[發(fā)明專利]一種具有多材料組合齒面的耐磨齒輪

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610259986.3
• 申請(qǐng)日: 2016-04-21
• 公開（公告）號(hào): CN105697720A
• 公開（公告）日: 2016-06-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳奇;徐帆;樊浩;張振;高峰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 合肥工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): F16H55/06
• 分類號(hào): F16H55/06;F16H55/17
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責(zé)任公司 34101
• 代理人: 何梅生

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及機(jī)械傳動(dòng)領(lǐng)域，尤其涉及一種具有多材料組合齒面的耐磨齒輪。

背景技術(shù)

齒輪傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)中的最主要的形式，具有不可替代的重要地位，隨著工業(yè)水平的不 斷提高，對(duì)齒輪傳動(dòng)提出的要求也越來越苛刻，為了滿足高性能齒輪承載能力的要求，需要 采用降低齒輪單位面積應(yīng)力和提高輪齒單位面積強(qiáng)度(硬度)兩種途徑提高齒輪的承載能力 和可靠性，其中通過增大齒輪的模數(shù)、增加齒輪厚度來降低齒輪單位面積應(yīng)力的手段增大了 齒輪的體積和重量；采用傳統(tǒng)的表面熱處理方法在提高齒面硬度的同時(shí)往往帶來較大的變形， 或者因?yàn)闈B層厚度和硬度不足以保證齒輪承載要求而導(dǎo)致齒輪在高速、重載條件下出現(xiàn)齒面 失效。因此，通過開發(fā)新型齒輪材料或采用表面改性技術(shù)、降低齒輪的摩擦和磨損，對(duì)于提 高齒輪的承載能力、延長齒輪的壽命、提高齒輪傳動(dòng)效率有重要意義。

陶瓷材料是用天然或合成化合物經(jīng)過成形和高溫?zé)Y(jié)制成的一類無機(jī)非金屬材料。它具 有高熔點(diǎn)、高硬度、高耐磨性、耐氧化等優(yōu)點(diǎn)。大量的研究表明陶瓷材料本身耐熱、對(duì)匹配 的金屬磨損小，用陶瓷材料代替金屬材料作為耐磨零件可以提高摩擦副的壽命。

但是單純的陶瓷存在韌性差、疲勞性能差、脆性高、難以變形和切削加工等缺點(diǎn)使其經(jīng) 不起碰撞與沖擊，在較大的拉應(yīng)力作用下極易形成脆性斷裂，因此難以應(yīng)用于機(jī)械部件中承 受復(fù)雜載荷特別是沖擊載荷的零件，為了改善陶瓷材料的韌性，通過相變?cè)鲰g、微裂紋增韌 等手段提高陶瓷的強(qiáng)韌性，但是增韌處理后的陶瓷韌性也僅為鋼鐵材料的1/10，還是存在較 大的不足，限制了陶瓷在承受摩擦、沖擊等復(fù)雜載荷作用的和重要的機(jī)械傳動(dòng)零件上的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明基于各類材料的性能特性，通過相應(yīng)軟件的分析，設(shè) 計(jì)出一種具有多材料組合齒面的耐磨齒輪，以此來解決相關(guān)的齒輪磨損問題。

本發(fā)明為解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案：

本發(fā)明所提及的一種具有多材料組合齒面的耐磨齒輪，其特點(diǎn)為：所述耐磨齒輪由齒輪 基體和圓形單元體組成；所述齒輪基體為金屬材料，在其齒面上鑲嵌有陶瓷材料的圓形單元 體，且呈均勻布置。

本發(fā)明提及的一種具有多材料組合齒面的耐磨齒輪，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也在于：所述圓形單元 體，其數(shù)目約16～20個(gè)，且呈均勻布置；所述圓形單元體在齒面上投影面積占齒面總面積的 30％～40％，厚度大致為齒厚的1/10。

與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在：

本發(fā)明將陶瓷材料以所述圓形單元體的形式鑲嵌在齒輪基體上，利用了金屬材料抗沖擊 的特性，同時(shí)結(jié)合了陶瓷耐磨損的性能。齒輪的嚙合過程中，雖然有沖擊，但所受的沖擊由 齒面的金屬材料和陶瓷材料同時(shí)承擔(dān)，能保證陶瓷材料在齒輪傳動(dòng)過程中不發(fā)生脆性斷裂， 持續(xù)發(fā)揮其良好的耐磨性能；而在齒輪的磨損過程中，其齒面磨損也由齒面的金屬、陶瓷材 料共同承擔(dān)，故能發(fā)揮陶瓷材料耐磨性好的特點(diǎn)。因此，所述耐磨齒輪不僅具有良好的抗沖 擊性能，而且有較好的耐磨特性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的示意圖；

圖2為本發(fā)明的齒面示意圖；

圖3為所述圓形單元體的結(jié)構(gòu)尺寸圖；

具體實(shí)施方式

參見圖1，所述齒輪基體1主要由抗沖擊性能較好的金屬材料制成，同時(shí)，在其金屬材 料的齒面上鑲嵌有陶瓷材料制成的圓形單元體2；本次實(shí)驗(yàn)測試用的齒輪，金屬材料選取 38CrMoAlA，調(diào)質(zhì)處理，硬度為230HB，7級(jí)精度；所述圓形單元體2的材料選取氮化硅陶 瓷。

齒輪嚙合過程中的沖擊力由齒面的金屬材料38CrMoAlA和氮化硅陶瓷同時(shí)承擔(dān)，能保證 氮化硅陶瓷在齒輪傳動(dòng)過程中不發(fā)生脆性斷裂，持續(xù)發(fā)揮其良好的耐磨性能；而在齒輪的磨 損過程中，其損耗也由齒面的金屬材料38CrMoAlA、氮化硅陶瓷共同承擔(dān)，故能發(fā)揮陶瓷材 料耐磨性好的特點(diǎn)。因此，所述耐磨齒輪不僅具有良好的抗沖擊性能，而且有較好的耐磨特 性。

參見圖1和圖3，所述圓形單元體2，其數(shù)目約16～20個(gè)，且呈均勻布置；所述圓形單元 體2在齒面上投影面積占齒面總面積的30％～40％，圖3中，S₁為所述圓形單元體2厚度，S 為齒厚，所述圓形單元體2厚度大致為齒厚的1/10。

利用UG進(jìn)行齒面形貌的設(shè)計(jì)與繪制，然后利用ANSYS軟件對(duì)所述耐磨齒輪進(jìn)行應(yīng)力 的加載與分析，分析其疲勞性能，瞬態(tài)頻率響應(yīng)，結(jié)果顯示，所述耐磨齒輪在y軸方向形變 量小于普通光滑齒輪，且疲勞應(yīng)力范圍小于光滑齒輪。故所述耐磨齒輪在運(yùn)行過程中，振動(dòng) 和噪聲較普通光滑齒輪小，運(yùn)行狀況也更加平穩(wěn)，有利于減少由輪齒形變而引起的齒面點(diǎn)蝕、 疲勞斷齒等損傷，有效地改善了齒輪的動(dòng)力學(xué)性能。