图2.2 渗碳淬火钢和表面硬化钢的?Flim
齿轮材料介绍
由于12Cr2Ni4A是常用航空齿轮材料，所以材料性能在这里就不进行介绍，下面对新型齿轮材料16Cr3NiWMoVNbE的性能进行介绍：
16Cr3NiWMoVNbE ( E－特级优质)钢是仿前苏联16X3HBMΦB(ДИ39,BKC)钢研制出的一种合金化程度较高的结构钢，属热强钢系。该钢的热强性能较好，回火温度可达350℃，适于制造工作温度在350℃以下的重要承载齿轮和其他在接触和弯曲载荷条件下工作的零件，不仅可以渗碳处理，也可以氮化处理。
1）冶金质量
16Cr3NiWMoVNbE钢中含有W、Mo、V等元素，这些元素可形成细小的碳化物，提高钢的强度；为了降低钢的过饱和倾向，加人了少量的Si和Ni,使钢在回火后仍能保持较高的热强性;加人少量的Nb和稀土元素Ce，起到了细化晶粒和强化固溶体的作用。具体化学成分见表2.1。
表2.1 16Cr3NiWMoVNbE钢的化学成份
从表2.1中可以看出，该钢中W(Ni)二1.0%～1.5%。在热处理时，由于齿轮钢中的Ni；有助长渗碳层形成残余奥氏体的倾向，钢的性能会下降，这也是前苏联限制使用18Cr2Ni4WA钢的原因。同时，低Ni也适合我国镍资源短缺的国情。另外，表中对S、P含量控制较低。在实际生产中，合金通过真空感应加电渣重熔后，S、P含量更低，且采用此工艺熔炼后还可去除气体和夹杂物，保证了该钢有更高的纯净度。该钢的非金属夹杂物级别见表2.2。
表2.2 16Cr3NiWMoVNbE钢非金属夹杂物级别
2）物理机械性能 ①晶粒长大倾向
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将16Cr3NiWMoVNbE钢和12Cr2Ni4A钢试样分别加热到930,1000,1050, 1100,1150和12000，保温2h，水淬，它们的晶粒长大倾向如图2.3所示。由图2.3可看出，在1200℃时，16Cr3NiWMoVNbE钢的晶粒仍然很细(6级)，晶粒长大倾向明显低于12Cr2Ni4A钢。
图2.3 晶粒长大倾向曲线
②淬透性
16Cr3NiWMoVNbE钢与12Cr2Ni4A钢淬透性曲线的对比如图2.4所示。16Cr3NiWMoVNbE钢试样经930℃正火后，再经900℃端淬，端淬距离45mm处硬度仍为HRC40，淬透性明显优于12Cr2Ni4A。另外，从钢的过冷奥氏体连续转变曲线(图2.4)也可以看出，该钢具有非常好的淬透性，即使冷却速度为100℃ /h，也不会出现铁素体、珠光体等转变产物，最大淬透直径可达15Omm。
图2.4 淬透性曲线
③力学性能
A 不同温度下的拉伸性能
表2.3 16Cr3NiWMoVNbE钢拉伸性能
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从表2.3中的数据可见，即使在350℃高温下，16Cr3NiWMoVNbE钢的性能也能满足技术条件要求。
B 持久和蠕变性能
持久性能:350℃/1300MPa，时间>5O0h。
蠕变性能:350℃/8OOMPa/100h，残余塑性伸长率?p0.2%。 C 弯曲疲劳性能
16Cr3NiWMoVNbE钢的弯曲疲劳性能见表2.4。
表2.4 16Cr3NiWMoVNbE钢的弯曲疲劳性能
D 扭转剪切性能
16Cr3NiWMoVNbE钢的扭转剪切性能见表2.5。
表2.5 16Cr3NiWMoVNbE钢的扭转剪切性能
所以16Cr3NiWMoVNbE钢能完全满足要求。 2.2 齿轮设计及计算过程
传动齿轮的设计方法：齿轮传动是工程中应用十分广泛的一种传动型式。它具有传动可靠、传动精度高、传递功率范围大、结构紧凑、使用寿命长等优点。齿轮传动的设计包括传动方案的设计（传动方式、布置方式、传动比等）和承载能力设计（主要为强度设计）两方面的内容[15]。承载能力设计的主要目的是防止齿轮在正常承载、正常使用寿命内出现失效。工程应用中，齿轮常见的失效形式主要有[14]：齿面接触疲劳磨损（俗称点蚀）、轮齿弯曲疲劳折断、齿面胶合、齿面磨粒磨损、过载折断、齿体和齿面的塑性变形等。相应的承载能力
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计算主要有：齿面接触疲劳强度计算、齿根弯曲疲劳强度计算、啮合区温度计算、静强度计算等。最常见的两种计算为齿面接触疲劳强度计算和齿根弯曲疲劳强度计算[13]。
2.2.1 传动比分配
减速器的总传动比为15，为了提高发动机工作的平稳性，采用两级NGW型行星减速器传动方案如下图
[10]
。
图2.5 减速器传动简图
1－一级太阳轮；2－一级行星轮；3－一级固定齿圈 4－二级太阳轮；5－二级行星轮；6－二级固定齿圈
7－螺旋桨轴
传动方案：第一级行星齿轮减速级安装在后机匣内。动力涡轮是不与压气机转子连接的自由涡轮，自由涡轮通过中心主动齿轮带动三个第一级行星齿轮。行星齿轮与带内齿的第一级固定齿圈啮合，固定齿圈外圆周加工有直齿，此齿卡在相应的齿槽内，这样，固定齿圈不会转动，但可以在轴向有少许移动以形成测量扭矩的机构。
通过第一级行星齿轮的行星架带动第二级减速级的中心主动齿轮。第二级行星齿轮共五个，它们均用滑动轴承直接支撑在销轴上
[12]
。行星齿轮与第二级固定齿圈啮合，固定齿圈借外
圆周的齿槽安装在前机匣内。第二级减速级与桨轴均安装在前机匣内，前后机匣用安装边连接。
减速器传动比分配：行星传动的传动比许用范围受结构及强度两方面的制约。在结构方面，
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最大传动比受行星轮邻接条件的限制，即与行星轮的个数np有关；最小传动比受行星轮最小直径的限制。在强度方面，过大的传动比将损失太多的承载能力，例如在箱体的基本外形轮廓不变时，传动比为11.2的单级行星减速器只有传动比为4.0时传递功率（或输出工作转矩）能力的不到40%，其经济性远不及采用两级传动。因此传动比的选用要多加考虑，即在给定传动比时要进行认真分析、合理设计
[11]
。
对传动比较大，需要采用两级或多级减速传动的情况，合理分配传动比的原则是： ①尽可能获得比较小的外形，或在外形尺寸相对固定的情况下获得较大的强度安全余度； ②各部分强度设计比较均衡，便于采用润滑等必要措施。
③对结构布局较为有利的传动比 ：从有关零部件的结构设计上来讲，受传动比影响的主要是行星轮的旋转支承即行星轮轴承。一般希望将轴承设置在行星轮轴孔中，因此行星轮采用滚动轴承时，行星轮的直径尽可能不要太小，即传动比不要过小。
一般来说传动比ｉ≥４时，可在行星轮轴孔中放置滚动轴承，传动比再大一些轴承的选择更具有灵活性。
传动比也不宜过大，传动比太大以后不仅造成承载能力方面的损失，也会使太阳轮的直径小于高速轴直径太多，产生其它的不妥之处。
在多级传动中，低速级的传动比常取3～5.6（总传动比较大，取大值；反之取较小值）；中间级的传动比范围一般为5～7.1；高速级的传动比范围较大为3.15～9左右。
所以按照以上原则并结合下表，初选高速级传动比为5，则低速级为3。
表2.6 二级减速器的传动比搭配
2.2.2 齿轮设计计算
（1）载荷不均衡系数Kp
低速级取KHp＝KFp＝1.15；高速级KHp＝KFp＝1.20 （2）配齿计算 根据经验和设备能力，
①高速级：取m/a≈0.030, z∑＝2a/m （2－1）
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航空燃气涡轮发动机中减速器及其主要构件的设计与加工工艺研究
