齒輪可以由各種材料制成，包括許多類型的鋼、黃銅、青銅、鑄鐵、球墨鑄鐵、鋁、粉末金屬和塑料。總體而言，鋼是最常見的材料，盡管多年來，我們一直在使用提到的所有材料類型。鋼通常是最理想的，因為它提供了高強度重量比、高耐磨性、通過熱處理增強物理性能的能力以及有競争力的價格的成功組合。

保證抗拉強度而不是化學成分的鋼。（表 5-2）

表 5-2 SS 材料成分表（引自 JIS G 3101）

SS330 - SS490 沒有規定碳 (C) 的含量。碳負責鋼的強度，也影響淬透性。因此，如果您選擇日本經常用于齒輪的SS400材料，您就是在選擇未硬化的低強度金屬齒輪。

用于平闆或曲闆作為一般钣金件。（表 5-3）

表5-3 SPC材料成分表（引自JIS G 3141）

SPCC 常用于齒輪材料，因為它的碳 (C) 含量高且具有通用性。由于厚度較薄，SPCC 用于強度低于 SS 材料的齒輪。由于碳含量低，它們的表面不能通過硬化來固化，因此您需要指定軟氮化處理來簡單地硬化它們的表面。

在各種特殊鋼中，有時在熱處理後使用，因此被歸類為合金鋼。熱處理僅限于表面層。如果内部零件需要堅硬，機器結構使用合金鋼。（表5-4）

表 5-4 SC 材料成分表（引自 JIS G 4051）

對于 S15C - S25C，碳 (C) 的淬火和回火的拉伸強度沒有規定，因為由于碳 (C) 含量較低，熱處理不會提高硬度。當您隻想使用金屬時選擇這種材料。如果要對這種低碳鋼的齒面進行硬化，請在指定添加碳的滲碳和淬火後選擇這些材料。另一方面，S30C 及以下材料含有較多的碳，因此适用于一般硬化。如果您想用這些材料硬化齒面，請指定淬火和回火（整體）或感應淬火（選擇性部分）。

“硬化時，根據碳含量選擇滲碳淬火或感應淬火！”

選擇用于制造齒輪的特定材料類型最終是在所需強度、耐用性和成本之間取得平衡。本文回顧了不同的金屬和非金屬齒輪材料、齒輪應用以及動力傳輸計算。

齒輪鋼可分為兩大類——普通碳鋼和合金鋼。合金鋼在一定程度上用于工業領域，但熱處理的普通碳鋼更為常見。齒輪上使用未經處理的合金鋼很少，如果有的話，是合理的，而且隻有在缺乏熱處理設施的情況下。确定使用熱處理普通碳鋼還是熱處理合金鋼時應考慮的要點是：使用條件或設計是否需要合金鋼的優越特性，或者，如果不需要合金鋼，所獲得的優勢是否會抵消額外的成本？對于大多數應用而言，普通碳鋼經過熱處理以獲得預期服務的最佳質量，是令人滿意且相當經濟的。使用熱處理合金鋼代替熱處理普通碳鋼的優點如下：

1. 對于相同的碳含量和淬火，增加了表面硬度和硬度滲透深度。
2. 能夠以較不劇烈的淬火獲得相同的表面硬度，并且在某些合金的情況下，淬火溫度較低，因此變形較小。
3. 更高的屈服點、伸長率和面積減少值表明韌性增加。
4. 更細的晶粒尺寸，由此産生更高的沖擊韌性和更高的耐磨性。
5. 在某些合金的情況下，更好的加工質量或更高硬度加工的可能性。

兩大類齒輪鋼中的每一類可進一步細分如下： 1) 表面硬化鋼；2) 全硬化鋼；3) 經熱處理并拉制成可進行機械加工的硬度的鋼。

前兩種——表面硬化鋼和全硬化鋼——在某些服務中可以互換，選擇通常取決于個人意見。當需要耐磨性時，通常使用具有極硬、細晶粒（适當處理時）表殼和相對柔軟且具有延展性的芯部的表面硬化鋼。表面硬化合金鋼具有相當堅韌的核心，但不如全硬化鋼堅韌。為了從核心性能中獲得最大收益，表面硬化鋼應進行雙淬火。對于合金鋼來說尤其如此，因為從它們的使用中獲得的好處很少能證明額外的費用是合理的，除非通過第二次淬火對核心進行精煉和增韌。額外細化必須付出的代價是增加失真，

當需要高強度、高耐力極限、韌性和抗沖擊性時，可使用穿通硬化鋼。這些品質取決于所用鋼材的種類和處理方式。在這組中可以獲得相當高的表面硬度，盡管不如表面硬化鋼高。由于這個原因，耐磨性并沒有達到可能獲得的那麼大，但是當要求耐磨性與高強度和韌性相結合時，這種鋼優于其他鋼。硬化鋼在硬化時會發生一定程度的變形，變形量取決于所使用的鋼和淬火介質。出于這個原因，貫穿硬化鋼不适用于以噪音為主要因素的高速齒輪，或用于精度至關重要的齒輪，當然，除非：在可以磨牙的情況下。中碳和高碳百分比需要油淬，但對于較低的碳含量可能需要水淬，以獲得最高的物理性能和硬度。然而，水淬時變形會更大。

當齒輪齒的磨削不切實際并且需要高精度時，可以将硬化鋼拉制或回火到允許切割齒的硬度。這種處理提供了高度精細的結構、出色的韌性，并且盡管硬度低，但仍具有出色的耐磨性。通過消除由于不準确性引起的沖擊而産生的增量載荷，在一定程度上補償了較低的強度。當以這種方式處理從表面到核心的硬度滲透程度較低的鋼時，設計不能基于與表面硬度相對應的物理特性。由于物理特性是由硬度決定的，從表面到核心的硬度下降會導緻牙根的物理特性降低，壓力最大的地方。淬火介質可以是油、水或鹽水，這取決于所使用的鋼和所需的硬度滲透。當然，變形量無關緊要，因為機加工是在熱處理之後進行的。

通過使小齒輪比齒輪更硬，從磨損的角度來看是有益的結果。小齒輪的齒數比齒輪少，每個齒自然會做更多的功，小齒輪和齒輪之間的硬度差異（取決于比率）用于平衡磨損率。較硬的小齒輪齒通過初始磨損在一定程度上糾正了齒輪齒中的誤差，然後由于表面的冷加工而使齒輪的齒變得光滑并增加了其承受磨損的能力。在齒輪比高且沒有嚴重沖擊載荷的應用中，與經過油處理的齒輪一起運行的表面硬化小齒輪，經過處理後達到可切割齒的布氏硬度，是一個很好的組合。小齒輪，

根據熱處理，這些成分涵蓋了三組齒輪用鋼，如下所示：

a) 表面硬化齒輪

b) 未淬硬的齒輪，機加工後未經熱處理

c) 調質齒輪

鍛造和軋制碳齒輪鋼是根據表 1 中規定的化學成分要求購買的。N 級鋼通常在這些限制内的十點碳範圍内訂購。對物理性能的要求已省略，但在要求時應省略對碳的要求。鋼可以通過平爐和電爐工藝中的一種或兩種來制造。

表 1 齒輪用鍛軋碳鋼的成分

這些成分包括齒輪用合金鋼，根據熱處理分為以下兩類：

a) 表面硬化齒輪

b) 淬火和回火齒輪

鍛軋合金齒輪鋼按表2規定的化學成分要求采購，省略了物理性能要求。鋼應由平爐和電爐工藝中的一種或兩種工藝制成。

表 2 齒輪用鍛軋合金鋼的成分

a C = 碳；Mn = 錳；Si = 矽；Ni = 鎳；Cr = 鉻，Mo = 钼。

b兩種 Nitralloy 合金均含有 0.85–1.2% 的鋁

建議根據化學分析購買用于切削齒輪的鑄鋼件，并且隻使用兩種分析，一種用于表面硬化齒輪，另一種用于未經處理的齒輪和需要淬火和回火的齒輪。鋼将通過平爐、坩埚或電爐工藝制造。轉換器進程無法識别。必須提供足夠的立管，以确保穩固和免于過度隔離。未退火鑄件不得強行折斷冒口。用火炬切斷冒口時，切口應至少高于鑄件表面二分之一英寸，并通過切削、磨削或其他無害方法去除剩餘的金屬。

齒輪用鋼應符合表 3 規定的化學成分要求。所有齒輪用鋼鑄件必須徹底正火或退火，使用的溫度和時間應完全消除未退火鑄件的特征組織。

表 3 齒輪用鑄鋼的成分

a C = 碳；Mn = 錳；Si = 矽。

這裡總結了各種合金元素對鋼的影響，以幫助确定用于特定目的的特定合金鋼。概述的特性僅适用于熱處理鋼。當說明添加合金元素的效果時，可以理解的是，與相同碳含量的普通碳鋼相比，參考的是給定碳含量的合金鋼。

鎳：添加鎳往往會增加硬度和強度，但不會犧牲延展性。硬度滲透比普通碳鋼稍大。由于淬火溫度較低，使用鎳作為合金元素降低了臨界點并産生較少的變形。表面硬化組的鎳鋼滲碳較慢，但晶粒長大較少。

鉻：鉻比使用鎳獲得的硬度和強度增加，但延展性的損失更大。鉻細化了晶粒并賦予了更大的硬度。鉻鋼具有高度的耐磨性，盡管晶粒細小，但易于加工。

錳：當存在足夠量以保證使用合金一詞時，添加錳是非常有效的。它比鎳具有更高的強度，比鉻具有更高的韌性。由于其對冷加工的敏感性，它很可能在嚴重的單位壓力下流動。到目前為止，它還沒有大量用于熱處理齒輪，但現在受到越來越多的關注。

釩：釩具有與錳相似的作用——增加硬度、強度和韌性。延展性的損失比錳造成的損失要多一些，但硬度滲透比任何其他合金元素都大。由于晶粒結構極細，沖擊強度高；但釩往往會使加工變得困難。

钼：钼具有增加強度而不影響延展性的特性。對于相同的硬度，含钼鋼比任何其他合金鋼更具延展性，并且具有幾乎相同的強度，更堅韌；盡管增加了韌性，但钼的存在并不會使加工變得更加困難。事實上，這種鋼的加工硬度比任何其他合金鋼都高。沖擊強度幾乎與釩鋼一樣大。

鉻鎳鋼：鉻和鎳兩種合金元素的組合增加了兩者的有益品質。鎳鋼的高延展性與添加鉻所賦予的高強度、更細的晶粒尺寸、深度硬化和耐磨性能相輔相成。韌性的提高使這些鋼比普通碳鋼更難加工，而且更難熱處理。變形随着鉻和鎳的量增加而增加。

鉻釩鋼：鉻釩鋼具有與鉻鎳鋼幾乎相同的拉伸性能，但更細的晶粒尺寸增加了硬化能力、沖擊強度和耐磨性。與其他合金鋼相比，它們難以加工并且更容易變形。

鉻钼鋼：該組鋼具有與直钼鋼相同的品質，但通過添加鉻提高了硬化深度和耐磨性。這種鋼很容易熱處理和機加工。

鎳钼鋼：鎳钼鋼的品質與鉻钼鋼相似。據說韌性更大，但鋼更難加工。

對于低負載和中等負載齒輪的高産量，使用燒結金屬粉末可以顯着節省生産成本。使用這種材料，齒輪在高壓下在模具中成型，然後在熔爐中燒結。主要成本節約來自于加工齒輪齒和其他齒輪毛坯表面的勞動力成本的大幅降低。生産量必須足夠高以分攤模具的成本，并且齒輪毛坯必須具有可以成型并容易從模具中脫模的構造。

這些規範涵蓋了用于直齒輪、錐齒輪和蝸輪的有色金屬、用于複合齒輪的襯套和法蘭。該材料應根據化學成分購買。合金可以通過任何批準的方法制造。

正齒輪和錐齒輪：對于正齒輪和錐齒輪，建議使用硬鑄青銅（ASTM B-10-18；SAE No. 62；以及衆所周知的 88-10-2 混合物），其成分限制如下： 銅, 86 至 89; 錫，9 至 11；鋅，1 至 3；鉛（最大值），0.20；鐵（最大），0.06%。用這種青銅制成的優質鑄件應具有以下最低物理特性：極限強度，每平方英寸 30,000 磅；屈服點，每平方英寸 15,000 磅；2英寸伸長率，14%。

蝸輪：對于青銅蝸輪，推薦使用兩種替代分析磷青銅，SAE No. 65 和 No. 63。

SAE No. 65（稱為磷齒輪青銅）具有以下成分： 銅，88 至 90；錫，10 至 12；磷，0.1 至 0.3；鉛、鋅和雜質（最大） 0.5%。

由這種合金制成的優質鑄件應具有以下最低物理特性： 極限強度，每平方英寸 35,000 磅；屈服點，每平方英寸 20,000 磅；2英寸伸長率，10%。

SAE No. 63（稱為含鉛炮銅）的成分如下：銅，86 至 89；錫，9 至 11；鉛，1比2.5；磷（最大值），0.25；鋅和雜質（最大），0.50%。

由這種合金制成的優質鑄件應具有以下最低物理特性： 極限強度，每平方英寸 30,000 磅；屈服點，每平方英寸 12,000 磅；2英寸伸長率，10%。

這些合金，尤其是 65 号合金，适用于淬火以提高硬度和細化晶粒。65 号更适合用于硬度高、精度高的蝸杆。63 号更适合與未硬化的蝸杆一起使用。

齒輪襯套：對于齒輪用青銅襯套，推薦使用 SAE No. 64 進行以下分析：銅，78.5 至 81.5；錫，9 至 11；領先，9比11；磷，0.05 至 0.25；鋅（最大值），0.75；其他雜質（最大），0.25%。這種合金的良好鑄件應具有以下最低物理特性：極限強度，每平方英寸 25,000 磅；屈服點，每平方英寸 12,000 磅；2英寸伸長率，8%。

複合小齒輪法蘭 : 對于複合小齒輪的黃銅法蘭，推薦使用 ASTM B-30-32T 和 SAE No. 40。這是一種良好的鑄造紅黃銅，具有足夠的強度和硬度，可以在設計使法蘭與配對齒輪齧合時承受其負載和磨損。組成如下：銅，83～86；錫，4.5 至 5.5；領先，4.5 至 5.5；鋅，4.5 至 5.5；鐵（最大）0.35；銻（最大），0.25%；鋁，沒有。由這種合金制成的優質鑄件應具有以下最低物理特性：極限強度，每平方英寸 27,000 磅；屈服點，每平方英寸 12,000 磅；2英寸伸長率，16%。

Hamilton Gear & Machine Co. 對可能用于蝸輪的各種材料進行了一系列廣泛的測試，以确定哪種材料最合适。根據這些測試，冷鑄鎳磷青銅在耐磨性和抗變形性方面排名第一。這種青銅由大約 87.5% 的銅、11% 的錫、1.5% 的鎳和 0.1% 到 0.2% 的磷組成。這些測試中使用的蝸杆由 SAE-2315、3 ½% 鎳鋼制成，經過表面硬化、研磨和抛光。蠕蟲的肖氏硬度在 80 到 90 之間。這種鎳合金鋼是在對多種鋼進行多次測試後采用的，因為它提供了必要的強度以及所需的硬度。

在這些測試中表現第二好的材料是 SAE 65 号青銅。海軍青銅 (88-10-2) 含有 2% 的鋅，不含磷，未冷卻，在每分鐘 600 轉的速度下表現令人滿意，但在較低的速度下不夠強。紅黃銅 (85-5-5) 在每分鐘 1500 到 1800 轉的情況下被證明稍好一些，但會在較低的速度下彎曲，然後才會顯示出實際磨損。

非金屬或複合齒輪主要用于高速運行的安靜性是首要考慮因素。非金屬材料也非常普遍地應用于正時齒輪和許多其他類别的齒輪。生皮最初用于非金屬齒輪，但已引入其他具有重要優勢的材料。這些後來的材料由不同的公司以各種商品名稱出售，例如 Micarta、Textolite、Formica、Dilecto、Spauldite、Phenolite、Fibroc、Fabroil、Synthane、Celoron 等。這些齒輪材料大部分由帆布層或其他材料組成浸漬塑料并在液壓作用下強制結合在一起，再加上加熱，形成緻密的剛性塊。

盡管酚醛樹脂齒輪通常具有彈性，但它們是自支撐的，除非承受很大的啟動扭矩，否則不需要側闆或護罩。酚醛樹脂元件保護這些齒輪免受害蟲和齧齒動物的侵害。

所指的非金屬齒輪材料一般假定具有鑄鐵的動力傳遞能力。盡管抗拉強度可能遠低于鑄鐵，但這些材料的彈性使它們能夠承受一定程度的沖擊和磨損，從而可能導緻鑄鐵齒的過度磨損。因此，浸漬帆布的組合齒輪經常被證明比鑄鐵更耐用。

這些非金屬材料最有效的應用領域是高速負載。在低速時，當啟動扭矩可能很高，或者當負載可能波動很大，或者當可能遇到高沖擊負載時，這些非金屬材料并不總是令人滿意。一般來說，非金屬材料不應用于低于 600 英尺/分鐘 (3.05 m/s) 的節線速度。

齒形：非金屬材料的最佳齒形是 20 度短齒系統。當隻涉及單對齒輪且中心距可以變化時，制作全齒頂形式的非金屬主動小齒輪和标準齒比的從動金屬齒輪可獲得最佳效果。這種驅動器将承載比标準齒比例之一高 50% 到 75% 的負載。

配合齒輪的材料：為了在負載下的耐用性，使用硬化鋼（超過 400 布氏硬度）作為配合金屬齒輪似乎可以提供最佳效果。配合件材料的第二個不錯的選擇是鑄鐵。使用黃銅、青銅或軟鋼（低于 400 布氏硬度）作為酚醛層壓齒輪配合部件的材料會導緻過度磨損。

酚醛層壓材料制成的齒輪的特性與金屬齒輪的特性有很大的不同，應該将它們單獨歸為一類。由于彈性模量低，齒形和齒距小誤差的影響大部分被彈性變形吸收在齒面，對齒輪的強度影響不大。

如果

S = 給定速度 ib/in 2 (MPa)的安全工作應力S s = 允許的靜态應力 lb/in 2 (MPa)V = 節線速度，單位為英尺/分鐘（米/秒）

那麼，美國齒輪制造商協會的推薦做法，

酚醛層壓材料的S s值為6000 lb/in 2 (41.36 MPa)。附表給出了不同節線速度下的安全工作應力S。當S的值已知時，通過将S的值替換為從第 592 頁開始的塑料齒輪的動力傳輸能力部分中的适當方程式中的S值來确定馬力。

非金屬齒輪的安全工作應力

用于齒輪的酚醛層壓材料的抗拉強度略低于鑄鐵。這些材料比任何金屬都軟得多，彈性模量約為鋼的三十分之一。換言之，如果将引起 0.001 英寸（0.025 毫米）變形的鋼齒輪上的齒載荷施加到由酚醛層壓材料制成的類似齒輪的齒上，則非金屬齒輪的齒将變形約1⁄32 英寸（0.794 毫米）。

在這些條件下，會發生幾件事。對于所有齒輪，無論理論上的接觸持續時間如何，隻有一個齒會承受負載，直到負載足以使齒變形至可能存在的誤差量。在金屬齒輪上，當齒已變形時的誤差量，材料中産生的應力可能接近或超過材料的彈性極限。因此，對于标準齒形和由标準基本齒條生成的齒形，計算它們的強度遠遠大于單個齒上可以安全承載的強度是很危險的。另一方面，在由酚醛層壓材料制成的齒輪上，齒會發生這種正常誤差的變形量，而不會在材料中産生任何明顯的應力，因此負載實際上是由多個齒支撐的。

所有材料都有其獨特而鮮明的特性，因此在某些特定條件下，每種材料都有自己的優勢領域。這樣的領域可能會有一定程度的重疊，隻有在這樣的重疊領域中，不同的材料才有直接的競争力。例如，鋼或多或少具有延展性，具有高抗拉強度和高彈性模量。另一方面，鑄鐵不具有延展性，抗拉強度低，但抗壓強度高，彈性模量低。因此，當剛度和高抗拉強度至關重要時，鋼遠優于鑄鐵。另一方面，當這兩個特性不重要，但高抗壓強度和适度的彈性是必不可少的時，鑄鐵優于鋼。

齒輪或小齒輪的節距應與功率或速度或施加的扭矩具有合理的關系，如附表所示。該表的上半部分基于在給定的節線速度下傳輸的馬力 (kw)。下半部分給出以磅英尺 (Nm) 為單位的扭矩或 1 英尺（米）半徑處的扭矩。對于任何給定的馬力 (kw) 和速度，該扭矩T可以從以下公式獲得：

對于普通酚醛層壓小齒輪，即沒有金屬端闆的小齒輪，應使用每英寸（或毫米/毫米）軸直徑 0.001 英寸的驅動配合。對于直徑超過 2.5 英寸（63.5 毫米）的軸，配合應恒定在 0.0025 到 0.003 英寸（0.064–0.076 毫米）。當使用金屬加強端闆時，驅動配合應符合與金屬相同的标準。

酚醛層壓型小齒輪的齒根直徑應使從鍵槽邊緣到齒根直徑的最小距離至少等于齒深。

普通酚醛層壓齒輪或小齒輪上的鍵槽應力不應超過 3000 psi (20.68 MPa)。鍵槽應力由以下公式計算：

在哪裡

S = 單位應力，單位為磅/平方英寸（牛頓/平方米）hp = 傳輸的馬力kw = 傳輸的千瓦功率V = 軸的圓周速度，單位為英尺/分鐘（米/秒）A = 平方英寸（平方米）鍵槽面積小齒輪（長×高）

如果鍵槽應力公式以軸半徑r（英寸或米）和每分鐘轉數來表示，它将顯示為：

非金屬齒輪的首選齒距适用于生皮和酚醛層壓材料

當設計使得鍵槽應力超過 3000 psi (20.68 MPa) 時，可以使用金屬加強端闆。這種端闆不應超出齒根直徑。固定螺栓外緣到齒根直徑的距離不應小于全齒深。應避免使用驅動鍵，但如果需要，應在小齒輪上使用金屬端闆以起到鍵的楔入作用。

對于酚醛層壓小齒輪，配合齒輪的面應與小齒輪面相同或稍大。

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