增加齿轮组功率密度

高强度,高韧性钢可以用来增加功率密度,同时解决齿轮组设计的关键部件。

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增加齿轮套的功率密度允许您开发具有现有设计,但具有更高的马力和扭矩能力或具有相同容量的耐用齿轮组,而且减少齿轮尺寸和质量。

提高功率密度可以通过解决齿轮组设计的三个关键组成部分:几何形状,表面光洁度和冶金。通过修改几何,可以避免几何因素引起的应力集中。通过磨削、珩磨或超精加工提高表面光洁度,可提高抗根部弯曲疲劳、点蚀疲劳和磨损损伤的能力。冶金策略包括使用在上个月的材料材料专栏中讨论过的干净钢,通过磨削来消除热处理过程中形成的晶间氧化,喷丸强化齿轮根以产生残余压应力,以及优化表面深度和热处理。

本材料材料专栏的重点是采用负担得起的高强度钢,以增加疲劳强度,耐磨性和抗弯过载损伤。与其他材料相比,钢的巨大优势之一是通过改变化学和热处理过程可以获得广泛的强度范围。找到比那些通常用于齿轮更强的钢并不太难。在高载荷和/或瞬态载荷下,齿轮组会发生脆性或延性过载断裂或早期疲劳失效。在所有材料中,经典的权衡是增加强度几乎总是导致降低韧性,但通过精心的设计和加工,钢可以实现显著的强度改善,并仍然显示优良的韧性性能。

为了评估疲劳强度和韧性,只需要寻找钢质性质的常用数据。可以使工程逼近能够保守疲劳强度估计为极限拉伸强度的50%。并且,最常见的评估韧性的方法是夏比V-andch抗冲韧性试验。图2显示了通过公共齿轮钢(8620,4320,4820,9310,3310)可实现的估计疲劳强度和抗冲韧性组合的范围,并将其与一些可用,专利申请,高强度,高韧性齿轮钢进行比较。在某些情况下,可以通过良好的疲劳强度提高疲劳强度的50%,并且有时甚至更好,韧性比更常见的齿轮钢更好。

值得花点时间来考虑高强度钢如何进一步推动对清洁钢的需求。AGMA冶金和材料委员会已经修订了“AGMA信息表923 -钢齿轮的冶金规范。”已经提议为传动装置增加一种4级钢,其中包括其他细节,在2017年1月的专题文章“齿轮设计相关的钢铁清洁指标”,以及2017年4月的“钢铁清洁和为什么测量重要”,2017年5月的“钢铁清洁行业标准”和2017年6月的“功率密度;为什么清洁钢材重要“材料重要文章。

图1描述了基于Murakami及其同事的广泛工作的包涵体和钢疲劳强度的关系,其中它们发现疲劳强度与垂直于主应力方向的包涵体的平方根面积有关,如等式1所述。随着钢强度的增加,齿轮受到更高的载荷,限制疲劳强度的临界缺陷尺寸下降。由于我们的行业采用更高的强度钢材来提高先进齿轮套的能力,并且具有清洁的钢材变得越来越重要。

图1:由Murakami和同事中描述的线性弹性骨折力学方法预测的疲劳极限,并评估小缺陷等含量疲劳强度的缺陷的影响。

等式1

其中ΔK.TH.是疲劳裂纹扩展所需的阈值或最小应力强度,表示与主应力垂直的夹杂物的平方根面积。

为了评估光力加权或电力吞吐量增加的潜力的大小,需要评估传统与高强度,高韧性齿轮钢的齿轮组设计的效果。技术资源“ANSI / AGMA 2001-D04,基本评级因子和渐开齿齿轮齿的计算方法”提供了一种制造这种估计所需的框架和所需的方程。在该AGMA资源的表4中,3级齿轮的允许弯曲应力在75 ksi上列出。该值也显示为图1中的Agma极限。高度强度,高韧性钢的允许极限也如110 ksi所示。在每种情况下,对于传统和高强度,高韧性齿轮钢,实际的疲劳能力可能会衡量高于这些保守界限,并且还将进一步依赖于所选择的钢级和热处理过程。为了说明,选择75 kSi和110 kSi的弯曲应力疲劳限制以进一步计算。(图2)

图2:区域图显示了典型(8620,3310,4820,4620,9310)齿轮钢(灰色阴影)和经济适用、专利申请中、高强度、高韧性齿轮钢(蓝色阴影)的疲劳强度和夏比冲击能(韧性)组合的范围。垂直线表示用于比较下面这两种合金类型的疲劳强度。

构思了一般小齿轮和齿轮组,并且该齿轮组的计算是在电子表格中建造的,以评估潜在的益处的程度。

图3和图4显示了这些计算的结果。

图3:假设疲劳强度从75 KSI增加到110 KSI,导致齿轮组马力能力增加45%。根据AGMA 2001-D04技术资源计算的弯曲疲劳强度的相对马力容量(百分比)的函数。
图4:假设疲劳强度的增加从75到110 ksi导致齿轮组质量减少30%。相对齿轮集质量(作为百分比)作为根据AGMA 2001-D04技术资源计算的弯曲疲劳强度的函数。

从常用的齿轮钢到高强度,高韧性的齿轮钢的转换可以导致45%的马力增加的吞吐量主动性或30%的重量减少轻重量的主动性。当你需要设计你的齿轮组超越典型的齿轮性能期望,高强度,高韧性的齿轮钢可以帮助你。齿轮设计师和材料设计师之间的合作将继续推动我们行业的改进。

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E. Buddy Damm.
Timkensteel Corporation的Steel Solutions科学家负责为Timkensteel客户开发新的或改进的产品,并为Timkensteel的制造业务开发新的或改进的流程。他对理解和解决客户需求的热衷,以便构建Timkensteel解决方案。他在20年的任期中,他曾担任研发工程师,失败分析师和工程经理。他拥有综合计算材料工程(ICME),热力学和微观结构演化动力学,热机械加工,疲劳和骨折力学和故障分析中的专业知识。他曾在钢铁社会委员会曾在冶金和与产品相关的专业社团中活跃,如Agma,锻造行业协会(FIA),以及矿物质,金属和材料协会(TMS)。达摩人拥有密歇根省理工大学冶金工程学士学位,以及来自科罗拉多省矿山物质科学与工程的硕士学位和博士学位。他可以到达e.buddy.damm@timkensteel.com.