关于硬齿面齿轮的结构优化设计探讨

朱文光 朱金强

摘要：随着现代科技的不断进步，齿轮传动形式已经广泛应用于各个领域，通过实践证明，硬齿面齿轮的结构型式具有一定的优缺点，而且目前的多个应用领域需要更多型式的齿轮结构。本文通过对硬齿面齿轮结构型式进行讨论，提出更加合理的结构设计方法，同时对硬齿面齿轮的材质与表面处理等工艺进行简单介绍。

关键词：硬齿面；齿轮；结构；设计；优化；热处理

1.引言

齿轮传动是一种常见的传动形式，已经在机械工程中得到了广泛应用。作为其中的关键部件，齿轮起到了基础作用，它的材质、机械性能决定着使用效率与寿命。齿轮传动具有其他传动形式所不具备的优点，结构尺寸相对较小，适用范围更广。目前齿轮在加工制作过程中多采用齿面碳淬火、氮化处理的方式来提高硬度与结构强度，而不是在之前使用的调质热处理方式。随着机械工程的应力强度不断加大，硬齿面齿轮的需求量更大。

2.硬齿面齿轮概念

硬齿面齿轮概念相对于软齿面而言，具有较好的机械性能，寿命更长，适用范围更广。随着机械学的不断发展，硬齿面齿轮的设计制造技术开始在设计领域与加工领域更加广泛，通过一定的热处理方式与材质使用不断提高齿轮的齿面硬度，不断降低齿轮的使用尺寸。[1]从经济角度上来讲，硬齿面齿轮的价格相对于软齿面齿轮降低了20%左右，安全系数保持不变或提高10%，具有良好的经济效益。

3.硬齿面齿轮结构型式

目前市场上出现的硬齿轮主要有几种类型，分别为锻造齿轮、镶圈组合式齿轮与焊接齿轮三种主要的形式。整体锻造齿轮发展较早，但它的应用范围相对窄一些，尺寸较大，适用在一些机械性能要求不高的场合，而且它的设计成本与制造成本并不低。目前较良好的结构型式为焊接、镶圈组合结构。焊接硬面齿轮主要由三部分组成，齿圈是其中的重要部分，多是采用渗碳合金钢，而其他的幅板与轮毂分别采用调质钢与高质量的碳素钢形式。焊接硬齿面齿轮的重量相对锻造齿轮更轻，需要的支承结构更简洁，同时它的制造成本与设计成本都有所降低，得到了更多机械工程企业的认可。[2]但焊接硬齿面齿轮在大部分生产加工过程中，却体现出了一些不足，主要在焊接工艺与热处理方面存在着一些不足，从而导致齿轮在加工后发生一些变形问题，无法更进一步加工处理，从而对整体的齿轮结构造成了严重影响，通过应力不均，导致使用寿命大大降低，甚至直接不能使用。

镶圈组合齿轮主要有两部分组成，外齿圈多采用渗碳合金钢的材质，轮心材料主要由铸铁、铸钢与碳钢组成，二者通过盈联结式结构进行组合，结构更加紧凑，成本也更加降低。同时镶圈组合齿轮也有其特定的缺点，它的结构相对紧凑，造成了密度大，重量更大，在运输过程中与安装过程中需要特定的设备辅助，从而增加难度，在其他机械结构承载负荷不够的场合中，使用效率大大降低。[3]

针对以上两种主种主要的硬齿面齿轮结构型式，需要对焊接镶圈式结构进行更一步优化，才能把二者的优点进行集合，同时避免出现各自体现出的缺点与不足。优化后的硬齿面齿轮结构形式中，外层主要是外齿圈，轮毂体由过盈联接、销与螺栓进行组合联接，它的制造成本更低，能够适合更加广泛的运输方式，安装非常容易。

4.硬齿面齿轮结构优化设计

通过对硬齿面齿轮的结构型式进行优化，大大提高了应用性能与使用寿命，能够在多个场合进行应用。某企业所需要的减速机中，需要的大齿轮通过此种焊接镶圈结构设计方法，应用效果十分良好。由于采用一级斜齿轮传动形式，在传动功率为3000KW的前提下，大齿轮的总重量设计为16吨，减速机构总体重量达到56吨。在新形式的焊接镶圈结构硬齿面齿轮结构中，齿轮外径为3077mm，啮合直径为2670mm，镶圈的内孔直径为580mm。[4]

在本案例中，齿轮的外齿圈主要为优质的合金渗碳钢，接触疲劳极限应力为1550MPa，它的热处理工艺为渗碳淬火回火与磨齿工艺，通过处理，齿面的硬度可以达到HRC60。硬齿面齿轮的轮毂结构体系主要由轮毂与钢板焊接而成，轮毂材质为调质合金钢，钢板的材料为炭素钢，通过二者的焊接形成良好的联接效果。齿轮的外齿圈与轮毂体由过盈联结进行组合。在安装时，对外齿圈进行加热处理，从而套在轮毂体上，人工对轮毂体与齿圈的结合面进行打销处理，安装螺栓，切掉冗余的螺纹，最后进行点焊处理，增加防松性。[5]

5.合理选择中硬齿面齿轮用钢的材料及相关热处理工艺

要达到较高的机械性能，齿轮需要不断提高硬度与强度，合金元素如Cr、Mo、等都可以形成弥散碳化物，有效增强弥散强化效果，不但会提高齿轮的强度，同时也会增强塑性与韧性。[6]尤其是一些大型零件，为了避免在回火冷却慢后出现的高温回火脆性，需要选择Mo钢，它的淬透性较好。在调质处理时，不可一味对硬度进行关注，还需要对淬火与回火的温度参数进行关注，才能保持强度与韧性双重效果。淬火的淬硬性决定着齿轮的最终使用综合性能。在齿轮进行设计计算时，如果需要的弯曲应力大，就说明要求硬度高一些，此时便需要淬透性高的齿轮材料，成本相对会高一些，但使用效果可以得到最大保证。[7]

6.结语

随着现代工业的发展，越来越多的企业竞争压力不断增大，这就需要在确保加工质量的同时，降低加工成本。采用硬齿面齿轮的优化结构型式，可以有效达到双重效果，在确保机械性能的基础上不断降低加工制造成本，更加适合现代企业的需要。目前焊接镶圈式硬齿面齿轮已经开始应用于冶金、矿山等大型项目，并且取得了良好的效果。

参考文献：

[1]李海翔.渐开弧面齿轮传动的基本理论及试验研究[D].重庆大学，2012.

[2]李大庆.直齿面齿轮啮合性能预控及碟形砂轮磨齿关键技术研究[D].江苏大学，2013.

[3]吕明，梁国星.硬齿面齿轮加工技术进展及展望[J].太原理工大学学报，2012，03：237-242.

[4]任小中.内齿轮成形磨削工艺与装备技术研究[D].江苏大学，2011.

[5]刘明辉.加工硬齿面齿轮的滚齿机结构有限元优化[J].煤矿机械，2004，11：15-17.

[6]肖龙，胡世超，苗志毅.硬齿面齿轮的疲劳失效及解决方法[J].水利电力机械，2007，10：99-100.

[7]张斌.硬齿面滚剃齿加工振动分析及计算机仿真[D].兰州理工大学，2008.