冯磊 胡克伟
[摘 要]本文论述了高速航空传动齿轮产生胶合的原因,归纳出评定齿面胶合的准则,并根据高速航空传动齿轮胶合实例,对齿轮胶合能力进行分析。通过对影响齿轮胶合能力的若干参数进行分析优化,给出了高速航空传动齿轮抗胶合能力提升的方案。
[关键词]高速齿轮 胶合 能力提升
中图分类号:S566 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2018)04-0262-02
高速航空传动齿轮在理想的工作条件下,齿轮应在整个轮齿的工作齿面上接触,在任意接触面积上均无载荷集中,并在齿顶和齿端的接触印痕逐渐消失,在这种条件下,齿轮才有最大的承载能力,并能最平稳和无噪声的运转。如果齿轮形貌不理想,造成载荷集中,表面粗糙度较差导致润滑不足都有可能造成齿轮胶合。由于齿轮胶合影响因素较多,胶合能力计算是一个复杂的系统问题,对胶合的成因、能力计算及影响因素评定等進行分析,在高速航空齿轮研制实践上将具有现实的意义。
1 高速齿轮齿面胶合的成因
齿轮齿面胶合通常发生于高速重载的情况下,当轮齿表面受较高载荷和较高的齿间滑动速度作用时,齿面接触区产生的摩擦热引起局部瞬间温度升高,滑油粘度变稀,油膜厚度减小,导致润滑油膜破裂,两齿面金属直接接触,摩擦加剧且局部发生熔化焊合,短时间内随着相对滑动而撕裂,以致齿面沿滑动方向形成了特殊的沟痕。
根据齿轮齿面胶合损坏程度一般分为轻微胶合、局部胶合、严重胶合三类。其中轻微胶合常表现在靠近齿顶或齿根的齿面上沿滑动方向的极细微而细密的伤痕(一条暗带),轻微胶合出现在运转初期,可能是由于在运转初期相啮合的齿面润滑条件不够。局部胶合仅发生在相接触齿面的局部区域上,沿滑动方向出现的粘着撕裂伤痕。其中对于软齿面更为明显。局部胶合通常由于载荷集中造成,在运转过程中出现载荷偏斜或齿面不均匀受热导致。严重胶合是沿滑动方向呈现明显的粘撕沟痕。整个齿面,尤其是齿顶有明显的材料移失迹象,热胶合部位呈现回火色,冷胶合部位呈现明显擦伤划痕。
胶合一旦产生,将导致齿轮渐开线形状严重破坏,使传动质量极具下降,磨损功率损失不断增大,尤其在高速传动中,这种下降更加明显。齿面温度随着胶合发展进一步升高,如此恶性循环使齿面很快失效。同时齿面胶合所引起的振动使齿轮遭受很大的动载荷,从而降低齿轮的弯曲强度和接触强度,并诱发其他破坏形式的发生。
经分析,引起胶合破坏的直接原因时载荷集中,齿面相对滑动速度及润滑状态。而齿轮的模数、齿数、压力角、齿形等几何因素,齿面粗糙度、表面处理方式、精度等级等加工因素,齿轮转速、润滑油温度、流量及喷油方式等运转因素都可能导致齿轮胶合。只要对上述影响因素进行分析,选取适当的参数,采取相应的防护措施,就能防止和减少胶合的发生。
2 评定齿轮胶合的准则
国内外近年来的研究结果显示,齿轮胶合的评定准则比较成熟和有代表性的主要有三大类:
1)临界温度条件
即以啮合区接触齿面的瞬时温度作为判断胶合的准则,具体为:
Tb=Tm+ΔTG≥Tc (公式1)
当啮合齿面的瞬间实际温度超出临界温度值时,齿面间的油膜会遭到严重破坏,齿面产生胶合。
2)临界油膜厚条件
即以油膜厚度比作为判断参数,具体表达式为:
λ=≤λc
当高速齿轮运转时,如果实际油膜厚条件不能满足临界油膜厚条件时,会导致齿面胶合。
3)热不稳定条件
如果在高速传动齿轮运转过程中,假定存在着热不稳定情况,则会在相互啮合的两齿面摩擦产生热量的同时,存在热传到,而使油膜间温升出现中空现象,破裂时将油喷出,导致油膜破坏,齿面容易产生胶合。此外,润滑油表面张力在高温侧下降,使高温侧摩擦面润滑不足,产生胶合。
在上述三种齿轮齿面胶合评定准则中,齿面瞬时温度准则是最直接、最有效的准则。
3 抗胶合能力的具体设计方法
根据临界温度条件准则显示,齿轮抗胶合能力与ΔTG,即齿面瞬间温升相关。根据《格里森齿轮强度分析与计算》描述,齿面瞬间温升的计算公式如下:
(公式2)
4 高速航空传动齿轮胶合能力实例分析
某高速航空传动齿轮在试车后齿面出现胶合现象,针对齿轮出现的胶合情况,对齿轮抗胶合能力进行复查及校验。
根据(公式1)、(公式2)
根据《格里森齿轮强度分析与计算》,各参数选取如下:
几何系数G=0.008,根据螺旋角、压力角、轴交角及齿数确定;
热常数G1=41,对于9310钢齿轮;
弹性系数CP=2800,啮合齿轮均为9310钢;
主动齿轮最大扭矩
TP=63025=63025×=4544
载荷系数KT===4287
齿轮转速对应参数n=10.5
齿面瞬间温升
=294°F(145°C)
啮合区接触齿面的瞬间实际温度
Tb=Tm+ΔTG=212+294=506°F(264°C)
齿轮在运转环境下的临界温度条件Tc=
式中,T0-许用胶合指数,与工作滑油有关,DOD-85734许用胶合指数为650°F(343°C);
LR-安全系数,针对航空传动且完善接触,一般选取1.25。
临界温度条件Tc= ==520°F(271°C)
经计算分析表明,本次发生胶合的齿轮瞬时实际温度与临界温度接近,在齿轮运转初期,润滑条件不足时,齿轮本体温度会升高,瞬时温度可能会超过临界温度,导致胶合产生。
5 高速航空传动齿轮胶合能力提升研究
根据齿轮胶合产生的原因及抗胶合能力计算分析,影响齿轮胶合能力的因素有很多。考虑到齿轮自身的几何因素如材料、齿数、模数等在其他边界条件下已经确定,本文研究的抗胶合能力提升仅在不改变齿轮自身参数的情况下,通过完善其他参数的设计来提升抗胶合能力,通过分析表明,齿轮的表面粗糙度无论是对齿轮瞬时温度或者是实际油膜厚度都是影响最直接的。
根据(公式2)可知,齿轮瞬时实际温度与粗糙度存在反比例关系,粗糙度精度越高,瞬时实际温度越低,与临界温度之间的差值越大,越低于临界温度,不容易产生胶合。
上述提到的发生胶合的齿轮副实例如果表面粗糙度为10μin(Ra0.25),则齿轮瞬时温度为:
ΔTG=252°F(122°C)
啮合区接触齿面的实际温度
Tb=Tm+Ti=212+252=464°F(240°C)
此时齿面的实际温度比临界温度低56°F(13°C)
根据临界油膜厚条件判定齿轮胶合准则,齿轮表面的粗糙度精度越高,越有利于形成油膜,降低齿面胶合的产生。表面粗糙度与油膜最小厚度之间关系如下:
式中,A为油膜系数;当1.6
s1、s2为齿轮副的表面粗糙度;
hmin为油膜最小厚度。
齿轮副粗糙度均为15.7μin(Ra0.4)与粗糙度均为10μin(Ra0.25)相比,油膜最小厚度减少近40%。
6 结论
齿轮胶合是多种因素导致,尤其运转时的实际润滑条件及温度条件等受结构限制不能获得准确数值。通过上述分析表面,提高齿面的表面粗糙度精度等级是最有效和最直接的方法。
参考文献
[1] 郁明山,齿轮手册,机械工业出版社.
[2] 格里森齿轮强度分析与计算,机械工业出版社.
[3] 齿轮传动的失效分析及其对策,航空工业出版社.
[4] 正庄,高强度齿轮设计,机械工业出版社.