蜗轮抗点蚀能力研究可适用于任意尺寸位置及齿形的接触斑点的蜗轮改进模型

蜗轮抗点蚀能力研究——可适用于任意尺寸、位置及齿形的接触斑点的蜗轮改进模型爱马仕1霍恩2斯塔尔2莫斯3陈金山4(1SEW传动设备德国有限公司，布鲁赫萨尔76646，德国)（2慕尼黑工业大学齿轮研究中心（FZG），慕尼黑85748，德国）(3德国IMO有限公司，格雷姆斯多尔夫91350,德国)（4浙江台玖精密机械有限公司，浙江嘉兴，314500）摘要根据现有的技术发展水平，只有当蜗轮副的齿面完全啮合，才能评估其抗点蚀能力。但实际上，在蜗轮与蜗杆初始啮合时，它们只有一个较小的啮合斑点。由于时间和经费的关系，通过长时间轻载跑合使其达到完全啮合一般不太可能。在初期，由于接触面较小，齿部的接触应力会很大，有可能会在啮合处的表面产生一条微观裂纹，随后裂纹继续发展使材料从蜗轮上剥落，从而形成点蚀。较小的啮合斑点与点蚀的关系迄今还没有被系统的分析与研究，因此蜗轮轮齿也不能很好的进行优化。而我们理论和实践相结合，一种崭新的，可适用于不同尺寸、不同接触斑点位置以及齿形的计算方法便应运而生，以弥补这一空白领域。关键词蜗轮蜗杆点蚀Pittingresistanceofwormgears–Anadvancedmodelforcontactpatternofanysize,positionandflanktypeJ.Hermes1B.-R.Höhn2K.Stahl2A.Monz2ChenJinShan3(1SEW-EURODRIVEGmbH&CoKG,Bruchsal,76646,Germany)(2TechnischeUniversitätMünchen,GearResearchCenter(FZG),85748Garching,Germany)（3IMOGmbH&Co.KG,91350Gremsdorf,Germany）(4EssorPrecisionMachineryCO.,LTD,JiaXing,ZheJiang314500,China)AbstractThepittingresistanceofwormgearscanonlybeappropriated–accordingtothestateoftheart–byacompletelyformedcontactpatternbetweenwormandwormwheel.Butinpracticeusedwormgearsetshaveareducedcontactpatternatthebeginning.Arunning-inprocessbyreducedloadisoftennotpossibleforreasonsoftimeandexpense.ThelocalHertzianstressesinthetoothcontactinthisfirstoperatingphasewithareducedcontactpatternareparticularlyhighandprobablycauseafirstcrackinitiationonthewormwheeltoothsurface.Latertheseareasquarryoutofthetoothsurfaceaspitting.Pittingsincombinationwithareducedcontactpatternhaven'tbeensystematicallyinvestigatedandcannotbeconsideredsofar.Thereforetheteethcannotbeoptimizedtothatfact.Experimentalandtheoreticalanalysisofwormgearsetswithcontactpatternsofdifferentsize,positionandflanktypearethebasefornewcalculationapproachesofthepittingresistanceinordertofillinthisgap.Keywordswormwormwheelpitting1引言大型高负载的钢与青铜蜗轮副中，蜗轮主要的失效形式为齿根断裂和点蚀破坏。一般中心距超过200mm就被认为是大型蜗轮副。青铜蜗轮点蚀破坏后不一定会导致轮齿失效，这和钢与钢或钢与铸铁配合使用的蜗轮副很不一样。而且随着蜗轮表面不断的磨粒磨损，点蚀区域会逐渐减少；但与此同时也会导致蜗轮装置噪音增加，效率降低。因此，能够准确的预测大型、高负载的蜗轮副的点蚀寿命也就至关重要。为了方便装配，一般制造出来的蜗轮是凸面的，形如贝壳，但其接触斑点与完全共轭啮合时的斑点相对比较小，因此，接触斑点的位置在初期能够更容易识别和优化调整。一般情况下，变速箱在刚开始时就呈现出系统的工作状况，而不是在进行跑合之后。大型的蜗轮磨粒磨损很微弱，因此在绝大部分的使用时间里都没有形成完全的接触斑点，蜗轮的点蚀破坏大部分情况都归咎于初始时的接触斑点太小。到目前为止还没有科学的计算蜗轮副的抗点蚀能力的数学方法，寻找一种合理的计算方法就成为未来主要的研究方向。2现状点蚀寿命的计算主要以Rank[1]为基础，其中的计算方法可以参照标准DIN3996[2]，尤其是在一些低磨损强度的大型蜗轮副中，一般要求点蚀安全系数SH＜2.0，推荐采用DIN3996进行计算。Rank采用的是经过长时间轻载跑合的蜗轮副，在前期没有受到任何的损伤，其蜗轮蜗杆齿面的啮合面达到了完全接触。点蚀的原因通常归结于材料承受连续的超过其疲劳极限的交变应力而造成表面材料的剥落。点蚀通常出现在滚动摩擦副中较弱的一方，一般发生在铜蜗轮上。通过不同润滑条件下接触面的应力改变解释了这一过程，蜗轮与蜗杆的局部接触应力并不是恒定的，而是在超过蜗轮所能承受的屈服应力的情况下，在蜗轮齿面不断的磨损以及屈服过程中不断变化的。过载造成破坏的区域也是出现第一个点蚀破坏点的区域现象也能够说明此情况。根据当前蜗轮材料承受滚轧应力，依据点蚀以及磨损的程度分为三个阶段。这些阶段可以用蜗轮的点蚀系数AP10进行描述，它表示当前损坏最严重的轮齿上平均点蚀面积与整个齿面面积的百分比达到10%。在第一阶段，表现为低磨损、无点蚀破坏，蜗轮齿面完好，蜗轮与蜗杆呈部分接触，其接触面积在不断的增加，切削痕迹和齿廓的粗糙度峰值减少，局部接触应力在下降，局部超过材料强度的地方出现裂纹，这些裂纹会导致点蚀，若点蚀系数Ap10=2%，第一阶段结束。第二阶段是点蚀发展的阶段，点蚀的面积几乎是线性增长到最大点蚀系数Ap10max，最大点蚀系数的60%～80%一般是没有问题的，蜗轮副能够稳定运行。当点蚀面积达到最大，磨损开始增加时，进入第三阶段，在这一阶段点蚀区域明显减少，同时磨损在加剧。再经过一段时间的运转后，轮齿出现如磨损极限、轮齿断裂、传动误差超出允许值、振动剧烈、噪音大等情况达到使用寿命极限。RANK分析点蚀寿命的影响因素和它们是如何发展的，并设计出一种基于磨损用于计算上述三个点蚀阶段寿命的计算方法。他肯定了Niemann[3]的观点，即蜗轮点蚀的根本影响因素是轮齿的接触应力，也就是说，不断增加的接触应力导致了蜗轮出现了早期的点蚀破坏。用不同的滑动速度的试验证明：滑动速度对点蚀发生几乎没有影响，在第一阶段也可以忽略，仅仅在点蚀第二阶段，较低的滑动速度会使点蚀速度增加。根据三个点蚀阶段中平均滑动速度和平均接触应力的相关性推导出了近似公式。这里假设完全磨合的蜗轮齿面上的接触应力分布一致。这种方法是基于Predki[4]的研究，他在蜗轮接触应力分布的计算中引入了物理变量p*，假设接触线上的接触应力是恒定的。而与之相反的一个论点来源于Bouche[5]，他在做一个模拟蜗轮副摩擦磨损的试验中发现接触应力不是恒定分布的，他也对比了Bohmer[6]的试验结果，发现接触应力最大值的地方与出现点蚀的地方相同。对于应力分布的计算，Wilkesmann[7]也得到了相似的结果，Octrue[8]和Hermes[9]也用不同的方法得到同样的证明。Rank通过进一步试验，改变蜗轮蜗杆最大接触斑点位置，结果是点蚀从第一次产生到扩展至整个接触面与接触斑点的初始位置有直接关系。通过Lutz[10]、Weisel[11]和Siever[12]的研究使计算不完全接触斑点下的压力分布成为可能，Weisel通过大量的试验，推导出了一个近似计算接触斑点发展、耐磨性以及完全接触斑点下蜗轮副效率的公式。他把Rank计算的点蚀寿命与在实验中获得的点蚀寿命进行比较，发现实验操作中得出的点蚀寿命要比预先估计的短得多。一种基于现有计算方法，并适应于任何规格、接触位置和齿形的，且能提供可靠的预测点蚀寿命和点蚀位置的接触斑点算法至今还不存在。接下来的篇幅中我们将就一种可行方法进行介绍。3测试台操作现在有一种方法可以预测任何规格、接触位置及齿形的蜗轮副点蚀的位置以及点蚀寿命。为了达到这一目的，测试以第一阶段结束为界，并有意识的用不完全接触斑点的蜗轮副进行大量的测试和评估，并与原来的方法进行比较，蜗轮副初始的啮合斑点位置和大小也是采用在工业生产中常规的样式。3.1测试条件在试验中，我们选用ZI和ZC齿形的圆柱蜗杆副，中心距a在100～315之间，传动比在6.6～24.55之间，中心距170mm，180mm，250mm三种规格的在西门子的测试台上进行测试，中心距315mm的在FZG测试台进行测试，用新方法对Rank和Weisel的研究结果对完全接触斑点的有效性验证及重新评估的试验也在FZG试验台上进行。在FZG进行测试的标准齿形依据DIN3996来制造，其啮合斑点较小。点蚀和点蚀发展的进一步研究由Jacek[13]在LMGK的实验台上进行测试，这些也都是用于验证新的计算方法。这些试验方法涵盖了DIN3996中凹廓与凸廓齿形的蜗轮副，并且将中心距扩展到a250mm。蜗杆采用渗碳钢16MnCr5淬硬处理，蜗轮采用CuSn12Ni2-C-GZ进行制造。此种青铜符合传动技术研究的蜗轮研究小组（FVA）的高标准要求，这是用于开发和优化许多研究框架的标准。润滑剂采用粘度等级ISOVG220和460的聚乙二醇。用不同的输入转速和相对比额定扭矩高的输出扭矩进行测试，平均接触应力σHm根据Sievers确定在344～496N/mm2，图1表示的是整个试验的如蜗轮副的负载、齿廓形式等基本参数以及啮合斑点的位置和大小。图1蜗轮副试验参数序号中心距a(mm)速比Z2/Z1齿形输入转速n1(rpm)输出扭矩T2(Nm)平均接触应力δHm(N/mm2)接触斑点110041/2ZI1500860451217033/5ZC15001755344318049/2ZC15002920374425055/2ZC8709000410525055/2ZC8709000496631537/2ZC150015750447731537/2ZC150015750422831541/2ZI150015750420931541/2ZI1500157503953.2测试的评定在测试中输入转速以及输出扭矩是连续运转的，检测也是实时的，并定时对蜗轮齿面拍照存档。定期检测中心距a=315mm的蜗轮磨损情况采用的是增量编码器。对Jacek、Rank、Weisel的评估也是基于以上测试信息和检测数据。初始时部分接触的啮合斑点允许的平均接触应力值采用ZSB[14]程序进行计算，是根据Sievers进行优化修正的。根据以上计算的第一阶段点蚀寿命与DIN3996中基于Predki采用平均接触应力p*参数验证法的结果一致。在蜗轮蜗杆啮合区域的压力分布是根据Weisel编制的SNETRA程序进行计算。此外对于没有完全啮合的蜗轮副中整个啮合区域的最大接触应力则由试验得出。这种仿真测试确定的点蚀位置也可以与实际试验来相对比。4测试结果4.1啮合斑点和磨损的发展初始时蜗轮副的啮合斑点大小和位置是在设计与制造时就确定的。在磨合期间由于被研究的大型中心距下磨损比较小的原因，啮合面积的增长十分缓慢，但与此同时点蚀已经开始了。图2显