高速重載齒輪用PVD涂層分析與性能評(píng)價(jià).pdf

1、低速重載齒輪傳動(dòng)中，輪齒在節(jié)線附近嚙合時(shí)，相對(duì)滑動(dòng)速度過(guò)低，形成油膜條件差，潤(rùn)滑不良導(dǎo)致摩擦力較大,此時(shí)多處在單齒嚙合區(qū)，受力情況更惡劣，因此，會(huì)在節(jié)線處的齒根面產(chǎn)生疲勞點(diǎn)蝕。高速重載齒輪傳動(dòng)中，當(dāng)滑動(dòng)速度不利于形成流動(dòng)油膜、超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)或潤(rùn)滑劑使用不當(dāng)時(shí)，輪齒接觸面在重載作用下，造成嚙合面間潤(rùn)滑油膜破裂，使滑動(dòng)速度較大的直接接觸的金屬表面產(chǎn)生瞬時(shí)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(duì)滑動(dòng)方向被撕破或起褶，產(chǎn)生齒面

2、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(rùn)滑復(fù)合涂層，以滿足高速重載齒輪傳動(dòng)的需要，可以改善高速重載齒輪傳動(dòng)性能。本文以電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為最終使用對(duì)象，采用結(jié)合齒輪嚙合原理、齒面膠合失效理論、摩擦學(xué)、表面工程學(xué)、傳熱學(xué)以及熱分析技術(shù)和有限元方法，對(duì)高速重載齒輪涂層的傳動(dòng)性能及摩擦磨損機(jī)理進(jìn)行了研究，為將固體潤(rùn)滑涂層應(yīng)用到高速重載齒輪以滿足減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的功能和性能上提出的嚴(yán)格要求而做了系統(tǒng)的理論

3、研究和實(shí)驗(yàn)分析。本文具體的研究工作如下：
　　1)確定齒輪本體溫度場(chǎng)有限元分析的邊界條件及影響參數(shù)，包括對(duì)流換熱系數(shù)、齒面相對(duì)滑動(dòng)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(rùn)滑油特性等參數(shù)。由于前六個(gè)參數(shù)是關(guān)于嚙合位置的函數(shù)，編寫了MATLAB計(jì)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(jí)、8級(jí)、12級(jí)，轉(zhuǎn)速分別為2175r/min、6000r/min條件

4、下，計(jì)算得到了主動(dòng)輪的本體溫度場(chǎng)分布，并分析了其分布特點(diǎn)與主要影響因素。計(jì)算得到了齒輪的閃溫分布，并分析了其分布特點(diǎn)與主要影響因素。
　　2)考慮到齒輪輪齒工作面受力復(fù)雜，結(jié)合齒輪輪齒實(shí)際載荷，用非線性彈簧單元來(lái)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(xué)計(jì)算模型。運(yùn)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(duì)涂層應(yīng)力分布和失效形式的影響。結(jié)合國(guó)內(nèi)外其它學(xué)者所做的實(shí)驗(yàn)研究，分析了涂層表面裂紋產(chǎn)生的主要因素和導(dǎo)

5、致涂層剝落的主要因素。
　　3)根據(jù)齒輪傳動(dòng)裝置中固體潤(rùn)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(guò)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(guò)渡層。參考國(guó)內(nèi)外學(xué)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(duì)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(biāo)選取了非平衡磁控濺射技

6、術(shù)制備DLC、WC/C和TiN固體潤(rùn)滑涂層的重要工藝參數(shù)，分別制訂了詳細(xì)的工藝步驟。為后面的摩擦磨損實(shí)驗(yàn)工件的制備、FZG齒輪膠合實(shí)驗(yàn)工件的制備作實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)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(dòng)裝置中，在軸承鋼球表面加工得到三種固體潤(rùn)滑涂層：TiN、WC/C、DLC。在MRS-1J機(jī)械式四球長(zhǎng)時(shí)抗磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了摩擦磨損試驗(yàn)，在MMW-1P型立式萬(wàn)能四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了承載能力測(cè)試。得到了不同對(duì)摩

7、副的摩擦系數(shù)、磨斑直徑以及最大無(wú)卡咬負(fù)荷PB值、燒結(jié)負(fù)荷PD值。對(duì)基底鋼球、三種涂層的摩擦磨損性能和承載能力進(jìn)行了分析對(duì)比。運(yùn)用光學(xué)顯微鏡(OM)和電子能譜儀(DPS)對(duì)磨斑表面進(jìn)行了微觀分析和能譜分析，并建立了磨損接觸力的數(shù)學(xué)模型，對(duì)涂層摩擦磨損機(jī)理進(jìn)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(jī)理：TiN涂層為涂層氧化剝落，WC/C涂層為疲勞點(diǎn)蝕，DLC涂層為黏著轉(zhuǎn)移