齒輪彎曲
關注創建者：匿名 創建時間：2022-03-17
齒輪彎曲的實例教程
摘要：對現行的齒輪彎曲疲勞設計方法進行了研究，發現現行的方法如果采用按GBIT3480～1983齒輪彎曲疲勞實
驗方法，得出的數據進行齒輪的彎曲疲勞設計，只適用于齒輪單面受栽的情況。為了解決這一問題，從疲勞損傷的基本
理論出發，結合GB／T3480—1983齒輪彎曲疲勞實驗方法，推導出了求解齒輪雙面受栽彎曲疲勞應力的修正方法和相應
的計算公式，對原有的方法進行了補充。
雙面受載齒輪彎曲疲勞設計方法研究.pdf
本文基于ANSYS的二次開發語言APDL和UIDL，開發了漸開線直齒圓柱齒輪的參數化建模模塊，并對齒輪做了彎曲強度可靠性分析
ANSYS下齒輪彎曲強度可靠性分析.pdf
日本、德國在汽車高強度齒輪低碳合金鋼材料領域進行了長期的研究開發，表2為常用汽車齒輪材料的成分組成， 目前國內外汽車齒輪用鋼主要為20CrMnTi(國內)、20MnCrS(德系)、20CrMoH(日系)，表中鋼種A、B、C為高疲勞用鋼。
表 2 國內外汽車常用合金鋼齒輪材料的成分組成
1.2 齒輪失效形式及機理
汽車齒輪處于連續負荷工作的狀態，齒輪的嚙合面之間既有滾動，又有滑動，同時齒根部還受脈沖與交變彎曲應力作用。齒輪通常有4種不同破壞形式：① 輪齒折斷；② 宏觀點蝕與微觀點蝕；③ 磨損；④ 齒面膠合[8]。圖1所示為齒輪的損傷位置模型。
圖 1 齒輪損傷失效位置模型
上述齒輪的失效多數源自于齒面或齒根的表面，由此看出齒輪的表面非常重要，齒輪表面完整性是指無損傷或強化后的表面狀態及由其決定的性能，齒輪表面完整性包括表面殘余應力、顯微硬度、表面粗糙度、微觀結構等，對于齒輪表面涂層改性還需考慮厚度和結合強度等因素。無論表面化學熱處理，還是噴丸形變強化處理，均對齒輪的表面完整性的表面粗糙度、形態特征、組織結構、硬度、殘余應力等產生影響，而齒輪的表面完整性與其彎曲疲勞抗力及接觸疲勞抗力之間有密切的關系。
1.2.1 齒輪彎曲疲勞破損機理及材料研究
齒輪強度主要是齒輪的彎曲疲勞強度和齒面接觸疲勞強度。圖2為齒輪的彎曲折斷破損，主要原因是齒輪根部受到反復的集中應力作用下產生裂紋并逐步擴大致失效，彎曲疲勞裂紋從齒輪表層部的晶界氧化層產生，沿著表層下方的奧氏體晶界擴展至硬化層深處，進而引起結晶粒界破壞。
圖 2 齒輪彎曲折斷破損實例
材料表層部的晶界氧化層主要由Si、Mn、Cr等可提高淬火性能的合金元素組成，其晶界邊緣易產生局部不完全淬火領域，形成由屈氏體和貝氏體構成的不完全滲碳異常層。
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（2）齒輪的彎曲應力和接觸應力分析：齒輪是汽車發動機和傳動系中普遍采用的傳動零件。通過對齒輪齒根彎曲應力和齒面接觸應力的分析，優化齒輪結構參數，提高齒輪的承載載力和使用壽命。
（3）發動機零件的應力分析：以發動機的缸蓋為例，其工作工程中不僅受到氣缸內高壓氣體的作用，還會產生復雜的熱應力。缸蓋開裂事件時有發生。如果僅采用在開裂處局部加強的辦法加以改進，無法從根本上解決問題。有限元法提供了解決這一問題的根本途徑。
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經過校核，兩級齒輪的齒根彎曲疲勞強度和齒面接觸疲勞強度安全。
表1 減速器齒輪參數對比
而且，與標準齒對比發現，提高齒頂高系數后，齒輪的端面重合度增大，齒面接觸和齒根彎曲安全系數都得到了提高。
圖3 設計開發流程
公式中：a為軸間距；d1為小齒輪分度圓直徑；mn為法向模數；u為速比；k為載荷系數；T為轉矩；φa、φd、φm 為齒寬系數；Z1為小齒輪齒數；Z2為大齒輪齒數；YFS為復合齒形系數；σFP為齒輪許用彎曲應力；σHP為齒輪許用接觸應力；α為壓力角；β為螺旋角；σH齒輪接觸應力；σF為齒輪彎曲應力；ZE為彈性系數；ZH為節點區域系數；Zε重合度系數；YFa為齒形系數；YSa為載荷作用于齒頂時的應力修正系數
然后是變速器齒輪的校核：
1、齒輪材料的選擇原則
2、變速器齒輪彎曲強度校核
3、輪齒接觸應力校核
4、倒檔齒輪的校核
軸的和軸承的設計：
1、初選軸的直徑，這里要清楚主要是初選，因為直徑受到中心距和齒輪的齒根圓限制，要注意是否合理，是否干涉。
齒根應力 [sigF] 158.18 160.21
Permissible bending stress at root of Test-gear被測齒輪齒根允許的彎曲應力
support factor支撐系數 [YdrelT] 0.996
噴丸強化
可預防汽車零件彎曲疲勞；噴丸強化可改善齒廓根部的彎曲疲勞屬性；噴丸強化可提高曲軸的抗疲勞性能和安全使用壽命；噴丸強化可增加連桿的強度和剛度；
強力噴丸工藝
可提高齒輪齒部彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度
a）修型前
b）修型后
圖10 齒輪TE 分析
5）強度校核
考慮到細高齒設計會對齒輪齒根彎曲強度造成一定的削弱
齒輪分析依據國際標準ISO 6336：2006進行齒輪強度校核，結果各級齒輪的彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度，均小于許用應力要求。
軸承的校核在最大工況下滿足強度要求，但是在額定工況下，中間軸所用軸承不滿使用壽命需求，所以對中間軸的軸承進行選型加強，增加了軸承的外徑，重新計算后可達到了10萬公里以上的使用壽命。
影響齒根處應力集中位置，對于薄壁齒輪該值對齒輪的彎曲強度影響非常明顯。有很多人認為這個值可以不標注，但是我們強烈推薦在圖紙上進行標示，出問題查起來方便。不過齒根圓的加工控制不必嚴格，因為齒根圓由刀具和公法線決定。第一次加工正確后面加工出錯的概率很小。但是如果忽視這個值一旦出問題你和廠家責任不好確定。
跨齒數，代號k。公法線，代號wk?？琮X數和公法線其實是一個物理量。
齒輪分析依據國際標準ISO 6336：2006進行齒輪強度校核，結果各級齒輪的彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度，均小于許用應力要求。
軸承的校核在最大工況下滿足強度要求，但是在額定工況下，中間軸所用軸承不滿使用壽命需求，所以對中間軸的軸承進行選型加強，增加了軸承的外徑，重新計算后可達到了10萬公里以上的使用壽命。
