Lesson 12直齿圆柱齿轮

　　齿轮，是带齿的零件，从一根轴到另一根传递旋转运动，它是在人类历史中最古老的设备和发明。大约公元前2600年，中国人使用一系列的齿轮和战车做成一体已经被世人所知道。在公元前第4世纪，亚里斯多德记述了齿轮，那时候似乎齿轮是很普通的。在公元第5世纪，达芬奇设计了大量的设备和各种齿轮合成一体。

　　在机械动力（主要包括齿轮传动、带传动和链传动）的各种传递方式中，齿轮一般是最牢固和持久耐用的。它们的动力传递效率能达到98%。另一方面，齿轮的费用比链传动和带传动的费用要多。可以预料，齿轮制造的成本随着精度的提高将会快速增加，精度指高速、重载和低噪音的组合要求。（对于各种加工精度等级而言，标准公差必须由AGAM，美国齿轮制造协会来制定。）

　　直齿圆柱齿轮在齿轮类型中是最简单和使用最广泛的一种。它们被用来在平行轴之间传递运动，它们的齿与轴线平行。

　　齿形几何学的最基本要求是提供齿形的角速率，这个速率是一个常数。例如，角速率在20齿和40齿（例如，不是1.99个齿形作为给定的一对齿轮来啮合，也不的齿轮必须在每个位置精确到2个齿形啮合。

　　是2.01个齿形，那样已经已经超出了啮合范围）。当然，制造误差和齿形变形将引起速率的轻微偏差；但是可接受的齿形是以理论曲线为基础的，这样可以满足标准的要求。

　　当齿轮啮合时，会同时产生滚动和滑动，引起点蚀和磨损。点蚀是由滚动接触造成的，而磨损是由滑动接触造成的。当接触应力很高的时候，最初的时候会产生点蚀；通过滑动能加速点蚀。虽然滑动引起磨损，也能产生流体力学的作用抵消磨损。这个相对的运动能充分提供流体力学所必须的环境条件，这个作用非常微小，也就是在表面之间有窄的，楔形的间隙，有相关运动。每次，齿轮发生啮合的同时，发生齿轮的滚动和滑动，表面和次表面的材料受压应力、剪应力和拉应力的作用。结果是使表面以麻点和金属腐蚀的形式减缓破坏。清楚地，这些现象通常被描述为单独存在，但是在实际中并不是这样的。两种或多种作用可以同时发生。实际上，一种作用会促进另一种作用。结果是牙型表面变粗糙，改变牙型轮廓，和丧失共轭物运动。当工作性能不是很令人满意的时候，失效肯定发生了，因为噪音，振动或者过热。

　　在齿轮节线首先发生点蚀，在那些不存在滑落因素的地方，早期的故障由于缺少油膜的保护。引起表面疲劳的过多的接触应力，是产生点蚀的最真正的原因。这是由于（1）狭窄的齿宽，（2）渐开线表面半径太小，而且（3）频繁过载。任意表面的半径越小，接触带越狭窄，单位应力越大。在那些经常有大量重复应力的地方，就发生表面失效。微小的裂纹在表面和表面以下生成，然后扩展并连接到一起。最后，金属的咬合被分开和挤掉，剩下点蚀。

　　最不昂贵的齿轮的材料通常是一般的铸铁，从ASTM（或AGMA）等级20，等级30、40、50和60，逐渐具有越来越高的强度和越来越昂贵。典型的铸铁齿轮拥有比弯曲疲劳强度更好的表面疲劳强度。铸铁齿轮内部的阻尼使它们比钢制齿轮的传声小。球墨铸铁齿轮实际上拥有更好的弯曲强度，和较好的表面耐用性。一种好的组合通常是钢制小齿轮和铸铁大齿轮啮合。

　　没有经过热处理的钢制齿轮相对便宜，但是具有较低的表面耐久能力。热处理钢制齿轮必须抗扭曲；所以，通常更倾向于合金钢和油淬火材料的齿轮。当硬度超过250~350Bhn时，通常在淬火前完成切削加工。如果在热处理后形成表面，那么，通过磨削，能得到更好的轮廓精度。但是如果完成了磨削，必须要注意避免在表面上形成残余拉应力。

　　在有色金属里，青铜是最常见用于制造齿轮的材料。非金属齿轮（尼龙和其他塑料）通常噪声小，持久耐用的，合理价格，而且经常在没有润滑剂的轻载下工作。它们的牙形比那些相应的金属齿轮更容易变形。这样，在发生接触的时候，促进有效载荷分布在齿形上。因为非金属材料具有较低的热导率，所以需要提供特定的冷却液。而且，这些材料具有相对高的热膨胀系数，这需要在安装时比金属齿轮具有更大的啮合间隙。

　　非金属齿轮通常和铸铁或钢制小齿轮啮合。如果有最好的抗磨损能力，啮合的小齿轮的硬度至少在300Bhn。对于由塑料做成的齿轮的设计过程，和用金属制的齿轮设计过程非常相似，但是还不具备更高的可靠性。所以，对塑料齿轮，原型测试比金属齿轮更重要。

Lesson 13 材料的物理特性

　　在选择材料最重要考虑的问题之一是材料的物理性质（那就是密度，熔点，比热，导热率，热膨胀率和耐蚀性）。物理性质在零件的制造和工作寿命中，有几个重要的影响。例如，高速机床需要采用重量轻的部件以减少惯性力，使机床不会产生过大的振动。

　　1.密度

　　材料的密度是每单位体积里的质量。另一个关系，比重，表达材料的密度与水的关系，所以，它没有单位。对于自动的物体和部件，节省重量是很重要的，尤其在飞机和航空航天设备中，对于其他的产品，在能量消耗和动力有限的地方更受到极大的关注。在合计先进的设备与机器和设计诸如汽车等消费品的过程中，采用新的替代材料来减轻重量和降低成本是一个应该着重考虑的问题。

　　2.熔点

　　金属的熔点取决于分离原子所需要的能量。合金熔点的温度有一个很宽的范围（取决于合金的组成），而不像纯金属那样，有一个固定的熔点。设计组成要素和结构在功能内的温度范围是在选择材料中一个很重要考虑的因素。

　　金属的熔点在制造过程中产生一个间接的影响。因为金属再结晶的温度涉及到它的熔点，例如退火、热处理和热加工要求所含材料的熔点知识。

　　3.比热

　　材料的比热是要求一个单位质量的温度升高一度所需要的能量。合金组成在材料的比热上产生相对较小的影响。在机械加工过程中，工件温度的提升是所做的功和工件材料比热的函数。如果工件温度提升过多，通过降低表面粗糙度和尺寸精度的不利影响来降低产品的质量，能引起过多的刀具磨损，也能导致在材料上发生不想要的冶金学变化。

　　4.热导率

　　热导率表明在材料内部传递热量的速率。金属一般具有较高的热导率，而陶瓷和塑料具有较差的热导率。

　　当热量由塑性变形或者由于摩擦产生的时候，热量以足够高的速率被传递走，防止温度剧烈升高。例如，加工钛的主要的困难，由它的较低的热导率引起的。较低的热导率可以产生高的温度梯度，因此，在金属加工过程中会引起工件的不均匀变形。

　　5. 热膨胀

　　材料的热膨胀具有几种显著的影响，尤其是在装配具有不同的膨胀和压缩性质的不同材料，例如电子和计算机元件，玻璃-金属密封，和在机床上移动的工件，对于合理的功能都要求具有某些间隙。例如，陶瓷元件在铸铁引擎的使用中也要求考虑到它们相对的膨胀性。

　　收缩配合利用热涨和压缩的作用。例如，一个零件，比如是法兰，要安装到轴上。法兰首先加热，然后滑动安装到为室温的轴上。当冷却的时候，零件收缩，就把零件装配成一个整体的部件。

　　6.抗腐蚀

　　金属、陶瓷和塑料都受到腐蚀的作用。腐蚀本身通常涉及到金属和陶瓷的变形，然而类似的情况在塑料中通常称为降解。腐蚀不但引起零件和设备表面劣化，而且还降低它们的强度和结构完整性。

　　对于在化学、食品和石油工业，也包括制造业，抗腐蚀性在材料选择上是一个很重要的方面。此外，各种可能的化学反应，从当前的组成或者复合物，零件和设备的环境腐蚀，是一个主要关注的方面，尤其在温度提升上。环境（氧、潮湿、抗腐蚀取决于材料的构成和特定的环境。腐蚀的介质可能是化学品（酸、碱和盐、污染和酸雨）和水（清水或盐水）。有色金属，不锈钢和非金属材料都具有较高的抗腐蚀性。钢和铸铁通常具有较差的抗腐蚀性，必须通过各种涂层或者表面处理来保护钢和铸铁。牢固的某些等级的氧化物的有用性表明铝、钛和不锈钢的抗腐蚀性。铝形成一个薄的（一些原子层）和粘附着氧化铝层，它具有较好的保护表面免受环境的腐蚀作用。钛形成氧化钛保护膜。相似的现象发生在不锈钢上，它在表面形成一层保护膜（因为现在的不锈钢中含有铬）。当保护膜刮破，保护膜下面的金属显露出来的时候，一层新的氧化膜就形成了。