单级圆柱齿轮减速器

单级圆柱齿轮减速器（精选3篇）

单级圆柱齿轮减速器 第1篇

在机械部件的失效分析过程中,以往很多分析者把主要精力放在机械设备的结构、功能、寿命或开动率等方面,最后才会考虑连接和紧固件的问题,但随着国民经济的发展,尤其是在经历了很多机械和人身事故后,紧固件的松动和断裂也成为分析时考虑的必要因素之一。

由于材料技术的不断发展和降低生产成本的现实要求,螺栓材料强度的应用等级也在不断提高,比如北京钢研院成功的研究开发了13.9级超高强度螺栓42Cr Mo VNb(APF1)[1],并将之用于发动机连杆螺栓;新建的香港九号码头栈桥塔吊锚固大螺栓采用了“无碳化物贝氏体/马氏体复合相钢”新材料[2]。但是当螺栓材料强度达到1200MPa以上后,其延迟断裂就变得十分突出[3];当高强度螺栓硬度大于40HRC时易产生脆断,其断裂强度比低硬度值的还小[4]。经济的发展对螺栓的结构设计、材料的化学成分、加工工艺均提出了更高的要求,若不加以注意,由此造成的损失将非常惊人。本文分析了一个由于12.9级高强度螺栓发生断裂导致桥总成失效的案例。

2. 失效现象

速比为4.111的HD469单级减速驱动中桥,被用于运输危险品的牵引车上,在行驶至40450Km时出现异响。对拆开的桥进行观察,发现差壳螺栓有两根出现掉头现象,如图1所示,周圈未断的螺栓头部均有磕碰,被动轮棱边被磨光,如图2;主动锥齿轮小头端安装的圆柱滚子轴承滚珠爆裂,轴承外圈断裂,如图3,内圈靠近锥齿轮的上沿部位发生严重磨损,如图4;螺栓头已经磨至不可见,桥中多个零件上粘附有大量磨屑及磨粒,如图5;主动齿轮、轴承外圈和其他多个零件上散布众多磨屑和小坑状压痕,如图6、图7和图8。

观察断裂的螺栓,其中一件断于第一个螺纹根部,裂源位于一侧,断口为细致的磁状脆断形貌;第二件断于螺栓根部,裂源位于一侧,以一定角度沿外圆脆性扩展,最后向中心及对面呈放射状断裂。

3. 失效原因分析

3.1 轴承、轴承座的失效分析

圆柱滚子轴承(32215),一般选用GCr15钢,按照JB/T 1255-2001高碳铬轴承钢滚动轴承零件标准,对断裂的滚子轴承外圈和内圈的成分、金相和硬度进行检验,成分符合国标GCr15的要求,内圈硬度61.0-61.5HRC,外圈硬度63.0-63.3HRC,显微组织为隐晶、细小结晶马氏体,均匀分布的细小残留碳化物(2.5级),可知滚子轴承的材质、金相和硬度均能满足技术要求。追溯此桥的装配跟单,得知轴承的配合间隙在技术许可范围内。

从断掉的轴承座孔处锯掉一小块进行组织分析,抛光后观察其球化等级为3级,球化率为80%至90%,石墨大小为6级,腐蚀后珠光体量为珠15,满足主减壳QT450-10材质的技术要求,同时,追溯主减壳的机加过程中,其尺寸及形位公差测量值均满足技术要求。

根据经验,不管是轴承还是轴承座先发生断裂,紧接着都会使主动齿轮失去支承而导致主、被动齿轮传动瘫痪,而现场看到的情况为齿轮等残件表面存在大量的磨屑和压痕,主减壳内壁与被动轮最大外圆相对应部位存在磕碰磨损痕迹,这些均说明此469桥经过:零件断裂→磕碰碎化→磨损→最终主减总成失效这一需要一定时间发展的失效过程。显然,若轴承、轴承座先断裂,桥总成失效不可能经历这么长的发展时间;再则,被动齿轮Φ469mm外圆与主减壳之间的间隙很小,仅7.79mm,断裂的轴承、轴承座以及轴承滚子等较大碎块必须经过进一步破碎才能越过间隙到达被动齿轮背面,同时,过小的碎块也不可能引起磕碰,导致被动齿轮紧固螺栓掉头,假设与结果存在矛盾,所以可以排除轴承座和轴承首先破坏是导致桥主减总成失效原因的推断,而是失效发展的最后结果。

3.2 12.9级差壳螺栓的失效分析

被动齿轮与差壳连接的紧固螺栓规格M18×1.5,选用ML35Cr Mo材质,参照GB/T 3098.1-2000紧固件机械性能之螺栓、螺钉和螺柱的标准对此螺栓的各项性能进行检验,并与一国外公司生产的Φ500制动器大轮边车桥上拆下的使用性能较稳定的12.9级螺栓进行对比分析。

3.2.1 螺栓化学成分

12.9级螺栓的成分检验结果和GB/T6478-2001国标要求含量如表1所示,可见螺栓的成分满足技术要求。同时国家标准中对12.9级螺栓的成分作了特殊要求,即S、P含量均不大于0.035%,合金钢至少应含有以下几种元素中的一种,分别为:Mo≥0.20%;Cr≥0.30%;Ni≥0.30%;V≥0.10%,研究证明,降低P、S含量不仅有助于改善钢的冷镦性能,还可以改善钢的耐延迟断裂性能[5]。根据检验结果得知,所用的12.9级螺栓的成分均能满足这些特殊要求,P、S含量较低,螺栓化学成分符合技术要求。

另外,东风Coumins12.9级连杆螺栓M11×1.25材料40Cr Mo,硬度38~44HRC;南京跃进Sofim12.9级连杆螺栓M12×1.25材料42Cr Mo,硬度39~44HRC;而我公司的差壳螺栓M18×1.5,采用材料ML35Cr Mo,在截面较大的情况下,选择含碳量较低的Cr、Mo钢,其淬透性和回火温度相对较低,这对于螺栓脆断抗力是不利的。

3.2.2 螺栓组织和硬度

断裂螺栓的金相组织为回火索氏体,隐约可见个别马氏体的形态,符合ML35Cr Mo调质组织。分别对断掉的两根螺栓和拆下的两根未断螺栓的硬度进行检验,结果如表2所示。可见,HD469差壳的12.9级螺栓的硬度稍超出GB/T3098.1-2000对螺栓12.9级螺栓的硬度要求。

根据GB/T3098.1-2000标准,若螺栓的检验硬度超出最高硬度,则应在距末端一个螺纹直径的截面上、1/2半径处再进行试验,其硬度不得超过要求,并以维氏硬度值作为仲裁结果,表3是距末端一个螺纹直径的截面上的硬度检验结果,同样表明此次所用的12.9级螺栓的硬度均超出国标要求。

35Cr Mo材料的淬透性相对较好,同时结合仲裁硬度和表面硬度接近,得知此12.9级螺栓的硬度基本能够反应强度值[6]。根据材料力学性能可知,在其他条件不变情况下,材料硬度的提高必然降低零件的韧性和塑性[4]。

3.2.3 与国外12.9级螺栓的对比

将HD469差壳螺栓与国外生产的12.9级螺栓进行对比,发现有如下区别:(1)硬度;(2)螺栓头根部的圆弧过渡;(3)螺纹的粗糙度。

表4列举了我公司和其他公司车桥的差壳螺栓在硬度方面的差异。可见,其他公司的差壳螺栓的硬度值取国标要求下限,而国产螺栓硬度值取国标上限,硬度越高,越易发生脆断。

从外观看,国外车桥的螺栓螺帽和螺杆根部圆弧过渡较大,为R1.5,而国产螺栓的根部圆弧很小,仅R0.5,如图10所示。C.B.谢联先给出了有效应力集中系数与圆角半径的关系[7],见图9。其中,R为螺栓头过渡圆角半径,d为螺栓杆直径。由图可知螺栓头根部圆弧过渡半径与应力集中有密切关系,当R/d小于0.10时,随R/d值的减小,应力集中急剧增加。

同时,对照图11,得知国外螺栓螺纹系滚压而成,杆部及螺纹表面比较光滑,而断裂螺栓其杆部和第一扣螺纹之间的部分有明显的机加刀痕,表面粗糙,螺纹杆非磨削加工而成。

其次,断裂螺栓螺纹也未控制螺纹到螺栓头根部间的距离,螺栓断裂件的螺纹一直加工到螺栓头根部,由此加剧了应力集中,不可避免的造成断裂的发生,而国外螺栓螺纹不但远离头部,同时螺纹与杆部为20°的斜角过渡,这就进一步减少了此处的应力集中。

由于螺栓属于带缺口零件,其应力集中严重(应力集中系数可达4-8),尤其对高强度螺栓而言,其缺口敏感性较高[8],因而容易在缺口部位,如杆与头部的过渡处或者螺纹根部产生脆性断裂。所以,对12.9级高强度螺栓,一汽有非常严谨的工艺要求,现以M12连杆螺栓为例,其工艺流程为:退火→墩头→调质→车加工→磨杆部、头部支承面、头部与杆部连接圆角→细锰磷化→去氢处理→滚螺纹→头部与杆部连接圆角滚压→检验与试验,同时,螺栓设计中对牙形角、外径、中径、螺距偏差、螺纹中径与端面跳动、牙底半径(R≥0.13)等也有较严格的要求[9]。

综上所述,HD469车桥上的12.9级被动齿轮紧固螺栓由于硬度过高,螺栓根部圆弧过渡过小,螺杆上第一个螺纹因车削加工表面粗糙、螺纹与螺栓头根部相连,加剧了应力集中,从而导致螺栓头脆断。

同时根据以上分析,可以推断出此根HD469单级驱动中桥主减失效的基本过程为:失效早期为被动锥齿轮12.9级紧固螺栓头部发生脆断,接着断裂的螺栓头在车桥运转时不断与整圈螺栓及被动齿轮、减壳发生磕碰、碎裂、磨损,并产生大量的磨屑、磨粒和碎块,随时间的推移,这些磨屑、磨粒越过主减壳间隙,进入到主动锥齿轮及其小端的圆柱滚子轴承中,进一步发生磨损,严重恶化轴承工作条件,导致轴承碎裂,蹩断与之配合的轴承座,主减部分瘫痪并停止工作。

4. 结论

HD469车桥上的12.9级差壳螺栓由于硬度过高、螺栓根部圆弧过渡过小、螺杆第一个螺纹过于粗糙,最早发生脆断,之后断掉的螺栓头在桥总成内腔中磕碰、与各零件互相磨损,最终导致此根HD469单级驱动中桥发生早期失效。

基于以上的分析结果,我公司与螺栓供应商协商采取降低螺栓硬度,至38-42HRC,以改善其塑性、韧性,减小加工粗糙度,适当加大圆角过渡,至R1-1.3,控制螺纹与螺栓头根部之间的距离,为6mm,同时在减壳上采取加大螺纹过孔上沿倒角,由R1至R2的措施,至今,市场上再未出现因螺栓掉头导致整根桥失效的质量事故。

摘要：汽车实际运行中零件失效的表现往往较复杂,给失效分析工作带来很大的困难。本文结合HD469单级减速驱动中桥的失效,通过对拆开的桥的各个零件,尤其是出现异常零件的观察,运用系统推理分析思想,发现安装在差壳周圈上12.9级六角头螺栓掉头断裂是导致整个469单级桥总成发生严重失效的根本原因。

关键词：12.9级高强度螺栓,差壳,螺栓掉头,轴承

参考文献

[1]惠卫军,董瀚,翁宇庆等.耐延迟断裂性能优良的高强度螺栓钢[J].机械工程材料,2001,25(3).p:28-32.

[2]王祥泰,张先鸣.高强度螺栓钢的研究及发展趋势[J].汽车紧固件,2003,2.p:7-11.

[3]姚贵升.抗延迟断裂性能优良的超高强度螺栓用钢[J].汽车工艺与材料,2004,5.p:7-10.

[4]石德柯,金志浩.材料力学性能[M].西安交通大学出版社,2005,8.p:1-56

[5]张先鸣.高强度螺栓钢的研究及发展趋势[J].国外金属热处理,2004,25(1).p:7-11

[6]中国机械工程学会热处理专业分会编.典型零件热处理[M].机械工业出版社,2001,7.p:250-251

[7]C.B.谢联先等.机械零件的承载能力和强度计算[M].机械工业出版社,1975.p:487-489.

[8]惠卫军,董瀚,翁宇庆.高强度螺栓钢的发展动向[J].机械工程材料,2002,26(11).p:1-4.

单级圆柱齿轮减速器 第2篇

毕业设计[论文]

题

基于Unigraphics NX的单级圆

柱齿轮减速器建模

2010年 5月 26日

I

目：

华中科技大学文华学院毕业设计（论文）

目 录

单级圆柱齿轮减速器 第3篇

【摘要】随着经济的发展，人们对生活品质的要求越来越高，同时对生活的环境也有了新的要求，影响人们的生活的噪声源头也引起了人们的关注。齿轮噪声是机械噪声主要来源，所以如何降低减速器的噪音成为机械传动设备需要解决的问题。本文就是通过分析传动中齿轮减速器产生噪声的原因，同时提出相关的降低噪音的措施。

【关键词】机械传动；齿轮减速器；降噪

齿轮减速器[1]是常常应用在机械传动装置中的一种装置，一般是由不同的齿轮传动机构组成，使原动机的高速转动为工作机提供所需的速度，这种机械传动装置在工业生产中应用最广泛。我国是工业大国，机械设备的数量和产量在逐渐增加，所以配套的减速器数量、规格和品种也随之增多。因为传动设备适应的情况与机械设备的工作性能、适用时间、能耗等情况紧密联系。

一、分析影响传动过程产生噪声的相关因素

噪声是指频率不同、声音的强度也各不相同的声音。由于它没有规律、无序的存在，人们对噪声很厌烦，同时噪声也会影响人们的生活品质，不利于人们的身体健康，如果长时间受噪声影响，一般会出现睡眠质量下降、工作效率降低的情况，严重的甚至会危及生命安全。

（一）机械传动的系统出现问题

机械传动系统[2]的组合往往都比较复杂，齿轮箱就是其中复杂的传动系统，因为力的不同形式的转化，就会出现多种固定的频率，这也就形成了多样的振动。学习物理课程的过程中，我们都清楚振动就是产生声音的源头，只要有振动都会产生声音。而在机械传动的过程中就会出现振动，出现振动使传动系统的误差存在，从而产生了噪声。

（二）齿动传动过程产生误差

齿轮间的大小不相符或者渐开线的数据错误就会使齿轮产生振动形成无规律的声音，出现噪音。齿轮噪声的大小与齿轮传动中的振动幅度和振动频率大小紧密相关，他们是噪声研究中重要的研究对象。从实际生活的经验可以知道，影响机械齿轮振动的因素比较多，或许可以通过改进其他方式来减少不必要的噪声。由此可见齿轮在机械传动过程中的作用不容忽视，产生噪声的干扰因素需要去解决，这样可以更好的进行机械运作。

二、分析齿轮减速器产生噪音的原因

（一）参数因素

衡量设计和加工质量的重要标准是齿轮数据的精度，如果都是生产要求比较严格的高精度齿轮，那么机械传动过程中就不会有那么多的噪声产生。分析齒轮精度降低了标准主要原因，可以了解到在实际的生产过程中，为了降低生产成本，很多设计者会选择不违反工作要求的前提下，设计出较多数量的精度相对较低的齿轮，这样也成为了齿轮产生噪声的重要原因，而且精度过低会使噪声变大。

（二）精度因素

齿轮的啮合程度主要是指齿轮在正常工作下的平稳状态。相对于齿轮瞬时变化的要求，一般经过一定时间的运转，齿轮就会出现转角误差，这样就会出现不同程度的噪音。

齿轮间的接触点精度是指两个齿轮间的接触点的大小，接触点不同的大小会反映出齿轮在传动过程中产生噪声的大小，假如接触点较小就会产生较大的噪声，反之产生噪声越小。齿轮的数据误差会影响齿轮的精度，从而产生噪声。

齿轮运动时传递的准确性就是他的运动精度，一般在齿轮运动完一周后就会出现转角误差。如果齿轮的大小产生的误差值累积较大，就会出现一些噪声，当累积的值不断扩大时，就会影响齿轮的啮合度，最终改变转角速度，使噪声变大。

（三）载荷的影响

我们将齿轮看做振动弹簧体系，齿轮本身作为作为质量的振动系统。那么系统受到不同的冲击载荷，产生齿轮圆周运动的扭转振动，形成一种振动力。另外齿轮本身刚性较差就会产生周期振动噪声。这种噪声平稳而不尖叫。

（四）共振现象的影响

齿轮由于刚性较差，本身有固定的振动频率，当和另一个齿轮进行啮合时又会出现相同的振动频率，这样就出现了齿轮的共振现象，也就形成了噪声。如果是开放式的齿轮传动，那么加速产生的噪声在齿轮产生冲击的时候直接辐射出去，一般是在轮体、传动轴等地方。对于闭式齿轮传动，产生的噪声会被反射到齿轮箱内的空气和润滑油中，再通过齿轮箱辐射出来。自鸣噪声就是通过传动轴使支座，从而使齿轮箱箱壁的振动传播出去，由此可见，自鸣噪声是闭式齿轮传动的主要来源。

（五）装配的影响

在机械设备装配的过程中，如果不同心就会影响齿轮的运转平衡，另外齿轮半边松半边紧，同样会使噪声加剧。装配时的不平衡会影响整个机械系统运动的精度。装配前，零部件的加工精度及零件的配送方法，也会影响噪声等级。

三、降噪的方法

（一）确保传动系统内部的整洁

对于传动系统而言，保持系统内部的清洁是齿轮正常运转工作的前提。传动系统会被内部存在的任何杂物物质影响，甚至会出现磨损，这也是产生噪声的重要原因。所以为了更好的达到降噪要求，需要对传动系统内部进行全面的清洁。

（二）提高齿轮制造、装配精度

齿轮的制造精度[3]和装配精度会影响齿轮的啮合程度，较高的精度要求能够有效的改进噪声的干扰。如果齿轮装配未达到较高要求，会使它在传动过程中产生较多噪声，所以在装配前需要对齿轮的端面进行洗净，同时选择相同的机床加工左右轮齿轮，这样更有利于确保齿轮的啮合度。

（三）及时润滑和正确使用油品

虽然说润滑油对机械的作用比较大，但是错误的润滑方式和润滑油脂种类也会对传动系统产生影响。选择质量较高的润滑油，同时采用正确的使用方式，这样可以有效及时的使机械得到润滑，确保系统噪声在一定的控制等级内，延缓机械设备的使用寿命。同时需要注意工作时温度的变化，减少产生噪声的机会。

（四）减少共振频率

齿轮的传动系统，机身容易在安装过程中与基础设备间产生共振，形成噪声。齿轮的传统系统会控制齿轮产生共振的速度，降低传动噪声，同时也可以选用高阻尼的制作材料来降低共振的频率。

（五）齿形修护

齿轮的啮合度容易受齿形的误差影响，齿形不能完好的啮合，齿轮的精度也会较低。为了降低噪声的发生率，就需要对齿形的完善下工夫，可以选择修补齿形的辅助品，使齿轮的啮合点集中分布在局部区域内，提高齿轮的啮合精度。通过改善齿形的精度，同时准确的安装，这样会大大提高传动的精度，从而能够降低噪声的干扰

总结

机械运转过程中的齿轮产生噪声的原因有很多，为了找出降低噪声的原因，提出相关的解决方法，本文通过分析了齿轮在运转过程中产生噪声的原理，发现机械运转中齿轮的系统是一个复杂的过程，要想实现降低噪音的目的，需要从多个方面采取措施，它包括齿轮的材料、设计、制造、安装、使用和维护等过程，同时对设计人员、制造人员以及安装维护人员也提出了要求。如果在每一个环节能够达到相应的要求，那么降噪效果会更加明显。

参考文献

[1]王峰，方宗德，李声晋等.人字齿轮系统振动传递分析优化与试验验证[J].机械工程学报，2015，（1）：34-42.

[2]周建星，孙文磊，万晓静等.齿轮减速器振动噪声预估公式定制方法研究[J].振动与冲击，2014，（7）：174-180.