發(fā)布時間：2017-11-05 12:08

  本文關(guān)鍵詞：高速重載齒輪用PVD涂層分析與性能評價

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【摘要】：低速重載齒輪傳動中，輪齒在節(jié)線附近嚙合時，，相對滑動速度過低，形成油膜條件差，潤滑不良導致摩擦力較大,此時多處在單齒嚙合區(qū)，受力情況更惡劣，因此，會在節(jié)線處的齒根面產(chǎn)生疲勞點蝕。高速重載齒輪傳動中，當滑動速度不利于形成流動油膜、超負荷運轉(zhuǎn)或潤滑劑使用不當時，輪齒接觸面在重載作用下，造成嚙合面間潤滑油膜破裂，使滑動速度較大的直接接觸的金屬表面產(chǎn)生瞬時高溫而粘焊在一起，引起較軟齒面上的部分接觸面材料沿嚙合齒面相對滑動方向被撕破或起褶，產(chǎn)生齒面膠合失效。 在高速重載齒輪齒面上生成具有良好減摩性和抗膠合性的固體潤滑復合涂層，以滿足高速重載齒輪傳動的需要，可以改善高速重載齒輪傳動性能。本文以電動推進系統(tǒng)減速傳動機構(gòu)為最終使用對象，采用結(jié)合齒輪嚙合原理、齒面膠合失效理論、摩擦學、表面工程學、傳熱學以及熱分析技術(shù)和有限元方法，對高速重載齒輪涂層的傳動性能及摩擦磨損機理進行了研究，為將固體潤滑涂層應(yīng)用到高速重載齒輪以滿足減速傳動機構(gòu)的功能和性能上提出的嚴格要求而做了系統(tǒng)的理論研究和實驗分析。本文具體的研究工作如下： 1)確定齒輪本體溫度場有限元分析的邊界條件及影響參數(shù)，包括對流換熱系數(shù)、齒面相對滑動速度、齒面接觸壓力、齒面摩擦系數(shù)、齒面摩擦熱流量、熱分配系數(shù)、齒輪材料屬性和潤滑油特性等參數(shù)。由于前六個參數(shù)是關(guān)于嚙合位置的函數(shù)，編寫了MATLAB計算程序，最終得到有限元加載函數(shù)及相關(guān)邊界條件。在環(huán)境溫度為40℃，載荷分別為FZG6級、8級、12級，轉(zhuǎn)速分別為2175r/min、6000r/min條件下，計算得到了主動輪的本體溫度場分布，并分析了其分布特點與主要影響因素。計算得到了齒輪的閃溫分布，并分析了其分布特點與主要影響因素。 2)考慮到齒輪輪齒工作面受力復雜，結(jié)合齒輪輪齒實際載荷，用非線性彈簧單元來模擬涂層-基體結(jié)構(gòu)的界面結(jié)合層，建立了齒輪涂層接觸力學計算模型。運用數(shù)值分析方法研究了PVD涂層類型、涂層厚度、載荷大小對涂層應(yīng)力分布和失效形式的影響。結(jié)合國內(nèi)外其它學者所做的實驗研究，分析了涂層表面裂紋產(chǎn)生的主要因素和導致涂層剝落的主要因素。 3)根據(jù)齒輪傳動裝置中固體潤滑涂層制備工藝及使用工況的特殊性，選擇了合適的齒輪材料、相應(yīng)的熱處理工藝及合適的表面狀態(tài)。為了提高膜基結(jié)合力，減少在制備過程中產(chǎn)生的熱殘余應(yīng)力，選取工業(yè)純Ti作為基體與涂層之間的過渡層。參考國內(nèi)外學者關(guān)于PVD涂層制備所做的研究成果，綜合考慮不同工藝參數(shù)對涂層的摩擦系數(shù)、臨界劃痕載荷、納米硬度、彈性模量和摩擦磨損率等因素的影響，以涂層摩擦磨損率最小為目標選取了非平衡磁控濺射技術(shù)制備DLC、WC/C和TiN固體潤滑涂層的重要工藝參數(shù)，分別制訂了詳細的工藝步驟。為后面的摩擦磨損實驗工件的制備、FZG齒輪膠合實驗工件的制備作實驗準備。 4)為了將物理氣相沉積(PVD)涂層應(yīng)用到高速重載齒輪傳動裝置中，在軸承鋼球表面加工得到三種固體潤滑涂層：TiN、WC/C、DLC。在MRS-1J機械式四球長時抗磨損試驗機上進行了摩擦磨損試驗，在MMW-1P型立式萬能四球摩擦磨損試驗機上進行了承載能力測試。得到了不同對摩副的摩擦系數(shù)、磨斑直徑以及最大無卡咬負荷P_B值、燒結(jié)負荷PD值。對基底鋼球、三種涂層的摩擦磨損性能和承載能力進行了分析對比。運用光學顯微鏡(OM)和電子能譜儀(DPS)對磨斑表面進行了微觀分析和能譜分析，并建立了磨損接觸力的數(shù)學模型，對涂層摩擦磨損機理進行了分析。結(jié)果表明，WC/C與DLC涂層表現(xiàn)出優(yōu)異的摩擦磨損性能和跑合性能、較高的承載能力；重載條件下涂層磨損機理：TiN涂層為涂層氧化剝落，WC/C涂層為疲勞點蝕，DLC涂層為黏著轉(zhuǎn)移。
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：TG174.4;TH132.41

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