齒輪傳動設(shè)計注意事項與材料的合理化選擇

齊 威，金 艷

(大連工業(yè)大學(xué)，遼寧 大連 116034)

0 引言

齒輪是機械產(chǎn)品中使用最廣泛的零件之一，是精密傳動的重要組成部件，齒輪的設(shè)計、生產(chǎn)、材料等技術(shù)在機械領(lǐng)域占據(jù)著重要的地位。在齒輪設(shè)計和生產(chǎn)過程中，常存在著結(jié)構(gòu)不合理、材料選取不當(dāng)?shù)葐栴}，導(dǎo)致齒輪傳動出現(xiàn)提早損傷，影響機械傳動系統(tǒng)的壽命。因此，針對現(xiàn)階段齒輪的設(shè)計、制造和材料選擇相關(guān)情況，提高齒輪設(shè)計過程的合理性是十分重要的。齒輪傳動設(shè)計過程中在滿足傳動比和傳動方向等要求的同時，還必須在齒輪制造工藝、材料選擇、機械性能等方面進行綜合考慮，以滿足齒輪制造低成本、使用壽命長、使用結(jié)構(gòu)最優(yōu)化的功能需求。

1 齒輪傳動的典型特征與技術(shù)特點

齒輪傳動主要是依靠齒輪副傳遞運動和動力，齒輪根據(jù)齒廓結(jié)構(gòu)的不同包括漸開線齒輪傳動、擺線齒輪傳動、圓弧齒輪傳動和拋物線齒輪傳動，齒輪傳動的共同特點是傳動比穩(wěn)定，傳動精度高，理論上講，齒輪傳動可以達到長久不變的傳動比和傳動精確度，其傳動效率可達0.94～0.99，在機械傳動中具有明顯優(yōu)勢。齒輪傳動具有穩(wěn)定的工作性能，標(biāo)準(zhǔn)工況下其使用壽命較長，但齒輪傳動不適用于長距離的動力傳遞，且不適用于沖擊載荷較大的場合使用。

2 齒輪傳動設(shè)計的注意事項

2.1 齒輪傳動的功能分類與適用條件

齒輪根據(jù)自身工作環(huán)境的要求不同可將其分為以下三類，分別為閉式傳動、半開式傳動、開式傳動。

(1)閉式傳動主要是指齒輪傳動的主要組成部件位于封閉的齒輪箱內(nèi)，齒輪箱中通常裝有潤滑性能良好的齒輪油，閉式傳動主要應(yīng)用到精密的變速箱、發(fā)動機、工程機械、農(nóng)業(yè)機械、加工機床等領(lǐng)域，具有工作穩(wěn)定性強，受環(huán)境干擾小，使用壽命長的優(yōu)點。閉式傳動的齒輪多采用滲碳淬火鋼及滲氮鋼等具有良好機械性能的合金鋼材料，以滿足表面強度、齒輪韌性和剛度的相關(guān)要求。

(2)半開式傳動多指齒輪傳動的一部分會浸泡在齒輪油中，但是傳動結(jié)構(gòu)與外部環(huán)境并未實現(xiàn)完全隔離的場合，這種場合齒輪傳動多采用簡易防護罩進行齒輪防護，僅能部分阻止雜質(zhì)進入傳動系統(tǒng)，由于系統(tǒng)的工作條件相對于閉式傳動更差，為減少雜質(zhì)進入潤滑油后產(chǎn)生過度磨損齒輪表面的問題，半開式齒輪傳動多采用鑄鋼、調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等作為齒輪制造的主要材料，或是采用普通齒輪材料應(yīng)用于粉塵或雜質(zhì)含量不高的工作場合。

(3)開式傳動多是指齒輪與齒輪之間沒有封閉或半封閉的箱體保護，也缺少有效的油液潤滑條件的工作場合，開式傳動多應(yīng)用在傳遞功率大但傳動不精確的場合，如工程機械的動力提升裝置、礦上動力機械等。開式傳動齒輪需要有良好的表面耐磨性能，以抵抗在沒有潤滑和雜質(zhì)較多的條件下的磨損問題，開式傳動的齒輪選擇主要以球墨鑄鐵、灰鑄鐵硬度高的材料為主。同時，開式齒輪傳動可傳遞的轉(zhuǎn)速較低，因此，在物料輸送等領(lǐng)域的應(yīng)用較為適宜。

2.2 齒輪設(shè)計過程的經(jīng)濟性考慮

在齒輪設(shè)計的過程中，無論是結(jié)構(gòu)設(shè)計還是材料選擇都應(yīng)充分結(jié)合生產(chǎn)成本考慮，應(yīng)做到在滿足功能需求的前提下盡可能降低材料費用和生產(chǎn)成本。例如在某些受力較小、潤滑不便的場合，可考慮利用聚四氟乙烯、尼龍等代替金屬齒輪，一方面降低材料購置成本，另一方面改善齒輪工作過程的潤滑條件。此外鑄鐵、鑄鋼等材料相對于合金材料價格更低，可考慮優(yōu)先選用，在合金選擇時，盡量減少貴重稀有金屬的使用量，以降低材料成本。同時充分考慮齒輪制造的工藝成本，批量生產(chǎn)可通過模具鑄造與機械精加工配合的方式降低總體的制造成本。

3 齒輪材料的選擇與設(shè)計

3.1 齒輪常用材料與性能特點

齒輪的材料選擇直接會影響到齒輪的機械性能，好的材料選擇能為齒輪工作提供良好的硬度、塑性、強度、韌性等方面的參數(shù)平衡，從而提升齒輪在傳動過程中參數(shù)合理性。在齒輪嚙合傳動的過程中，接觸應(yīng)力隨著齒輪輪齒不同部位的接觸會產(chǎn)生較大的變化，在傳動過程中齒輪表面的抗壓能力、表面抗磨損能力、齒根彎曲性能都是齒輪機械特性的重要影響因素，而齒輪的機械性能除與結(jié)構(gòu)直接相關(guān)外，還與金屬材料的選擇密切相關(guān)。如果齒輪的材料或熱處理方式選擇不當(dāng)，很可能因為強度不夠、抗沖擊性能不強、韌性不足等原因?qū)е慢X輪的早期磨損或損壞，從而出現(xiàn)疲勞點蝕、輪齒折斷、齒面膠合、塑性變形等齒輪損壞問題，因此，在進行齒輪設(shè)計的同時，應(yīng)根據(jù)齒輪傳動的相關(guān)要求，按照技術(shù)手冊和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范選取，表1為齒輪生產(chǎn)常用材料適用場合及相關(guān)處理方式，只有最佳的結(jié)構(gòu)設(shè)計與材料選擇的匹配，才能確保不同工作條件下的齒輪在完成傳動功能的同時還具備良好的使用穩(wěn)定性和壽命。

3.2 材料選擇對齒輪制造性能的影響

齒輪不同材料的選擇應(yīng)匹配不同的生產(chǎn)加工工藝，通常情況下，鑄鐵、鑄鋼等鑄造類的齒輪盡管生產(chǎn)成本低，但其內(nèi)部組織分配不均勻，淬透性較差，可靠性和平均強度不足，不適合進行高精度的加工，也不應(yīng)將其應(yīng)用到高速傳動場合；滲碳淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼、滲氮鋼等合金鋼具有良好的機械性能，且淬透性較良好，但其加工難度大，制造成本高，只適用于高精度或高速傳動。

4 結(jié)語

綜上所述，對于機械傳動過程中的齒輪設(shè)計，應(yīng)充分考慮結(jié)構(gòu)、材料、功能的需求，在滿足使用功能的前提下，應(yīng)盡可能地減少稀有合金和貴重材料的使用量，同時根據(jù)齒輪的使用環(huán)境做到材料和結(jié)構(gòu)的科學(xué)設(shè)計，以保證齒輪使用滿足長期、穩(wěn)定的要求，避免齒輪過度磨損和早期損壞問題的發(fā)生。