齒輪淬火的“最佳”硬化層深與“適當”硬化層深
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眾所周知,齒輪的淬硬層深“過淺”,對接觸和彎曲承載能力都不利。但淬硬層也不是越深越好,最佳或適當的硬化層深度,可使齒面和齒根都具有較高的強度(承載能力)。另外,不同的熱處理方法,其“最佳”值也不是一樣的。
二十世紀七、八十年代,隨著齒輪強度計算方法ISO標準的公布,以及國內GB/3480“圓柱齒輪承載能力計算方法”標準的實施,特別是工業硬齒面齒輪的廣泛采用,國內外齒輪工作者(專家、學者),就熱處理硬化層深問題,進行了大量的試驗研究和理論分析。其實質都是基于接觸(彎曲)疲勞強度,其核心問題是:疲勞裂紋發生(萌生)在何處?破壞后的形狀是點蝕(pitting貝殼狀),還是片蝕(剝落spalling)?研究表明,一般軟齒面大多是點蝕,而硬齒面大齒輪大多是剝落(片蝕)。疲勞裂紋的萌生,有可能在表面,也有可能在表層。
至今,有關硬齒面齒輪接觸疲勞強度(剝落)計算的理論和方法,主要有:最大剪切應力τmax(τ45°);正交剪切應力(τyz);當量剪切應力(τeffa);深部接觸應力;最大剪切應力/剪切強度的峰值;正交剪切應力/強度(硬度)(τyz/HV)max;當量剪切應力/強度的峰值等,通過理論計算可以確定接觸疲勞強度(安全系數);或者確定最佳淬硬層深度。這些理論和方法一直都有爭議,因此至今也沒有一個權威的理論和方法被大家所能完全接受。
所謂“最佳硬化層深”,其說法也是較含糊的,而且眾說不一,以滲碳淬火齒輪為例,
德國DIN3990,硬化(滲碳)層深度,給出一個經驗公式:(推薦)Eht= 0.15mn(mn——法面模數)(1)。該經驗公式,有一個突出的問題,就是未考慮實際載荷的情況。所以,對于輕載齒輪,允許比經驗公式稍淺的硬化層深度。Thomas Tobie近年來提出在用ISO/DIN進行標準化承載能力計算時,考慮硬化層深度對承載能力的影響,引入了影響系數ZEht(接觸承載能力影響系數);УEht(彎曲承載能力影響系數)。其目的是對于某一結構的齒輪,確定要求的硬化層深度,或者計算已給定硬化層的齒輪承載能力(安全系數)。
美國AGMA(基于最大剪切應力),最小硬化層深度(最佳層深):
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