新型涂层钢蜗轮副传动机理研究与传动性能评价

作     者：姜宏伟 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：石万凯

授予年度：2008年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：蜗杆传动 钢蜗轮 功能性涂层 摩擦磨损 传动性能试验 

摘      要：在重载蜗杆传动中,蜗轮材料采用铸锡青铜,而蜗杆采用钢材料,组成具有良好减磨特性的啮合副。但青铜蜗轮存在以下几方面的缺点:耗费贵重的有色金属且工艺较复杂,成本高;钢-铜接触副耐磨性差,重载工况下磨损严重,缩短了产品使用寿命;青铜合金的接触、弯曲疲劳强度较低,远远低于合金钢,从而增大了蜗轮传动的模数。针对以上问题,本文在对蜗杆传动全工况啮合分析的基础上,采用表面工程强化技术和齿面改质理论,在钢蜗轮副齿面上生成功能性涂层,并进行了深入系统的理论和试验研究,实现了以钢蜗轮替代青铜蜗轮的目标。论文具体的研究工作如下: ①结合蜗杆副啮合原理和3D实体建模方法,建立了阿基米德蜗杆传动副的三维实体模型;采用弹性接触理论,分别对钢-钢蜗轮副和钢-铜蜗轮副进行接触有限元分析。结果表明啮合副材料的机械特性和力学性能直接影响蜗轮副的传动性能,钢蜗轮副齿面生成的涂层应具备加载可跑合性。 ②运用摩擦磨损理论,建立了蜗轮轮齿接触磨损模型,获得了轮齿齿面的磨损深度分布特征;基于建立的蜗轮轮齿接触磨损模型,分析材料的力学机械性能对蜗轮磨损的影响。研究表明磨损率与配对材料副的磨损系数、较软材料的硬度、等效弹性模量等因素有关。 ③建立蜗轮轮齿本体温度的数学模型,运用有限元方法对蜗轮稳态温度场进行分析,获得了轮齿的温度分布规律。构建了接触副的摩擦系数、热分配系数、导热系数、熔合性与本体温度的关系模型。从理论上论证了钢蜗轮表面减摩涂层的抗胶合能力。 ④在标准试件上制备超微细磷酸锰转化涂层和硫化亚铁固体润滑涂层;在摩擦磨损试验机上对涂层标准试件进行摩擦磨损试验;分析涂层磨面形貌和微观结构,并结合能谱分析的结果研究了涂层的减摩耐磨机理和跑合性能。结果表明两种涂层均具有优良的减摩耐磨性能,且具有加载可跑合性能。 ⑤在设计加工的钢蜗轮副齿面上制备两种不同的涂层:超微细磷酸锰转化涂层及硫化亚铁固体润滑涂层。在蜗杆传动试验台上对涂层钢蜗轮副进行综合性能测试,对比研究其传动性能。试验结果表明:涂层钢蜗轮副较之未涂层钢蜗轮副缩短了跑合时间,具有更高的传动效率和更优良的抗胶合能力。同时,与硫化处理的钢蜗轮副相比,磷酸锰涂层钢蜗轮副的运转更为平稳。