CN113819214A

CN113819214A - 一种高性能齿形梯度组分齿轮

Info

Publication number: CN113819214A
Application number: CN202111074284.5A
Authority: CN
Inventors: 李凤仙; 刘江龙; 易健宏; 刘意春; 李才巨; 方东; 鲍瑞; 陶静梅
Original assignee: Kunming University of Science and Technology
Current assignee: Kunming University of Science and Technology
Priority date: 2021-09-14
Filing date: 2021-09-14
Publication date: 2021-12-21

Abstract

本发明公开一种高性能齿形梯度组分齿轮，包括齿轮基体，所述齿轮基体包括齿轮主盘，齿轮主盘的外侧设置有多个齿形梯度卡齿，所述卡齿上设置有不同功能梯度材料，所述梯度材料包括位于不同受力的工作层；所述工作层主要分为三个部分，由外到内依次是：高硬耐磨层、高韧耐拉层、齿芯耐剪层，所述工作区各区铬的组分含量依次递减，所述工作区各区控制单一组分变量；本发明所述齿轮通过设置三种不同工作层，在两个卡齿啮合产生接触碰撞时，可起到不同作用，可解决齿轮啮合工作过程中存在的畸变、处接触应力增加、齿轮渐开线处齿芯韧性低、齿根处弯曲应力增加、齿轮的寿命降低等问题。

Description

一种高性能齿形梯度组分齿轮

技术领域

本发明涉及一种高性能齿形梯度组分齿轮，属于梯度组分齿轮技术领域。

背景技术

齿轮作为在机械生产，日常生活使用最广泛的零部件，受生产中的影响，齿轮的失效也是频繁出现，在齿轮工作严重可导致一系列机械设施永久性瘫痪，提高生产成本，增加事故发生，降低工作效率等因素。齿轮渗碳，渗氮技术：为提高齿轮的耐磨性，分析当今齿轮的技术发展及功效是十分重要的。对其技术原理作用，所能达到的工作效果，工作中的效率需要进一步分析。受常用涂层技术，可对齿轮表面进行渗碳，渗氮等处理，对于渗碳技术，越深的处理，对应着越多的渗透时间，能量使用率降低。而处理的位置仅为齿轮的基体表面，处理后的齿轮，部分技术仍需长时间的天然时效，现有技术很难对其齿牙芯部做进一步相应处理。因而受表面处理启发，发展出普通梯度齿轮，因其不同区域对应不同受力，给出不同梯度材料，其效果也是十分可观的。

普通梯度齿轮，梯形齿轮一般为二维梯度，其表面结构不一，接触受力不均，传动不稳，耐磨性因不同区域有着不同的材料，很难计算分析出使用寿命影响生产作业，梯形材料界面接触不牢固等缺点。而齿轮的传动等功能在机械工作中起着十分关键的作用，由此针对以上研究发现普通梯度齿轮在现有技术上有着很大的进步空间。

研究发现分析齿轮受力深度是十分必要的，,加大对高性能齿形结构齿轮及其组分的梯度齿轮的，研究其深度再赋予不同材料，对现有的齿轮材料进行相关选择和比较,并对设计存在的缺陷进行优化,故而提出一种高性能齿形梯度齿轮来解决上述所提出的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高性能齿形梯度组分齿轮，所述齿轮主盘的外侧设置有多个齿形梯度卡齿，所述卡齿上设置有不同功能梯度材料，所述梯度材料包括位于不同受力的工作层；

所述工作层主要分为三个部分，由外到内依次是：高硬耐磨层、高韧耐拉层、齿芯耐剪层，所述工作区各区铬的组分含量依次递减，所述工作区各区控制单一组分变量；

分度圆上齿面到中轴线的距离为L，分度圆上高硬耐磨层、高韧耐拉层、齿芯耐剪层三个工作层的厚度比为4:3:3。

优选的，本发明所述齿轮由Cr-Mn-Mo系列合金结构钢制备得到，高硬耐磨层中Cr粉质量百分比为1-1.5%，高韧耐拉层中Cr粉质量百分比为0.5-1%，齿芯耐剪层中Cr粉质量百分比为0.1-0.5%。

优选的，本发明高硬耐磨层区域的原料及其质量百分比为：取Cr粉1.0-1.5%，C粉0.17-0.23%，Si粉0.17-1.37%，Mn粉0.9-1.2%，P粉≤0.035%，S粉≤0.035%，Mo粉0.1-0.3%，Ni粉≤0.03%，Cu粉≤0.03%。

优选的，本发明所述高韧耐拉层区域的原料及其质量百分比为：取Cr粉0.5-1.0%，C粉0.17-0.23%，Si粉0.17-1.37%，Mn粉0.9-1.2%，P粉≤0.035%，S粉≤0.035%，Mo粉0.1-0.3%，Ni粉≤0.03%，Cu粉≤0.03%。

优选的，本发明所述齿芯耐剪层区域的原料及其质量百分比为：取Cr粉0.1-0.5%，C粉0.17-0.23%，Si粉0.17-1.37%，Mn粉0.9-1.2%，P粉≤0.035%，S粉≤0.035%，Mo粉0.1-0.3%，Ni粉≤0.03%，Cu粉≤0.03%，余量为铁。

本发明所述三部分工作层，各对应不同受力包括弯曲应力、接触应力、拉力、压力，其中压力、接触应力对应卡齿强度高的高硬耐磨层；弯曲应力、拉力对应卡齿的高韧耐拉工作层；齿芯耐剪层起齿轮轴缓和过度作用，起传动稳定作用。

本发明所述高硬度耐磨层主要用于工作接触层，高硬度耐磨工作层其材料梯度用较高硬度的材料构成；高硬耐磨层与高韧耐拉层相连，所述高韧耐拉层主要用于克服轮齿啮合过程中拉力，高韧耐拉工作层其材料梯度由较高韧性材料构成；高韧耐拉层与齿芯耐剪层相连，所诉齿芯耐剪层主要用于克服齿轮轴转动剪切力，齿芯耐剪工作层其材料梯度由耐剪材料构成。

本发明的工作原理是：将齿轮梯度划分后依据梯度层域工况赋予不同元素含量进而使齿轮在实际应用过程中其运行具备耐磨性高，硬度高，韧性好，易于计算使用寿命，不易胶合，不易开裂，不易折断，不易产生裂纹等特点，使其更加实用。

本发明的有益效果：

（1）本发明所述高性能齿形梯度齿轮，通过设置三种不同工作层，在两个卡齿啮合产生接触碰撞时，可起到不同作用，可解决齿轮啮合工作过程中存在的畸变、处接触应力增加、齿轮渐开线处齿芯韧性低、齿根处弯曲应力增加、齿轮的寿命降低等问题。

（2）本发明所述高性能齿形梯度齿轮，通过三种不同的材料，使齿轮硬度高，耐磨性高，韧性好，易于计算使用寿命，不易胶合，不易开裂，不易折断，不易产生裂纹，可以在一定工作避免界面开裂或者弯曲变形等界面不匹配等问题；在实际应用过程中其运行具备安全性能优异，齿轮稳定性优异等特点，使其更加实用。

综上所述，本发明所述齿轮沿齿廓最外层表面材料单一稳定，易计算使用寿命，选用耐磨性高，硬度大的材料，使其不易胶合，齿面不易开裂；而外层用高硬度合金可减少后处理自然时效时间。克服普通齿轮齿芯难以进行进一步处理的技术弊病，选用韧性好的材质进行生产制造，从根本上解决问题，使齿轮有着质的提升。解决了现有齿轮一般材料的成分单一，梯度齿轮其梯度组分界面接触不良，齿形梯度针对啮合受力工况采用最合理的材料分布。

附图说明

图1为本发明齿牙二维图；

图2为本发明齿轮二维图；

图3为本发明齿轮有限元Mises路径方向图；

图4为本发明齿轮有限元PEEQ路径方向图；

图5为本发明Mises路径受力图；

图6为本发明齿轮有限元PEEQ路径受力图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。

实施例1

一种分层齿形梯度组分齿轮，包括齿轮主盘和多个卡齿，所述齿轮主盘的外侧设置有多个齿形梯度卡齿，所述卡齿上设置有不同功能梯度材料，所述梯度材料包括位于不同受力的工作层；所述工作层主要分为三个部分，由外到内依次是：高硬耐磨层、高韧耐拉层、齿芯耐剪层，所述工作区各区铬的组分含量依次递减，所述工作区各区控制单一组分变量。

分度圆上齿面到中轴线的距离为L，分度圆上所述高硬耐磨层的厚度为0.4L，高韧耐拉层的厚度为0.3L，齿芯耐剪层的厚度为0.3L。

所述高硬耐磨层区域原料及其质量百分比为，取Cr粉1.0%，C粉0.17%，Si粉0.17%，Mn粉0.9%，P粉≤0.035%，S粉≤0.035%，Mo粉0.1%，Ni粉≤0.03%，Cu粉≤0.03%，余量为铁。

所述高韧耐拉层区域原料及其质量百分比为，取Cr粉0.5%，C粉0.17%，Si粉0.17%，Mn粉0.9%，P粉≤0.035%，S粉≤0.035%，Mo粉0.1%，Ni粉≤0.03%，Cu粉≤0.03%，余量为铁。

所述齿芯耐剪层区域原料及其质量百分比为，取Cr粉0.1%，C粉0.17%，Si粉0.17%，Mn粉0.9%，P粉≤0.035%，S粉≤0.035%，Mo粉0.1%，Ni粉≤0.03%，Cu粉≤0.03%，余量为铁。

实施例2

一种分层齿形梯度组分齿轮，包括齿轮主盘和多个卡齿，所述齿轮主盘的外侧设置有多个齿形梯度卡齿，所述卡齿上设置有不同功能梯度材料，所述梯度材料包括位于不同受力的工作层。所述工作层主要分为三个部分，由外到内依次是：高硬耐磨层、高韧耐拉层、齿芯耐剪层，所述工作区各区铬的组分含量依次递减，所述工作区各区控制单一组分变量。

所述高硬耐磨层区域原料及其质量百分比为，取Cr粉1.5%，C粉0.23%，Si粉1.37%，Mn粉1.2%，P粉≤0.035%，S粉≤0.035%，Mo粉0.3%，Ni粉≤0.03%，Cu粉≤0.03%，余量为铁。

所述高韧耐拉层区域原料及其质量百分比为，取Cr粉1%，C粉0.23%，Si粉1.37%，Mn粉1.2%，P粉≤0.035%，S粉≤0.035%，Mo粉0.3%，Ni粉≤0.03%，Cu粉≤0.03%，余量为铁。

所述齿芯耐剪层区域原料及其质量百分比为，取Cr粉0.5%，C粉0.23%，Si粉1.37%，Mn粉1.2%，P粉≤0.035%，S粉≤0.035%，Mo粉0.3%，Ni粉≤0.03%，Cu粉≤0.03%，余量为铁。

实验分析：

所述轮齿受力发生弹性变形是齿轮产生啮合冲击的主要原因；而传动系统受力发生弯曲和扭转变形是齿轮产生载荷集中的主要原因。

轮齿单个工作周期受力行为如下：轮齿受力将发生变形，受力变形情况应在有限元软件中模拟：当轮齿在进入啮合和脱离啮合区时，由于轮齿接触和受力变形引起角速度的脉动变化而产生啮合冲击使从动轮转动，轮齿在啮合点的变形受轮齿的最大等效应力，轮齿齿根在啮合时的变形受轮齿的最大等效塑性应力影响。

进一步地，开展了简单梯度齿轮性能与齿形梯度齿轮后性能的对比分析；然后，建立了简单梯度圆柱渐开线齿轮模型与功能齿形梯度材料圆柱渐开线齿轮模型，对其进行了弯曲应力有限元计算，并对其性能进行了对比分析；将简单梯度齿轮作为基础，建立了简单梯齿轮的性能与齿形梯度材料齿轮性能之间的关系。齿形梯度材料不仅在轮齿表面硬度与齿根弯曲应力方面比简单梯度齿轮有更好的性能，而且能避免齿轮工作过程中产生的畸变等缺陷。分析结果表明：结合图3和图5可知：从渐开线齿廓由浅入深直到到齿牙芯部，齿牙最大受力点到齿芯Mises呈线性降低；结合图4和图6可知：从渐开线齿廓由浅入深直到到齿牙芯部，齿牙最大受力点到齿芯PEEQ呈线性降低，由此将齿形梯度材料应用到齿轮上是最优梯度齿轮的。

本实施例齿轮基体主要由铁基梯度齿形结构制备，轮齿和齿槽外表面采用高硬度耐磨材料，外表面高硬耐磨层与高韧耐拉层紧密结合，可实现高的表层硬度和芯/壳层韧性结合强度，可以达到耐磨性高，硬度高，韧性好，易于计算使用寿命，不易胶合，不易开裂，不易折断，不易产生裂纹，界面接触不易脱离等特点。

综上所述，用本发明上述实施例提供的耐磨组合物制作的耐磨性高，硬度高，韧性好，易于计算使用寿命，不易胶合，不易开裂，不易折断，不易产生裂纹，界面接触不易脱离。对于高速齿轮裂纹一旦露头于齿面，润滑油将很快渗入裂纹面并在齿轮基体的啮合作用下形成高压油腔，加快裂纹的扩展与剥落。本发明因其高硬耐磨层包裹住整个齿轮可有效避免的齿轮开裂情况。

Claims

1.一种高性能齿形梯度组分齿轮，其特征在于：齿轮主盘的外侧设置有多个齿形梯度卡齿，所述卡齿上设置有不同功能梯度材料，所述梯度材料包括位于不同受力的工作层；

2.根据权利要求1所述高性能齿形梯度组分齿轮，其特征在于：所述齿轮由Cr-Mn-Mo系列合金结构钢制备得到，高硬耐磨层中Cr粉质量百分比为1-1.5%，高韧耐拉层中Cr粉质量百分比为0.5-1%，齿芯耐剪层中Cr粉质量百分比为0.1-0.5%。

3.根据权利要求2所述高性能齿形梯度组分齿轮，其特征在于：所述高硬耐磨层区域的原料及其质量百分比为：取Cr粉1.0-1.5%，C粉0.17-0.23%，Si粉0.17-1.37%，Mn粉0.9-1.2%，P粉≤0.035%，S粉≤0.035%，Mo粉0.1-0.3%，Ni粉≤0.03%，Cu粉≤0.03%。

4.根据权利要求2所述高性能齿形梯度组分齿轮，其特征在于：所述高韧耐拉层区域的原料及其质量百分比为：取Cr粉0.5-1.0%，C粉0.17-0.23%，Si粉0.17-1.37%，Mn粉0.9-1.2%，P粉≤0.035%，S粉≤0.035%，Mo粉0.1-0.3%，Ni粉≤0.03%，Cu粉≤0.03%。

5.根据权利要求2所述高性能齿形梯度组分齿轮，其特征在于：所述齿芯耐剪层区域的原料及其质量百分比为：取Cr粉0.1-0.5%，C粉0.17-0.23%，Si粉0.17-1.37%，Mn粉0.9-1.2%，P粉≤0.035%，S粉≤0.035%，Mo粉0.1-0.3%，Ni粉≤0.03%，Cu粉≤0.03%，余量为铁。