論文導讀：粉末冶金制品的形狀千差萬別，只有易于用粉末冶金方法壓制，才能充分發揮粉末冶金技術的優勢和保證產品的質量要求。本文針對高性能鐵基粉末冶金材料的工程化應用問題，開展了電動工具粉末冶金螺旋傘齒的結構設計和性能研究。
關鍵詞：高強度，鐵基粉末冶金材料，應用

　　在模具設計前，必須進行粉末冶金制品的形狀設計。制品壓坯的形狀設計是保證產品使用要求的情況下，從壓制過程(裝粉、壓制、脫模)、模具壽命、壓坯質量等方面來考慮，并對制品圖線形狀作適當的修正。本文是將電動工具中原有的鋼制齒輪(材料為40Cr)用粉末冶金材料代替，并針對以下內容進行了二次設計：(1) 在原有鋼制齒輪齒形的基礎上對粉末冶金齒輪的齒形齒廓進行二次設計；(2) 對實際嚙合的粉末冶金燒結齒輪的尺寸修正；(3) 粉末冶金齒輪齒面接觸強度和齒根彎曲強度的理論校核。
　　1.齒形齒廓的選擇和計算
　　選擇齒輪材料應考慮如下要求：齒面應有足夠的硬度，保證齒面抗點蝕、抗磨損、抗咬合和抗塑性變形的能力；輪齒芯部應有足夠的強度和韌性，保證齒根抗彎曲能力。此外，還應具有良好的機械加工、熱處理工藝性和經濟性等要求。在齒輪傳動機構的研究、設計和生產中，一般要滿足以下兩個基本要求：
　　1.傳動平穩—在傳動中保持瞬時傳動比不變，沖擊、振動和噪音盡量小。
　　2.承載能力大—在尺寸小、重量輕的前提下，要求輪齒的強度高、耐磨性好及壽命長。
　　由于螺旋錐齒輪與直齒錐齒輪相比，在使用上有如下優點：
　　1）增大了重迭系數。由于弧齒錐齒輪的齒線是曲線，在傳動過程中至少有兩個或兩個以上的齒同時接觸，重迭交替接觸結果，減少了沖擊，使傳動平穩，降低了噪音；
　　2）由于螺旋角的關系，重迭系數增大，因而負荷比壓降低，磨損較均勻，相應的增大了齒輪的負荷能力，增長了使用壽命；
　　3）可以實現大的傳動比，小輪的齒數可以少至五齒；
　　4）可以調整刀盤半徑，利用齒線曲率修正接觸區；
　　5）可以進行齒面的研磨，以降低噪音、改善接觸區和提高齒面光潔度；
　　6）在傳動中產生的軸向推力較大，所以對軸承要求較高，在傳動機構中需選用適當的軸承。
　　由于上述特點，所以螺旋齒錐齒輪常用于圓周速度較高，傳動平穩和噪音較小的傳動中。
　　通過和直齒錐齒輪的比較，本設計采用螺旋錐齒輪。計算采用的是等高齒錐齒輪，即從齒的大端到齒的小端齒高是一樣的，這種齒輪的面角、根角和節角均相等。這樣設計不僅減少了大部分的計算，而且對于模具的設計和壓制來說更為有利。螺旋錐齒輪齒形參數直接影響齒輪的承載能力、輪齒剛度和傳動的動態特性，各參數相互影響、相互制約，其選擇的原則是：由各參數確定的齒形，應保證輪齒有較高的彎曲強度和接觸強度，最好符合等強度的設計原則。輪齒在嚙合時，要求傳動平穩，無齒形干涉現象。齒形形狀要力求簡單以便于制造。
　　1.主、從動錐齒輪傘齒輪齒數的選擇在選擇齒數時，應盡量使相嚙合的齒輪的齒數之間沒有公約數，以便使齒輪在使用過程中各齒之間都能互相嚙合，起到自動磨合的作用。同時，為了得到理想的齒面重疊系數，大小齒輪的齒數和應不小于40。
　　2.齒面寬F 的選擇對于等高齒錐齒輪來說：在“奧利康”制等高齒錐齒輪上，由于其延伸外擺線的曲率變化比弧齒錐齒輪的圓弧齒線大，因此，齒面寬不宜過大。一般可取F=(0.25 ~ 0.30)A0，A0 為節錐距。
　　3.螺旋角β 的選擇汽車主減速器錐齒輪的螺旋角多在βm=35~40°范圍內。為了保證有較大的mF 使運轉平穩、噪音低。依據經驗選βm2=36°。
　　4.法向壓力角α 的選擇大壓力角可以增加輪齒強度，減少齒輪不產生根切的最少齒數，但對于尺寸小的齒輪，大壓力角使齒頂變尖及刀尖寬度過小，所以在輕負荷工作的齒輪中一般采用小壓力角，可使齒輪運轉平穩，噪音低。對于本設計中的“奧”制齒輪采用的齒面平均壓力角α=17.5°。論文參考網。
　　5.齒頂高系數及頂隙系數齒頂高系數取ha*=1；頂隙系數C*=0.25。
　　2.實際嚙合的粉末冶金燒結齒輪齒形的修正及校核
　　壓坯密度對于提高和穩定燒結制品的強度與尺寸精度十分重要。為使壓坯密度均勻，順利脫模，結合齒輪設計的特點，對齒形以下幾部分進行了改進：
　　a.為了增高齒的強度和降低噪聲，同時考慮到實際當中齒形模沖加工的特點，對齒輪的齒頂和齒根的齒形進行了修正。
　　b.一般壓制成形都是沿著壓坯的軸向進行的。而制品中徑向(橫向)的孔、槽、健、螺紋和倒錐，通常是不能壓制成形的，需要在燒結后用切削加工來完成的。論文參考網。但本齒輪的鍵槽是軸向的，并不影響壓坯的脫模。
　　c.從節省原料和不影響安裝的角度考慮，把原來的三個定位凹坑改成花鍵式，而且不影響脫模，且能節省原材料。
　　 通過對改進后的齒形進行載荷計算和齒面接觸強度的理論校核，結果說明所設計的齒形參數能夠滿足服役要求。
　　3.齒輪模擬臺架試驗
　　將上述材料的大齒輪，分別在100℃、200℃和250℃回火，硬度分別為HRC43~45、HRC38~40、HRC30~32；之后裝機進行實驗，對磨件為40Cr鋼，硬度HRC48。臺架試驗記錄結果：
　　第一套齒輪(硬度HRC43~45)：經裝機試驗當試驗到1.5h時，出現聲音異常，拆機檢查，小齒輪打崩二個齒，但大齒輪完好；換上鋼制的小齒輪，淬火硬度HRC42~43，經測試10h，機器正常，拆機檢查，磨損正常，即進行第二個項目測試 (空載實驗) 55h，拆機檢查，一切磨損正常，(其中換了一個轉子，碳刷3副)；之后進行模擬實驗，運轉到10.5h時，機器冒煙，燒機，停止測試，拆機檢查發現，前軸承爆裂，定轉子燒毀，大齒輪打崩一個齒，小齒輪磨損比大齒輪嚴重。經分析原因：大齒輪打崩是因為前軸承爆裂，而造成轉子亂跳而產生的，是意外發生的現象，并非齒輪強度問題所造成的，所以其材料可以繼續試驗。
　　　　第二套齒輪(大齒輪硬度HRC38，小齒輪HRC42(材料 40Cr)：進行模擬試驗運轉16h時轉子燒毀，拆機檢查，齒輪磨損正常，換轉子繼續進行，運轉26.5h時電機燒毀拆機檢查，齒輪磨損正常。換電機繼續進行，運轉7.5h時電機燒毀拆機檢查，齒輪磨損正常。再換電機繼續進行運轉12h時電機燒毀拆機檢查，齒輪磨損正常。換電機繼續進行，運轉17h時電機燒毀，拆機檢查，齒輪磨損正常。論文參考網。再換電機繼續進行，運轉15h電機燒毀，拆機檢查，齒輪磨損正常。停止試驗。
　　第三套齒輪(硬度HRC30~32，小齒輪HRC35，大小齒輪均為粉末冶金材料)：經裝機試驗，通過工況測試，磨損正常；第二個項目測試 (空載實驗) 30h時，大齒輪小齒輪磨損嚴重，停止測試。結論：硬度太低而造成磨損。在本測試條件下，滲碳燒結齒輪材料耐磨性優于意大利和40Cr材料；在本測試條件下，改進后齒形傳動平穩，降低噪音；由此可以認為，本課題研制的新材料和完成的齒輪齒形設計能滿足電動工具的使用要求。

【參考文獻】
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