《齿轮传动的润滑》PPT课件.ppt

2008年全国齿轮传动润滑技术培训及研讨会资料 齿轮传动的润滑郑州大学吴晓铃齿轮行业生产力促进中心全国齿轮行业技术情报总网二OO八年六月 齿轮传动的润滑 一 概述运动副之中存在摩擦 从有齿轮传动的时候起 古人就知道用动物脂肪来解决这个问题 但是在一个相当长的历史时期 摩擦 磨损和润滑的问题还没有系统化 科学化 人们在设计齿轮传动的时候 往往不考虑润滑油 而是在使用齿轮的时候才从维护设备的角度出发 选择润滑剂来润滑齿轮 因此 这种选油带有很大的盲目性 选错油 用错油的例子屡见不鲜 一直到了20世纪60年代 摩擦 磨损和润滑归纳 提升成为一门新兴的学科 摩擦学 从摩擦学的观点来看 润滑剂也是一种零件 相对于一般机械零件来说 它是柔性的 因此 进行齿轮传动设计的时候 就应该包括对齿轮润滑剂的设计 这是一种新的观点 是齿轮传动设计的创新 随着齿轮装置朝着大功率 高性能 小体积的方向发展 导致齿面负荷增大 散热空间减小 为了使齿轮装置达到预期的设计性能 延长寿命 齿轮的润滑就显得更加重要 润滑剂不但能降低摩擦 提高传动效率 还具有减振 降噪 散热的作用 润滑油是齿轮传动装置的血液 因此 如何进行润滑设计 怎样正确合理地选用润滑剂是本章的主要内容 1 1齿轮润滑的特点及润滑剂的作用1 1 1齿轮润滑的特点一对齿轮的运动是通过一对一对的齿面啮合运动来完成的 一对啮合齿面的相对运动又包含滚动和滑动 对于传递动力的齿轮 要研究齿轮的受力和变形 需要应用力学知识 齿轮两齿面之间有润滑油 又涉及流体力学的知识 如果研究润滑剂与齿轮表面相互作用生成的表面膜 需要物理 化学方面知识 因此 在有润滑剂的条件下 要真实全面的反映齿轮传动的运动学和动力学问题都必须考虑润滑剂的存在 计入润滑剂的齿轮设计 是更加全面和完善的齿轮设计 进行齿轮润滑设计 要把握以下特点 润滑剂是齿轮传动的一个元件 因此 润滑油的物理 化学性质 例如黏度 压黏系数 黏温特性 添加剂的作用等都十分重要 齿轮传动中同时存在着滚动和滑动 滚动量和滑动量的大小因啮合位置而异 这就表明齿轮的润滑状态会随时间的改变而改变 齿轮的接触压力非常高 例如轧钢机的主轴承比压一般为20MPa 而轧钢机减速器齿轮比压一般达到500 1000MPa 与滑动轴承相比 渐开线齿轮的诱导曲率小 因此形成油楔条件差 齿轮的材料性质 尤其是表面粗糙度 表面硬度等对齿轮的润滑状态影响很大 齿轮传动的润滑方式 对润滑效果有直接影响 必须加以重视 齿轮的几种主要失效形式 例如点蚀 胶合 磨损等都和润滑剂有着重要关系 1 1 2齿轮润滑剂的作用及应具备的性质常见润滑剂有润滑油 润滑脂 此外还有固体 气体润滑剂 水也是一种润滑剂 但由于它对金属有腐蚀作用 不适合作为金属齿轮的润滑剂 由于润滑油的应用最为广泛 所以本章的润滑设计主要讨论应用齿轮润滑油的润滑设计 1 齿轮润滑剂的作用 减少摩擦如果两齿面被润滑剂流体膜隔开 则避免了金属与金属的直接接触 把干摩擦变成了液体摩擦 或者由于形成了物理 化学吸附膜减少摩擦 避免齿轮点蚀和胶合的发生 散热润滑油可以把啮合产生的热量带走 避免温度计过高引起的胶合等齿面损伤的发生 防锈润滑剂覆盖了齿轮和其他零件表面 隔绝了空气 避免了齿轮的氧化锈蚀 降低振动冲击和噪声由于润滑剂的黏滞性 能起到降低齿轮振动 冲击和噪声的作用 排除污物润滑油能冲刷齿面上的磨粒和杂质 带走油池或润滑系统中的污物 保证齿面的清洁 减少磨损 2 齿轮润滑剂应具备的主要性质齿轮润滑剂要起到上述作用 需具备以下性质 具有合适的黏度与流动性 以适用于不同的工况条件 具有良好的抗磨性 以保持一定的承载能力 具有良好的氧化安定性 使油不氧化 不变黏 不变质 不堵塞油路 抗乳化性 在有水部位工作的齿轮 要求使用抗乳化性 油水分离性好的润滑油 因为润滑油中的极压添加剂 基础油中的极性物质或油中的氧化物都是表面活性物质 当水混入油中时 上述表面活性物质起乳化作用 抗泡性 良好的抗泡性能使混入油中的空气顺利地逸出 否则 油中的气泡使摩擦表面供油不足导致磨损或胶合 在循环润滑系统中 抗泡性差的油会引起油的流量减少 降低散热效果 防锈性 防锈性主要是具有保护齿轮齿面不生锈的性能 抗腐蚀性 润滑剂的腐蚀性主要来源于油中的酸性物质 这些物质对金属具有腐蚀性 所以齿轮润滑剂应具有良好的抗腐蚀性 无毒性 润滑剂应对人体无害 保障操作人员的安全 1 2齿轮的润滑状态1 2 1油膜比厚摩擦学中常用油膜比厚的概念来描述润滑状态 油膜比厚是齿面之间的最小油膜厚度与两齿面综合粗糙度之比 其数学表达式为 1 式中 油膜比厚 hmin 最小油膜厚度 1 2 小齿轮和大齿轮的表面粗糙度 油膜厚度与油品本身的性质 齿轮的几何形状 负荷 速度 材料 工作条件等有关 油膜比厚越大 润滑剂分离两个啮合齿面的趋势就越强 1 2 2齿轮的润滑状态近百年以来 许多学者研究用油膜比厚来区分润滑状态 得到图1所示的润滑状态图 在有润滑剂润滑的条件下 根据图1 齿轮传动具有以下三种润滑状态 图1润滑状态图 1 边界润滑当 1 齿轮传动处于边界润滑状态 齿轮齿面有表面粗糙峰相接触的情况发生 在边界润滑状态下 润滑油的黏度不起作用 靠添加剂与齿面形成的物理吸附膜或化学反应膜来保护齿面 2 混合润滑当1 3 齿轮传动处于混合润滑状态 在混合润滑状态下 摩擦力由粗糙峰和润滑油内部的摩擦力两部分构成 齿面负荷由油膜和齿面粗糙峰共同承担 润滑油中需要少量的极压添加剂 3 全膜润滑当 3 齿轮传动处于全膜润膜状态 弹流润滑 液体动压润滑 在全膜润滑状态下 润滑油膜的厚度远远大于表面粗糙度 两运动表面完全被连续的油膜所隔开 因此润滑剂的黏度起主导作用 不需要添加剂 当计入齿轮的弹性变形时 全膜齿轮润滑状态即成为弹性流体动力润滑 其理论分析是英国著名学者D Downson完成的 该理论考虑了物体的弹性变形和润滑油在高压下黏度的变化 先用计算机获得了数值解 进而导出了如下的经验公式 2 式中 润滑油的压黏系数 m2 N 0 润滑油的动力黏度 Pa s E 综合弹性模量 MPa W 单位齿宽上的载荷 N mm 12 两个滚子的相对曲率半径 mm v 卷吸速度 v v1 v2 2 v1 v2 两接触体的圆周速度 m s 对于齿轮传动而言 在整个啮合过程中 曲率半径和卷吸速度等随时间变化 因此各接触点的油膜厚度都不一样 作者导出了整个齿轮啮合过程中油膜厚度的计算式 得出以下结论 沿啮合线 相对曲率半径呈抛物线规律变化 沿啮合线 卷吸速度呈线性规律变化 在理论啮合线的特征点处 最小油膜厚度有理论上的最大值 hmax 0 1 3润滑对齿轮传动的影响及其策略1 3 1润滑剂是齿轮设计的重要参数齿轮润滑剂对齿轮传动的影响主要表现在摩擦 磨损 胶合性能 振动 噪声水平 齿轮箱热平衡性能等诸多方面 因此 在进行齿轮设计时不能忽略润滑剂这一重要参数 润滑对齿轮传动失效的影响 见表1 从润滑角度防止齿轮失效的对策 见表2 1 3 2齿轮润滑的策略 齿轮润滑油的正确选用尽量采用国内外先进标准或者按设备制造商的推荐选用 例如 JB T8831 2001工业闭式齿轮的润滑油选用方法 AGMA250 04工业闭式齿轮传动的润滑 DIN51509第一部分 齿轮润滑剂的选择 产品购买购买质量信誉有保证的厂家的润滑剂产品 对于不同类型的齿轮选择合理的润滑方式对于低速齿轮一般采用油池润滑 对于高速齿轮一般采用喷油润滑 采用润滑油监测技术采用铁谱 光谱等技术监测 分析油样中的磨粒信息 包括形状 颜色 尺寸 含量等 利用此信息诊断齿轮运动的 健康 状况 1 3 3润滑对齿轮传动的影响对于齿轮传动装置来说 润滑无疑具有十分重要的意义 除了可以降低摩擦 减少磨损之外 还可起到散热 防锈 减震降噪等作用 润滑可以提高产品质量 降低生产成本 提高生产效率和产品精度 延长设备使用寿命和保障生产安全等 齿轮润滑剂对齿轮传动的影响主要表现在摩擦 磨损 胶合性能 点蚀 振动 噪声水平 齿轮箱热平衡性能等诸多方面 因此 在进行齿轮设计时不能忽略润滑剂这一重要参数 润滑对齿轮传动失效的影响见表3 1 3 4润滑对齿面胶合的影响国家标准GB6413 1986 渐开线圆柱齿轮胶合承载能力计算方法 给出了由于载荷和滑动速度引起的齿面高温导致润滑油膜破裂所造成的胶合损伤的计算方法和标准规范 该标准采用积分温度法 即以齿面本体温度与加权后的各啮合点瞬时温升的积分平均值之和作为计算齿面温度 然后与发生胶合时的试验结果或统计结果在同条件下确定出的齿面温度相比较来评定设计齿轮的胶合承载能力 胶合计算安全系数SB必须大于或等于胶合承载能力最小安全系数SBmin 即 式中SB 胶合承载能力的计算安全系数 SBmin 胶合承载能力的最小安全系数 可参照表5选取 sint 齿面出现胶合失效时的极限积分温度 通常是根据试验结果得出的 试验证明 对一种 油 材料 组合 sint为常数 不随运转条件改变 其计算式为 sint MT 1 5 w flaintT MT 试验齿轮的本体温度 flaintT 试验齿轮的积分平均温升 w 材料焊合系数 int 齿面积分温度 其计算式为 int M 1 5 flaint M 即将进入啮合时的齿面温度 M可用任何适宜的精确方法 如热网络法 精确测量等 来确定 M oil 0 7 flaint XS oil 润滑油的工作温度 flaintT 齿面积分平均温升 是指齿面各啮合点瞬时温升 fla沿啮合线的积分平均值 XS 润滑系数 是考虑润滑方式对传热的影响 由试验得出 油浴润滑时 XS 1 0 喷油润滑时 XS 1 2 当油品的承载能力是按照GB T3142 1982 润滑剂承载能力测定法 的FZG A 8 3 90 试验得出时 则试验齿轮的本体温度 MT和积分平均温升 flaintT与载荷的关系曲线如图2所示 此时 MT和 flaintT的值可根据设计齿轮所选用润滑油的黏度 和FZG胶合载荷级由图2查取 图2FZG A 8 3 90 试验齿轮的本体温度 MT和积分平均温升 flaintT 润滑油的FZG胶合载荷级作为油品的性能标准 由油品的生产厂家提供 常用油品的FZG胶合载荷级见表6 影响齿面胶合的因素很多 但润滑对于胶合起着极大的作用 下面仅就润滑对胶合的影响进行分析 1 润滑油黏度对胶合的影响齿轮胶合极限负荷随着润滑油黏度的提高而提高 日本的会田俊夫等学者为此进行了专门的试验研究 表7为其试验研究结果 润滑油靠粘性抗胶合的机理是 当轮齿迅速接触时 由于润滑油的粘性来不及将油挤掉 而形成所谓 流体静力挤压油膜 以抵抗齿面的靠近 这种作用在滚动接触时更易出现 这时与齿面接触的第一层油液是不动的或称之为有较大的粘性 吸附层越厚 其润滑效果越好 在某种情况下 轮齿在一定负荷下接触时 其润滑油的弹性可能占主导地位 即以弹性抵抗其变形 这就是通常所说的 松弛作用 在滚动接触的情况下 流体动力油膜能够维持在两接触表面之间 就是这种润滑机理作用的结果 在 松弛 现 象中 时间要素是很重要的 在给定时间内 物质显示的粘滞性和弹性随 松弛 作用的大小而定 如果润滑剂承受最大负荷的时间小于或等于临界 松弛 时间 则润滑剂将以弹性而不是粘性工作 这时油膜将不被挤出 从而防止了金属之间的直接接触 也即防止了胶合 从以上的叙述也可以说明齿面间的流体油膜实际能承担的负荷为什么比按常规计算得的结果要高得多 另外 还必须考虑到润滑油在承受压力的情况下黏度的变化 润滑油的黏度随着压力的增加而明显增加 润滑油的这种压力 黏度特性对其负荷能力可能产生很大的影响 例如有人曾把几对齿轮加载运转到齿轮发生疲劳点蚀 然而却无润滑油失效的迹象 这时齿面的应力为1750N mm2 而油的黏度为40赛氏秒 37 8 其次 润滑油的粘弹性对于具有冲击负荷的齿轮传动能起缓冲作用 例如 对于汽车后桥双曲线齿轮 冲击负荷约为2800N mm2 在这巨大的冲击下 润滑油的黏度在抗胶合的因素中也是必不可少。