考虑涂层厚度的齿轮齿厚偏差设计

考虑涂层厚度的齿轮齿厚偏差设计
王丽萍;崔艳梅;王伟鹏
【摘要】耐磨涂层对于齿面强化,延长齿轮的使用寿命和发展新型齿轮加工技术具有重要的意义,涂层技术已成为国内外研究高性能齿轮的热点.但耐磨涂层的应用增加了轮齿齿厚,减小了齿轮副的传动侧隙,如果涂层齿轮未作预先修形处理,啮合时会产生干涉现象.为降低涂层对齿轮啮合性能的不利影响,在考虑齿轮涂层厚度的前提下对齿厚偏差的选择进行了分析计算,通过齿厚偏差来补偿涂层厚度引起的齿轮副传动侧隙的变化,这对保证涂层齿轮传动的平稳性,完善涂层技术在齿轮上的应用具有指导意义.%Coating can intensify the surface of gears, prolong its life, and develop new machining techniques. Coating technology has been the focus of research on high performance gears at home and abroad. However, the coating adds the tooth thickness, reduces the backlash of gear. There will be interference problem if the coated gears are not modificated in advance. To reduce the adverse effects of coating on gear meshing, the influence of coating on the backlash was analyzed, and the deviation of teeth width was calculated. The results showed that the change of backlash by coating can be compensated by deviation of teeth width. The research has improved guidance to ensure the steady transmission of coated gear and develop coating technologies on gears.【期刊名称】《机械设计与制造》
【年(卷),期】2013(000)002
【总页数】3页(P245-247)
【关键词】耐磨涂层;侧隙;齿厚偏差;啮合性能
【作者】王丽萍;崔艳梅;王伟鹏
【作者单位】郑州航空工业管理学院机电工程学院,河南郑州450015;郑州航空工
业管理学院机电工程学院,河南郑州450015;河南大学物理与电子学院,河南开封475000
【正文语种】中文
【中图分类】TH16
1 引言
先进涂层材料把金属材料的特点和涂层材料的特点有机的结合了起来，具有金属的强度和韧性和涂层高耐磨性、耐高温、耐腐蚀等优点，近年来在工程技术领域受到了广泛的重视和应用。

在齿轮表面镀覆耐磨涂层，以期大幅度提高其表面性能，满足极端苛刻条件和环境友好的传动要求，更是一极具发展潜力的研究领域。

近年来，国内外对此进行了大量的研究。

国内一些学者在接触疲劳使用机上进行了模拟实验研究，结果发现，在45 钢表面涂覆Ni－P 薄膜可提高齿轮的接触疲劳寿命
（1.139～1.157）倍，接触疲劳强度提高15.2%[1]。

某大学一些科研人员进行了离子渗氮与多弧离子镀复合处理的研究，采用正交试验法，运用多弧离子镀，在
32Cr2MoV 钢渗氨基体上镀覆TiN 陶瓷，运用离子渗氮和多弧离子镀复合处理，并通过优化工艺参数，获得了在齿轮上制备高性能的TiN 陶瓷的可行性，但没有
在齿轮实验机上进行实验研究[2]。

某大学钱文富研究了利用多弧离子镀技术和磁
过滤弧源沉积技术在齿轮表面沉积薄膜，以提高齿轮的表面性能。

在由20CrMo
制造的渗碳直齿圆柱齿轮表面分别制备TiN 陶瓷膜以及C：N 超硬膜，并在齿轮
传动实验台上进行了实验，结果表明齿轮表面涂覆C：N 薄膜对减少齿面摩擦、提高耐磨性效果明显[3]。

某大学的一些科研人员通过理论和试验研究探讨在齿轮表面制备TiN 陶瓷涂层的工艺及其对齿轮承载能力的作用[4]，结果表明：TiN 涂层对于齿轮表面承载能力的有利作用主要取决于涂层高的硬度等力学性能。

TiN 涂层提高了齿面的接触疲劳强度，改善了齿面耐磨性和抗划擦性能。

美国宇航局研究中心的一些科研人员对涂层提高齿轮疲劳寿命进行了研究，通过试验得出，涂层齿轮和未涂层齿轮相比，寿命提高了6 倍；国外某大学科学技术研究院的科研人员研究了在滚动滑动接触条件下类金刚石涂层的厚度对摩擦性能的影响，通过试验得出了涂层的耐磨性随着厚度的增加而增加，在真空条件下，具有10μm 厚度涂层的辊子和齿轮副具有相同的摩擦性能，预先渗碳处理增强了类金刚石涂层的寿命[5]。

纵观国内外对齿轮涂层的研究发现，大多为涂层提高齿轮耐磨性的研究，而对于涂层对齿轮啮合性能的影响却鲜有报道，实际上，如果涂层齿轮未作预先修形处理，啮合时会产生干涉现象，这是因为齿轮涂层增加了轮齿齿厚，减小了齿轮副传动侧隙。

而齿轮副的侧隙对齿轮传动性能有直接的影响，为了保证齿轮的正常传动，在齿轮的非工作齿面间需要具有最小保证侧隙，即最小极限侧隙。

最小极限侧隙是保证齿轮正常润滑，补偿负载及发热变形，补偿齿轮和齿轮传动装置零件的制造和安装误差，以及消除由动力引起非工作齿面的撞击所必需的，否则齿轮传动会出现烧伤或卡死现象，严重影响齿轮使用寿命，甚至产生传动失效[6－7]。

若要获得有侧隙传动，可以加大中心距或减薄轮齿齿厚。

从渐开线齿轮传动的可分特性知道，增大中心距仍能保证齿轮传动比不变，并能获得所要求的传动侧隙，但在生产中，通常采用固定中心距，减薄轮齿齿厚的方式来获得传动侧隙，这样做，既便于实施，又便于加工。

但齿轮涂层增加了轮齿齿厚，在考虑涂层厚度的情况下如何进行齿厚偏差设计也是制备涂层齿轮应该考虑的问题。

2 涂层厚度的确定
TiN 具有高硬度、低摩擦系数、耐腐蚀等优点，但是脆性大，难以获得较厚的涂层，如果有硬度高、强度高的基体对材料予以支持，更能发挥其高硬度耐磨耐腐蚀等特点。

因此TiN 涂层材料一般用于硬质合金及高速钢表面，但是齿轮材料比陶瓷材
料软，基体材料与涂层材料性质悬殊非常大，这使得涂层和基体结合不牢，在使用中容易发生陶瓷涂层的脱落，不但不能发挥陶瓷涂层的作用，而且脱落的陶瓷涂层颗粒会形成磨粒磨损，增加磨损量[8]。

国外已有一些齿轮表面TiN 涂层技术成功
应用的报道，但是尚未公开其关键技术。

通常情况，为了使涂层在一定的磨损速度之下能够有更长的使用寿命，希望涂层厚度越大越好，但涂层厚度过大也有很多不利因素。

涂层厚度与涂层内应力紧密联系，如果涂层厚度值过大，涂层与基体的界面在外载荷作用之下会产生较大的界面应力，而涂层的应力是影响涂层结合强度的重要因素。

无论是拉应力作用，还是压应力作用，都会在界面间产生剪应力。

而当剪应力大到高于涂层与基体界面间的附着力时，涂层就会开裂、翘曲或脱落。

文献[9]用有限元方法对单层涂层体系的研究表明，涂层厚度是影响涂层体系力学
性能的一个重要参数。

为了改善陶瓷与基体之间结合力，确定合适的涂层厚度显得尤为重要。

从图1 可以看出，涂层界面剪应力随着涂层厚度的增加而增加，在此
确定TiN涂层的厚度为4μm。

图1 不同厚度TiN 涂层界面剪应力Fig.1 The Interfacial Shear Stress of TiN Coating
3 实例计算
以一对齿轮传动为例：模数m=3mm，压力角α=25°，齿数Z1=18，Z2=51；
大齿轮宽度和小齿轮宽度B=30mm，圆周速度V=70m/s，精度等级为6－5－5，齿轮材料为12CrNi4A，线胀系数α1=11.8×10－6，箱体为铸铁，线胀系数
α2=10.5×10－6，齿轮与箱体工作温度分别为t1=80℃，t2=40℃。

齿轮涂层为TiN，厚度为，以此参数，来计算齿厚的上下偏差。

3.1 热变形需要的补偿侧隙jn1
在齿轮传动工作中，有一部分的功率损耗将转化为热量，从而使齿轮与齿轮箱温度升高。

由于齿轮和箱体的结构和材料线胀系数的不同，会使工作侧隙减小或增大，为了保证齿轮正常传动，务必要有考虑热变形的侧隙jn1。

根据参考文献[6]，热变形需要的补偿侧隙：
式中：a—齿轮副的中心距（以mm 计）；α1，α2—齿轮和箱体材料的线胀系数；△t1，△t2—齿轮和箱体与标准温度的温差。

把参数代入公式（1），计算得jn1=44μm。

3.2 保证正常润滑需要的侧隙jn2
为了保证齿轮工作齿面间产生油膜，齿轮传动需要有正常润滑。

保证正常润滑所需要的传动侧隙值jn2，决定于润滑方式和齿轮圆周速度。

润滑所需要的侧隙jn2可按经验公式进行计算。

式中：k1—油膜系数；m—齿轮法向模数。

特殊高速传动：V＞10m/s，k1=30～50
取k1=30，把参数代入，计算得：jn2=90μm
对一般机械传动的齿轮副，忽略轴承径向游隙对侧隙的影响，忽略弹性变形对侧隙的影响，所以最小极限侧隙为：
3.3 考虑涂层齿厚
由于涂层很薄，热变形可以忽略不计，则公式（3）修正为：
3.4 安装侧隙的计算
安装侧隙不仅考虑工作条件的变动，如温升，润滑，弹性变形等所需要的最小侧隙jnmin，而且要补偿由于齿轮误差和安装误差以及中心距偏差为负值时所引起侧隙的减小，所以齿轮副的安装侧隙jn为：
根据参考文献[6]，式中：jn1—补偿齿轮加工误差和安装误差所引起侧隙的减小值；jn2—中心距偏差为负值时，使最小极限侧隙的减小值，它们的值分别为：
查JB179－83 表7fPb=5μm
查JB179－83 表9Fβ=7μm
查JB179－83 表11fa=－17.5
根据参考文献[6]，齿厚下偏差：
齿厚下偏差：
查参考文献[6]中表4－10br=1T8
4 总结
涂层技术已成为国内外研究高性能齿轮的热点。

由涂层厚度引起的齿轮传动副侧隙的变化，可通过齿厚偏差来补偿。

这对保证齿轮传动的平稳性，拓展涂层技术在齿轮上的应用具有指导意义。

参考文献
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计与制造，2005，6（6）：19－21.（Ding Ru，Liu Jing－kai.The measuring method of gauge pin distance and backlash design about center gear of swing oscillating tooth drive［J］.Machinery Design＆Manufacture，2005，6（6）：19－21.）
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［9］Komvopoulos K.Finite analysis of a layered elastic solid in normal contact with a rigid surface［J］.Journal of tribology，1988（110）：477－485.
【相关文献】
查JB179－83 表A51T8=46μm
则br=46μm
查JB179－83 表3Fr=36μm
所以
于是可得Esi=－（75+54）=－129μm
查JB179－83 表6fpt=6μn
计算比值Ess/fpt=－75/6=13
查JB179－83 表12，选齿厚上偏差代号L，则齿厚上偏差为Ess=－16fpt=－96μm
计算比值Esi/fpt=－129/6=－22
选齿厚下偏差代号N，则齿厚下偏差为Esi=－25fpt=－150μm。