高速重载齿轮用PVD涂层分析与性能评价
本文关键词：高速重载齿轮用PVD涂层分析与性能评价
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【摘要】：低速重载齿轮传动中，轮齿在节线附近啮合时，，相对滑动速度过低，形成油膜条件差，润滑不良导致摩擦力较大,此时多处在单齿啮合区，受力情况更恶劣，因此，会在节线处的齿根面产生疲劳点蚀。高速重载齿轮传动中，当滑动速度不利于形成流动油膜、超负荷运转或润滑剂使用不当时，轮齿接触面在重载作用下，造成啮合面间润滑油膜破裂，使滑动速度较大的直接接触的金属表面产生瞬时高温而粘焊在一起，引起较软齿面上的部分接触面材料沿啮合齿面相对滑动方向被撕破或起褶，产生齿面胶合失效。 在高速重载齿轮齿面上生成具有良好减摩性和抗胶合性的固体润滑复合涂层，以满足高速重载齿轮传动的需要，可以改善高速重载齿轮传动性能。本文以电动推进系统减速传动机构为最终使用对象，采用结合齿轮啮合原理、齿面胶合失效理论、摩擦学、表面工程学、传热学以及热分析技术和有限元方法，对高速重载齿轮涂层的传动性能及摩擦磨损机理进行了研究，为将固体润滑涂层应用到高速重载齿轮以满足减速传动机构的功能和性能上提出的严格要求而做了系统的理论研究和实验分析。本文具体的研究工作如下： 1)确定齿轮本体温度场有限元分析的边界条件及影响参数，包括对流换热系数、齿面相对滑动速度、齿面接触压力、齿面摩擦系数、齿面摩擦热流量、热分配系数、齿轮材料属性和润滑油特性等参数。由于前六个参数是关于啮合位置的函数，编写了MATLAB计算程序，最终得到有限元加载函数及相关边界条件。在环境温度为40℃，载荷分别为FZG6级、8级、12级，转速分别为2175r/min、6000r/min条件下，计算得到了主动轮的本体温度场分布，并分析了其分布特点与主要影响因素。计算得到了齿轮的闪温分布，并分析了其分布特点与主要影响因素。 2)考虑到齿轮轮齿工作面受力复杂，结合齿轮轮齿实际载荷，用非线性弹簧单元来模拟涂层-基体结构的界面结合层，建立了齿轮涂层接触力学计算模型。运用数值分析方法研究了PVD涂层类型、涂层厚度、载荷大小对涂层应力分布和失效形式的影响。结合国内外其它学者所做的实验研究，分析了涂层表面裂纹产生的主要因素和导致涂层剥落的主要因素。 3)根据齿轮传动装置中固体润滑涂层制备工艺及使用工况的特殊性，选择了合适的齿轮材料、相应的热处理工艺及合适的表面状态。为了提高膜基结合力，减少在制备过程中产生的热残余应力，选取工业纯Ti作为基体与涂层之间的过渡层。参考国内外学者关于PVD涂层制备所做的研究成果，综合考虑不同工艺参数对涂层的摩擦系数、临界划痕载荷、纳米硬度、弹性模量和摩擦磨损率等因素的影响，以涂层摩擦磨损率最小为目标选取了非平衡磁控溅射技术制备DLC、WC/C和TiN固体润滑涂层的重要工艺参数，分别制订了详细的工艺步骤。为后面的摩擦磨损实验工件的制备、FZG齿轮胶合实验工件的制备作实验准备。 4)为了将物理气相沉积(PVD)涂层应用到高速重载齿轮传动装置中，在轴承钢球表面加工得到三种固体润滑涂层：TiN、WC/C、DLC。在MRS-1J机械式四球长时抗磨损试验机上进行了摩擦磨损试验，在MMW-1P型立式万能四球摩擦磨损试验机上进行了承载能力测试。得到了不同对摩副的摩擦系数、磨斑直径以及最大无卡咬负荷P_B值、烧结负荷PD值。对基底钢球、三种涂层的摩擦磨损性能和承载能力进行了分析对比。运用光学显微镜(OM)和电子能谱仪(DPS)对磨斑表面进行了微观分析和能谱分析，并建立了磨损接触力的数学模型，对涂层摩擦磨损机理进行了分析。结果表明，WC/C与DLC涂层表现出优异的摩擦磨损性能和跑合性能、较高的承载能力；重载条件下涂层磨损机理：TiN涂层为涂层氧化剥落，WC/C涂层为疲劳点蚀，DLC涂层为黏着转移。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TG174.4;TH132.41
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