HRC60。硬齒面齒輪的輪轂結構體系主要由輪轂與鋼板焊接而成，輪轂材質為調質合金鋼，鋼板的材料為炭素鋼，通過二者的焊接形成良好的聯接效果。齒輪的外齒圈與輪轂體由過盈聯結進行組合。在安裝時，對外齒圈進行加熱處理，從而套在輪轂體上，人工對輪轂體與齒圈的結合面進行打銷處理，安裝螺栓，切掉冗余的螺紋，最后進行點焊處理，增加防松性。[5]

5.合理選擇中硬齒面齒輪用鋼的材料及相關熱處理工藝

要達到較高的機械性能，齒輪需要不斷提高硬度與強度，合金元素如Cr、Mo、等都可以形成彌散碳化物，有效增強彌散強化效果，不但會提高齒輪的強度，同時也會增強塑性與韌性。[6]尤其是一些大型零件，為了避免在回火冷卻慢后出現的高溫回火脆性，需要選擇Mo鋼，它的淬透性較好。在調質處理時，不可一味對硬度進行關注，還需要對淬火與回火的溫度參數進行關注，才能保持強度與韌性雙重效果。淬火的淬硬性決定著齒輪的最終使用綜合性能。在齒輪進行設計計算時，如果需要的彎曲應力大，就說明要求硬度高一些，此時便需要淬透性高的齒輪材料，成本相對會高一些，但使用效果可以得到最大保證。[7]

6.結語

隨著現代工業的發展，越來越多的企業競爭壓力不斷增大，這就需要在確保加工質量的同時，降低加工成本。采用硬齒面齒輪的優化結構型式，可以有效達到雙重效果，在確保機械性能的基礎上不斷降低加工制造成本，更加適合現代企業的需要。目前焊接鑲圈式硬齒面齒輪已經開始應用于冶金、礦山等大型項目，并且取得了良好的效果。

參考文獻：

[1]李海翔.漸開弧面齒輪傳動的基本理論及試驗研究[D].重慶大學，2012.

[2]李大慶.直齒面齒輪嚙合性能預控及碟形砂輪磨齒關鍵技術研究[D].江蘇大學，2013.

[3]呂明，梁國星.硬齒面齒輪加工技術進展及展望[J].太原理工大學學報，2012，03：237-242.

[4]任小中.內齒輪成形磨削工藝與裝備技術研究[D].江蘇大學，2011.

[5]劉明輝.加工硬齒面齒輪的滾齒機結構有限元優化[J].煤礦機械，2004，11：15-17.

[6]肖龍，胡世超，苗志毅.硬齒面齒輪的疲勞失效及解決方法[J].水利電力機械，2007，10：99-100.

[7]張斌.硬齒面滾剃齒加工振動分析及計算機仿真[D].蘭州理工大學，2008.