不同的材料和/或硬度作为齿轮尺寸的函数

在材料性能和/或热处理的应用方面表现不佳,可以使理论齿轮设计提供不令人满意的服务。

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有人说冶金是“黑色艺术”。实际上,它是一个非常熟练的艺术,精确和一致性要求。在这些艺术,技术和技术方面非常熟练培养冶金和摩擦学的人。适当的选择和规范的齿轮对设计的材料,再加上精确的热处理要求,以优化材料性能,如我们都知道,可以使齿轮设计令人钦佩。在材料性能和/或热处理的应用方面可以轻松地,性能不佳,可以使理论齿轮设计提供非常不令人满意的服务。

正如我们从学习中学到的,通过实施各种计算和设计技术,材料在齿轮设计中发挥积分作用,特别是通过高循环疲劳,如表面压缩应力或齿根失效。当然,有关于环境的考虑,特别是抗腐蚀,磁场干扰,食物和医疗环境。一些材料甚至用于抑制或衰减NVH问题作为其性质和/或内部结构的函数。

在选择齿轮副的材料时有许多考虑因素。众所周知,齿轮组的设计受到应用的影响,更受预期失效机制的影响;长寿命与灾难性的牙齿弯曲。冲击载荷、极端温度甚至外部振动源的存在或不存在都可能增加齿轮啮合和支撑轴承通过频率的频响谱。甚至更详细的考虑是需要选择两种不同的材料在一个齿轮副,或作为最小的,冶金性能的差异相同或相似的材料在啮合。

这是一个范围很广的话题,而宽阔的空间超出了我们这里的房间。因此,重点将集中在该主题的子集上;接触贴片内的材料不同。此外,对微观结构的深入讨论也超出了本文的范围。值得一提的是,马氏体组织的程度是衡量材料质量的主要指标之一。AGMA 2004-B892在识别必须考虑的其他微观结构方面做得很好。

磨损率中也要考虑基材的性能。作为最明显的例子,蜗杆相对于它所运行的车轮的平衡磨损是用来确定蜗杆和齿轮组的使用寿命的分析机构。一般来说,选择车轮材料是为了提供良好的滑动性能,要么提供自润滑,要么在最小程度上增强两个齿轮表面之间润滑剂中的弹性流体动力剪切层的功能。

甚至是刘易斯方程的基本形式,嵌入了材料特性,特异性表面硬度,壳体深度和微观结构的特定效果。有趣的两个因素是负载分配因子(KKH)和弹性系数(CpZE)。负载分配系数是用于描述齿轮齿表面的接触应力(施加负载)的分布的数学方法。接触界面区域(接触贴片)由在齿面内发生的局部弹性变形的量而定义,并且通过与配合齿接触的诱导应力的函数。局部弹性变形基本上是一种齿的表面的柔性与其弹性范围内的柔性的比率,作为在瞬时接触点的两个齿之间共享的界面几何形状的函数和弹性流体动力剪切的负载分配效果层。这还具有将最大副表面剪切应力定位在齿轮齿的表面下方的最大副表面剪切应力的效果。这种效果是两个因素的组合,弹性流体剪切层的厚度导致剪切应变能量(通过滑动速度引起的抗剪切在边界层润滑中剪切),以诱导齿轮齿表面的耦合或力矩,这反过来导致反应(对应耦合)达到最大应变能量的不可忽略的,可测量的距离在牙齿表面以下。这种分离最大应变能量(例如压缩和剪切)解释了为什么装载的齿局部偏转足够足以保持在材料的产量极限之下。在这种情况下,产量极限的功能定义是施加的负载,其将导致材料从其弹性范围转变为其塑料范围。

不同的材料和优化的热处理如何增强这种效果?通过使驱动齿和从动齿的表面压应力和次表面剪应力的诱导应变能相等。这是非常理论性的,实际的计算等等,超出了本文的范围,但是该过程在各种标准中都有很好的文档记录,并在许多分析工具中实现。

另一个因素或效应是弹性系数,它将诱导应变能与每个齿轮(主动齿轮和被驱动齿轮)的表面进行比,通过一个简单的加权因子来比较两种材料的杨氏模量和泊松比的差异。基于Lewis方程的AGMA发展计算材料属性(杨氏模量和泊松比)的差异的影响,以试图均匀地分配应变能在两个齿轮齿面。作为设计师,我们可以扭转使用意图,解决所需的应变能分布作为材料性能的函数,从而齿轮材料、条件、质量和热处理成为一个设计变量。我鼓励任何有兴趣探索这种效果采取一个相当标准的齿轮设计和运行通过改变材料属性(不同的材料)和热处理(基本上表面硬度)的两个齿轮之一的少量模拟。

不同材料选择和热处理规范的另一个方面是能够在高循环疲劳预测中使用这些设计变量。如前所述,作为高循环疲劳的函数的材料特性的差异或平衡受到接触贴片(2D表面)和子表面(效果深度)的应变能量的分布影响。众所周知,工作硬化是基础材料特性的函数和表面热处理的效果。对于高循环齿轮设计,设计人员可以使用材料不同作为预测局部工作硬化的手段。所有这些技术都是基于理论,尽管存在大量的经验证据来支持这些理论,尽管始终如一,尽可能始终如一,以确保您的结果是通过测试的最佳方式。 

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William Mark McVea博士,P.E.,是Kbe +,Inc。的总裁兼首席工程师,为汽车和脱气车辆开发了完整的动力动力。他是带有齿轮运动/尼克松齿轮的合资企业的主要工程师。他已经广泛发布,并在与机械动力传输相关的许多专利上持有或被列为合作者。Mark是一位许可的专业工程师,拥有B.S.在罗切斯特理工学院的机械工程中,博士学位。从普渡大学设计工程中。