[发明专利]一种具有多材料组合齿面的耐磨齿轮

说明书

技术领域

本发明涉及机械传动领域，尤其涉及一种具有多材料组合齿面的耐磨齿轮。

背景技术

齿轮传动是机械传动中的最主要的形式，具有不可替代的重要地位，随着工业水平的不 断提高，对齿轮传动提出的要求也越来越苛刻，为了满足高性能齿轮承载能力的要求，需要 采用降低齿轮单位面积应力和提高轮齿单位面积强度(硬度)两种途径提高齿轮的承载能力 和可靠性，其中通过增大齿轮的模数、增加齿轮厚度来降低齿轮单位面积应力的手段增大了 齿轮的体积和重量；采用传统的表面热处理方法在提高齿面硬度的同时往往带来较大的变形， 或者因为渗层厚度和硬度不足以保证齿轮承载要求而导致齿轮在高速、重载条件下出现齿面 失效。因此，通过开发新型齿轮材料或采用表面改性技术、降低齿轮的摩擦和磨损，对于提 高齿轮的承载能力、延长齿轮的寿命、提高齿轮传动效率有重要意义。

陶瓷材料是用天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料。它具 有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点。大量的研究表明陶瓷材料本身耐热、对匹配 的金属磨损小，用陶瓷材料代替金属材料作为耐磨零件可以提高摩擦副的寿命。

但是单纯的陶瓷存在韧性差、疲劳性能差、脆性高、难以变形和切削加工等缺点使其经 不起碰撞与冲击，在较大的拉应力作用下极易形成脆性断裂，因此难以应用于机械部件中承 受复杂载荷特别是冲击载荷的零件，为了改善陶瓷材料的韧性，通过相变增韧、微裂纹增韧 等手段提高陶瓷的强韧性，但是增韧处理后的陶瓷韧性也仅为钢铁材料的1/10，还是存在较 大的不足，限制了陶瓷在承受摩擦、冲击等复杂载荷作用的和重要的机械传动零件上的应用。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明基于各类材料的性能特性，通过相应软件的分析，设 计出一种具有多材料组合齿面的耐磨齿轮，以此来解决相关的齿轮磨损问题。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明所提及的一种具有多材料组合齿面的耐磨齿轮，其特点为：所述耐磨齿轮由齿轮 基体和圆形单元体组成；所述齿轮基体为金属材料，在其齿面上镶嵌有陶瓷材料的圆形单元 体，且呈均匀布置。

本发明提及的一种具有多材料组合齿面的耐磨齿轮，其结构特点也在于：所述圆形单元 体，其数目约16～20个，且呈均匀布置；所述圆形单元体在齿面上投影面积占齿面总面积的 30％～40％，厚度大致为齿厚的1/10。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

本发明将陶瓷材料以所述圆形单元体的形式镶嵌在齿轮基体上，利用了金属材料抗冲击 的特性，同时结合了陶瓷耐磨损的性能。齿轮的啮合过程中，虽然有冲击，但所受的冲击由 齿面的金属材料和陶瓷材料同时承担，能保证陶瓷材料在齿轮传动过程中不发生脆性断裂， 持续发挥其良好的耐磨性能；而在齿轮的磨损过程中，其齿面磨损也由齿面的金属、陶瓷材 料共同承担，故能发挥陶瓷材料耐磨性好的特点。因此，所述耐磨齿轮不仅具有良好的抗冲 击性能，而且有较好的耐磨特性。

附图说明

图1为本发明的示意图；

图2为本发明的齿面示意图；

图3为所述圆形单元体的结构尺寸图；

具体实施方式

参见图1，所述齿轮基体1主要由抗冲击性能较好的金属材料制成，同时，在其金属材 料的齿面上镶嵌有陶瓷材料制成的圆形单元体2；本次实验测试用的齿轮，金属材料选取 38CrMoAlA，调质处理，硬度为230HB，7级精度；所述圆形单元体2的材料选取氮化硅陶 瓷。

齿轮啮合过程中的冲击力由齿面的金属材料38CrMoAlA和氮化硅陶瓷同时承担，能保证 氮化硅陶瓷在齿轮传动过程中不发生脆性断裂，持续发挥其良好的耐磨性能；而在齿轮的磨 损过程中，其损耗也由齿面的金属材料38CrMoAlA、氮化硅陶瓷共同承担，故能发挥陶瓷材 料耐磨性好的特点。因此，所述耐磨齿轮不仅具有良好的抗冲击性能，而且有较好的耐磨特 性。

参见图1和图3，所述圆形单元体2，其数目约16～20个，且呈均匀布置；所述圆形单元 体2在齿面上投影面积占齿面总面积的30％～40％，图3中，S₁为所述圆形单元体2厚度，S 为齿厚，所述圆形单元体2厚度大致为齿厚的1/10。

利用UG进行齿面形貌的设计与绘制，然后利用ANSYS软件对所述耐磨齿轮进行应力 的加载与分析，分析其疲劳性能，瞬态频率响应，结果显示，所述耐磨齿轮在y轴方向形变 量小于普通光滑齿轮，且疲劳应力范围小于光滑齿轮。故所述耐磨齿轮在运行过程中，振动 和噪声较普通光滑齿轮小，运行状况也更加平稳，有利于减少由轮齿形变而引起的齿面点蚀、 疲劳断齿等损伤，有效地改善了齿轮的动力学性能。