CN113898714A

CN113898714A - 一种分区梯度组分齿轮

Info

Publication number: CN113898714A
Application number: CN202111025023.4A
Authority: CN
Inventors: 易健宏; 刘江龙; 李凤仙; 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: 2021-09-02
Filing date: 2021-09-02
Publication date: 2022-01-07

Abstract

本发明公开一种分区梯度组分齿轮，属于机械传动机构设计技术领域。本发明所述齿轮包括齿轮主盘和多个卡齿，所述卡齿从外到内依次分为刚性强度区、中部缓和区、韧性扭转区三个工作区；所述齿轮的卡齿由钢材料制备得到，三个工作区中铬的组分含量依次递减，其余成份相同。本发明所述基于增材技术高性能梯度组分齿轮，通过设计三种不同的工作区，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、齿轮渐开线处韧性增加、齿根处弯曲应力增加、齿轮的寿命降低等问题，可使齿轮间啮合平稳，起到一定延长寿命的作用。

Description

一种分区梯度组分齿轮

技术领域

本发明涉及一种分区梯度组分齿轮，属于机械传动机构设计技术领域。

背景技术

齿轮，作为当今日常应用最广的机械传动形式，广泛应用于交通运输、生产制造、智能化产业等众多领域。齿轮传动是机械传动中最重要的传动形式之一，齿轮传动具有如下特点：效率高，结构紧凑，工作可靠、寿命长，传动比稳定，安装精度要求高等。

在齿轮的生产制造过程中其轮齿部分由于其受力情况复杂、工作环境较为恶劣，往往需要多道复杂的加工工序，以保证齿轮的疲劳强度及寿命，传统的齿轮材料一般使用碳钢，中碳钢，合金等构成，这种单一材料的齿轮非常难以处理，虽然达到了工作环境和使用的要求，但由于其表面仍然不够坚韧，耐磨，容易发生磨损、腐蚀轮齿表面，甚至使齿轮发生齿根折断，影响其使用寿命。

齿轮的传动等功能在机械工作中起着十分关键的作用；但由于机械生产中的工作强度大及其他相关因素，机械齿轮失效问题出现频繁，严重时会导致机械设备瘫痪，降低机械生产的效率，甚至会导致安全事故，必须加以改进。

发明内容

本发明的目的在于针对现有齿轮存在的问题，并提供一种高性能梯度齿轮，具备表面硬度高，摩擦系数低，耐腐蚀性强，工作噪声小，安全性能优异，齿轮传动稳定性优异等特点，解决了现有齿轮材料成份单一，在啮合工作过程中容易发生胶合，齿根折断等因材料性能的欠缺而损伤的一系列问题。

本发明的技术方案：一种分区梯度组分齿轮，包括齿轮主盘和多个卡齿，所述卡齿从外到内依次分为刚性强度区、中部缓和区、韧性扭转区三个工作区；所述齿轮的卡齿由钢材料制备得到，三个工作区中铬的组分含量依次递减，其余成份相同；所述刚性强度区为卡齿接触摩擦区，所含铬组分最多，中部缓和区为卡齿内部缓冲区，所含铬组分不高，韧性扭转区位于卡齿芯部，相匹配较高韧性材料，也是铬含量较少的部分。

优选的，本发明所述刚性强度区、中部缓和区、韧性扭转区三个工作区的高度比为3:4:3。

优选的，本发明所述刚性强度区中Cr粉质量百分比为3-4%，所述中部缓和区中Cr粉质量百分比为2-3%，所述韧性扭转区中Cr粉质量百分比为1-2%。

优选的，本发明所述刚性强度区中各原料及其重量百分比为：Cr粉3-4%，C粉0.15-0.23%，Si粉0.17-0.37%，Mn粉0.8-1.1%，P粉≤0.035%，S粉≤0.035%，Ti粉0.04-0.1%，Cu粉≤0.2%，余量为Fe。

优选的，本发明所述中部缓和区中各原料及其重量百分比为：Cr粉2-3%，C粉0.15-0.23%，Si粉0.17-0.37%，Mn粉0.8-1.1%，P粉≤0.035%，S粉≤0.035%，Ti粉0.04-0.1%，Cu粉≤0.2%，余量为Fe。

优选的，本发明所述韧性扭转区中各原料按重量百分比为：Cr粉1-2%，C粉0.15-0.23%，Si粉0.17-0.37%，Mn粉0.8-1.1%，P粉≤0.035%，S粉≤0.035%，Ti粉0.04-0.1%，Cu粉≤0.2%，余量为Fe。

本发明所述齿轮通过增材制造方法制备而成。

本发明所述三部分工作区各对应不同受力包括弯曲应力，接触应力等，接触应力对应卡齿强度高的刚性强度区，弯曲应力对应卡齿韧性扭转工作区，中部缓冲区起连接缓和过度作用。

利用UG进行齿面形貌的设计与绘制，然后利用ABAQUS软件对所述高性能梯度齿轮进行应力的加载与分析，结果显示，所述高性能梯度齿轮在y轴方向形变量小于单一材料齿轮，且疲劳应力范围小于单一材料齿轮；故所述高性能梯度齿轮在运行过程中，振动和噪声较单一材料齿轮小，运行状况也更加平稳，有利于减少由轮齿形变而引起的齿面点蚀、疲劳断齿等损伤，有效地改善了齿轮的动力学性能。

本发明的有益效果：

（1）本发明所述高性能梯度齿设置了三种不同工作区，在两个卡齿啮合产生接触碰撞时，三种不同工作区可起到不同作用，刚性强度区承受主动轮齿牙啮合瞬间最大等效应力，而铬的含量使刚性强度区有着全齿最高硬度，使传动时该区不易变形，使齿轮间啮合更加平稳，耐磨损，解决了齿轮啮合工作过程中存在的畸变。

（2）中部缓和区处于渐开线处在啮合过程起过度作用因此铬含量的减少，起缓和两区应变作用，使齿轮渐开线处韧性增加。

（3）韧性扭转区在啮合过程中主要承受等效塑性应变，因此选用最少铬含量，使其不易因弯曲应力增加产生齿根折断；解决齿芯韧性高，铬的成本高，齿芯含量低，降低齿轮成本。

（4）本发明所述高性能梯度齿轮的三种不同工作区对应三种不同的材料，齿轮的寿命降低等问题，起到一定延长寿命的作用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。

附图说明

图1为本发明齿牙主视图；

图2为本发明齿牙左视图；

图3为本发明所述齿轮的整体结构示意图；

图4为本发明所述齿轮等效应力图；

图5为本发明所述齿轮等效塑性应力图。

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

一种分区梯度组分齿轮，包括齿轮主盘和多个卡齿，所述卡齿从外到内依次分为刚性强度区、中部缓和区、韧性扭转区三个工作区；所述齿轮的卡齿由钢材料制备得到，三个工作区中铬的组分含量依次递减，其余成份相同；所述刚性强度区为卡齿接触摩擦区，所含铬组分最多，中部缓和区为卡齿内部缓冲区，所含铬组分不高，韧性扭转区位于卡齿芯部，相匹配较高韧性材料，也是铬含量较少的部分。

所述刚性强度区、中部缓和区、韧性扭转区三个工作区的高度比为3:4:3，如图1和2所示。

所述刚性强度区中各原料及其重量百分比为：Cr粉3%，C粉0.15%，Si粉0.17%，Mn粉0.8%，P粉≤0.035%，S粉≤0.035%，Ti粉0.04%，Cu粉≤0.2%，余量为Fe。

所述中部缓和区中各原料及其重量百分比为：Cr粉2%，C粉0.15%，Si粉0.17%，Mn粉0.8%，P粉≤0.035%，S粉≤0.035%，Ti粉0.04%，Cu粉≤0.2%，余量为Fe。

所述韧性扭转区中各原料按重量百分比为：Cr粉1%，，C粉0.15%，Si粉0.17%，Mn粉0.8%，P粉≤0.035%，S粉≤0.035%，Ti粉0.04%，Cu粉≤0.2%，余量为Fe。

实施例2

所述刚性强度区中各原料及其重量百分比为：Cr粉4%，C粉0.23%，Si粉0.37%，Mn粉1.1%，P粉≤0.035%，S粉≤0.035%，Ti粉0.1%，Cu粉≤0.2%，余量为Fe。

所述中部缓和区中各原料及其重量百分比为：Cr粉3%，C粉0.23%，Si粉0.37%，Mn粉1.1%，P粉≤0.035%，S粉≤0.035%，Ti粉0.1%，Cu粉≤0.2%，余量为Fe。

所述韧性扭转区中各原料按重量百分比为：Cr粉2%， C粉0.23%，Si粉0.37%，Mn粉1.1%，P粉≤0.035%，S粉≤0.035%，Ti粉0.1%，Cu粉≤0.2%，余量为Fe。

对比实施例

一种单组分齿轮，包括齿轮主盘和多个卡齿，所述卡齿的成份不变为：Cr粉2%，C粉0.15%，Si粉0.17%，Mn粉0.8%，P粉≤0.035%，S粉≤0.035%，Ti粉0.04%，Cu粉≤0.2%，余量为Fe。

开展了齿轮受力分析；然后，建立了齿轮模型，对其进行了等效应力，等效塑性应力有限元计算，并对其齿轮受力进行了分析；由图4可以看出上面主动轮啮合时齿牙顶端受Mises最大；由图5可以看出下面从动轮啮合时受PEEQ最大，且集中分布于齿根两侧；建立了齿轮受力与功能梯度材料性能之间的关系；分析结果表明：功能梯度材料在轮齿齿顶硬度与齿根弯曲应力起相对应的性能；将功能梯度材料应用到齿轮上是可行的。

本发明实施例通过设置对照组，首先找出优质钢的材料化学成分，然后进行，单个化学成分的改变，观察其机械性能的改变，最后发现铬的改变对机械性能的改变较大，主要是因为铬元素可以让钢硬度提高。

本发明的工作原理是：将齿轮梯度划分后依据梯度区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，用本发明上述实施例提供的耐磨组合物制作的耐磨齿轮，硬度高、耐磨损性能好，降低了耐磨齿轮的磨损消耗，延长了耐磨齿轮的使用寿命，同时降低了耐磨齿轮的检修频率，降低了检修成本。

Claims

1.一种分区梯度组分齿轮，包括齿轮主盘和多个卡齿，其特征在于：所述卡齿从外到内依次分为刚性强度区、中部缓和区、韧性扭转区三个工作区；所述齿轮的卡齿由钢材料制备得到，三个工作区中铬的组分含量依次递减，其余成份相同。

2.根据权利要求1所述的分区梯度组分齿轮，其特征在于：刚性强度区、中部缓和区、韧性扭转区三个工作区的高度比为3:4:3。

3.根据权利要求1或2所述的分区梯度组分齿轮，其特征在于：所述刚性强度区中Cr粉质量百分比为3-4%，所述中部缓和区中Cr粉质量百分比为2-3%，所述韧性扭转区中Cr粉质量百分比为1-2%。

4.根据权利要求3所述的分区梯度组分齿轮，其特征在于：所述刚性强度区中各原料及其重量百分比为：Cr粉3-4%，C粉0.15-0.23%，Si粉0.17-0.37%，Mn粉0.8-1.1%，P粉≤0.035%，S粉≤0.035%，Ti粉0.04-0.1%，Cu粉≤0.2%，余量为Fe。

5.根据权利要求3所述的分区梯度组分齿轮，其特征在于：所述中部缓和区中各原料及其重量百分比为：Cr粉2-3%，C粉0.15-0.23%，Si粉0.17-0.37%，Mn粉0.8-1.1%，P粉≤0.035%，S粉≤0.035%，Ti粉0.04-0.1%，Cu粉≤0.2%，余量为Fe。

6.根据权利要求3所述的分区梯度组分齿轮，其特征在于：所述韧性扭转区中各原料按重量百分比为：Cr粉1-2%，C粉0.15-0.23%，Si粉0.17-0.37%，Mn粉0.8-1.1%，P粉≤0.035%，S粉≤0.035%，Ti粉0.04-0.1%，Cu粉≤0.2%，余量为Fe。