第2节 齿轮传动.docx
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第2节齿轮传动
第2节齿轮传动装置
A通则
A100适用范围
101本节要求适用于需经认可的齿轮传动装置，见第2章第1节A200。
适用本规则齿轮传动装置是综合的组件，如冷却器、泵和滑油管系。
但是，缩短使用寿命的齿轮设计，如自升式今海装置的顶升机械，可与本规则有部分的偏离。
其规定在DNV-OS-D101D中。
见第1节关于轴系和刚性联轴节以及第3节离合器。
102第2章描述了对旋转机械的一般要求，并成为第3、第4和第5章各节的基础。
A200送审文件
201应提交认可的图纸：
a）包括零件表中的布置图：
—装置的纵剖面图
—横剖面图（适用于多于两根轴的齿轮箱）
b）详图2）：
—小齿轮和齿轮3）
—轴
—毂
—离合器和联轴节
—其它功率传递部件
c）齿轮箱壳（除非壁厚和轴承支撑，包括主推力轴承支撑在纵剖面图中已示出）
d）齿轮箱固定，包括楔块计算，如果适用。
e）滑油系统原理图包括报警点和指示器位置。
1）布置图应尽可能的包含更多的详细信息以减少图纸总数，例如，如果上述b）中所列其他项目的所有详细信息能在布置图中给出，则这些项目的单独的图纸不需提交。
2）图纸应清楚的示出所有细节如倒角、键槽和其它应力集中源、收缩量（也对于轴承）、拔模锥度、表面粗糙度、螺栓预紧力等，以及材质型号和机械特性包括NDT说明。
“所有细节”意指根据B中相关标准进行评估所必须的数据。
3）小齿轮和齿轮通常可在纵剖面图中完全描述清楚，且202b）中所列项目的特性在一个数据表中给出（图表号：
71.10a）。
但是，如果小齿轮和齿轮的制造厂为转包商，则单独的零件图应提交认可。
202需提交认可的参数：
a）轴系校中接受标准（根据第1节A403要求轴系校中计算书）。
b）表A1中列出每级齿轮的数据。
不同的数据在入级附注41.2中说明。
一个特殊的数据表—齿轮计算数据表，图表号71.10a已备有。
203应提交的供参考的文件：
a）对于焊接结构的功率传递部件，接头、焊接程序、填料特性和焊后热处理的全部细节内容应说明。
b）轴承应备以下文件：
—滚柱轴承的计算使用寿命（L10a，根据ISO281）
—材料、公称表面压力和油膜轴承的间隙公差
c）制造厂描述的工作中的检查及维护例行程序的摘要概述。
204如有要求需提供的资料：
a）如果制造厂要求基于非本规范和入级附注描述的其它方法进行认可（如特殊计算方法和试验），则要求提供额外的文件。
原则见第2章第3节A100。
b）对于认可取决于获得一定的最佳的表面载荷分布的齿轮级，要求提供在一些选定部件载荷下的齿接触模式说明及在额定载荷下这种模式如何达到规定的齿面载荷分布。
c）高速齿轮（如蒸气驱动）和具有旋转部件非机加工面的某些中速齿轮传动的平衡说明
d）燃气涡轮驱动的齿轮箱的热功率计算。
B设计
B100一般要求
101设计原则见第2章第3节A100。
管系和管子、泵、滤器和冷却器等辅助设备的一般设计要求，见第6章和第7章的适用部分。
齿轮传动装置中的所有组件其设计应满足所有相关载荷情况，如额定功率或过载，包括装置运行的所有驱动工况。
关于动载荷，见第3章第1节G。
102有关齿轮传动装置的计算详见入级附注41.2。
包含了齿根强度计算（断裂）、齿侧耐蚀性（点蚀、剥落和压溃）和刮伤等计算的信息。
103轴系和刚性联轴节的要求见第1节。
104若考虑到对完成型式认可过程的必须性，型式试验也作要求。
型式试验的细节需特殊考虑。
对于特殊设计的齿轮，型式认可以满意的运行经历后确定，如经过1000至3000小时的运行后。
105用于具有冰区入级符号的船舶的齿轮传动装置，贯穿本节的的标准中，使用系数KA和KAP由KAice（见第5篇第1章）代替，除非KAice较大。
106齿轮传动装置，特别是PTO分支，在低载荷范围内高于第3章第1节G303e）规定的振动力矩可予接受。
传动装置、轴，特别是轴承，若依此振动工况设计，可予接受。
107作为齿轮箱润滑、液压操作和冷却系统的主要部分的部件，采用下述设计要求：
—泵、冷却器、管系、滤器、阀等，见第6章。
—电机，见第8章
—弹性软管为认可型式的。
B200传动装置
201轮齿应按表B1给出的最小安全系数设计。
由于FZG试验结果分散，计算中使用的FZG等级应比规定的级别低一级。
任一齿轮若使用规定的FZG等级高于12的油，则应备有实际油料的试验结果，试验报告应来自于公认的实验室和/或油料供应商。
202齿轮设计可能受到如201中提及的标准的约束。
比如，如果运行经验表明不同于201中所述的故障模式成为问题（如从主动齿侧开始的斜裂纹，灰变逐步变成点蚀），则尽管满足201的标准，齿轮的设计仍不予接受。
203齿轮的设计应考虑到所有相关载荷工况，如第3章第1节（柴油机）和其它相关章节描述的动载。
如果振动或冲击载荷导致反向扭矩，则这种影响应予考虑。
204齿轮验收可基于认可的试验。
205对于波罗的海冰级齿轮装置设计，使用KAice计算中假定载荷循环次数等于3·106。
这是对通常的，开放海况的补充。
这种严格的标准是决定性的。
B300焊接齿轮设计
301如果1个设计为高循环（＞108）的小齿轮或齿轮为焊接式的，则焊缝和HAZ处的许用循环应力范围（主应力）限定在裂纹扩展临界值的2/3。
这取决于焊缝质量（即无损探伤试验说明书）的内外缺陷。
作为一种简化，可采用下述方法：
—对于全焊透焊缝，表面非常光顺或所有表面都已机加工，并作了100%的表面缺陷试验（无线形指示＞1mm）和根据ISO5817B级要求的内部缺陷试验，则许用应力范围为50MPa
—如上，但不是非常光顺或已机加工或地表面，则许用应力范围为30MPa
—对于有不可接近的背面的焊缝，许用应力范围为15MPa。
若齿轮设计为低应力循环次数（＜＜108），较高的许用应力范围可接受，或者可选较少的焊缝检查。
302实际应力范围的计算（通常通过FME）应考虑到小齿轮或齿轮的全载荷循环以及焊缝处的应力集中和由于焊缝圆角半径或形状引起的FAZ。
303焊接小齿轮或齿轮应消除应力。
如果应力消除不是热处理程序的最后一步（如，接下来为表面硬化），则301中的许用值应减小30%。
B400紧缩配合的小齿轮和齿轮
401小齿轮和齿轮的紧缩应设计得能防止有害的磨蚀、大的滑移和微小的位移。
402大的滑移和磨蚀标准在第1节B400中给出。
轴向力和倾覆力矩的影响应予考虑。
403紧配的齿圈应有防微小位移的最小安全系数2.0，基于规定的反复最大扭矩。
这意味着齿缘和毂间的局部剪应力τ应小于局部摩擦力（P+σ）μ的一半：
（P+σ）μ/τ＞2=Flim/F
P=公称紧缩压力
σ=由齿轮啮合力引起的局部径向应力
μ=摩擦系数
可用下述方法：
每单位面宽的公称切向力：
Ft=2000T/（bd1）
T=小齿轮力矩（Nm）
b=紧缩配合面的面宽（mm）
d1=小齿轮的参考直径（mm）
用于计算中每单位面宽的力：
F=FtKA
如果轴向齿力方向的位移被如凸缘所限制，或双人字齿轮缘由一体构成。
F=FtKA/cosβ在所有其他情况下
紧缩压力P取决于收缩量、相等的抡缘厚度SV和轮毂的挠性。
SV=S＋mn（0.85－1.1mn/s）
S=从齿根至收缩直径df的缘厚度（mm）
（仅对S＞2mn有效）
图1紧缩配合轮缘
若微小位移可望出现时，每单位齿面宽负荷极限Flim为：
Flim=FrefFcorrFroll
Fref=参考载荷极限，按下计算：
Fref=5.65pμs（0.7+2μ）
Fcorr=考虑毂的挠性影响的校正系数（即设计和弹性模数Ehub）。
对实心钢毂是一致的。
其他的按下计算：
Fcorr=1.586－2.86·10-6Ehub+f（b/bw）
式中f（b/bw）考虑了毂和连接板的挠性。
bw是连接板的表面总宽。
f（b/bw）=0.404·10-3（b/bw）3－0.01（b/bw）2+0.09b/bw－0.081
（如果b=bw，等于0）
Froll考虑到由轴向力部分引起的狭窄轮缘（面宽bhelix）的滚动载荷（切向扭曲）。
滚动力矩导致面宽一端的表面压力减小。
这点对具有两个分离轮缘双人字齿轮尤为重要。
即使有轴向凸缘，Froll仍适用。
Froll取最小的整数值
或（bhelix/df+0.02）4.8/tanβ
或（bhelix/（s+1.3mn）+0.4）0.2887/tanβ
摩擦系数μ可从表B2中选取。
表B2摩擦系数μ
表面状态
毂材料
钢
灰铸铁或
球墨铸铁
轮缘在油中加热
0.13
0.10
轮缘在气炉中加热，但不能防止油渗入配合面
0.15
0.12
表面脱脂并防止油渗入或带局部屈服的特别高的表面压力
0.20
0.16
图2高表面压力的紧缩配合轮体（仅应用于轴端凸缘）
抗微小位移安全系数：
S=（p+σ）μ/τ=Flim/F
B500螺栓连接轮体
501螺栓连接的轮体（和小齿轮，如适用）应设计得能避免在通过齿轮啮合区时，由脉动剪应力引起的螺栓疲劳失效。
指导性意见
如果轮体是径向支撑的且无径向间隙，则脉动螺栓力可减小。
———指导性意见结束———
图2螺栓连接的轮体
502与毂相比为弹性的齿轮缘，应按要求（一般通过FEM的方法）计算相对于T0KA的啮合力的螺栓应力。
剪应力范围不应超过0.25σy。
503用于弹性轮缘的螺栓和螺栓孔应为紧配合，即任何公差的组合都不会导致间隙的出现，或螺栓为带轻微压力配合的铰制安装。
B600轴
601轴应设计得能防止疲劳。
详细标准在入级附注41.4中给出。
但是，各种通用齿轮轴的设计简化标准在第1节B206中给出。
如齿轮传动装置寿命较长（即＞＞106次循环），则轴应设计得能防止可导致疲劳失效的有害磨蚀，见第1节B402。
除非扭振值已规定，第3章第1节G中给出的动态许用应力上限值适用。
602轴可分为两组，即有如下特征的轴：
—重要弯曲应力，如在轴承跨距内的小齿轮和轮轴
—非重要弯曲应力，如套筒轴和小齿轮和齿轮轴承跨距内的轴。
应考虑的主要载荷工况：
—由旋转弯矩和扭振引起的高循环疲劳（＞＞106次循环），见第1节B206B和入级附注41.4第4款
—由从零至全载荷的变化、离合器啮合或起动冲击载荷、反向扭矩等引起的低循环疲劳（103至104次循环），见第1节B206A和入级附注41.4第3款。
特别的是，受重要弯矩作用的轴，如小齿轮和齿轮轴，应根据刚度（考虑齿轮啮合）和高循环疲劳进行尺度设计，但几乎不考虑低循环疲劳，因为第一的两个占优。
B700轴承
701油膜轴承的轴承压力应适合轴承金属材料。
轴承压力计算应包括使用系数KA。
702滚珠和滚柱轴承应有最小的L10a（ISO281）寿命，适合规定的大修期。
对于L10a，润滑油膜的影响应予考虑，除非必要的条件，特别是间隙能满足。
指导性意见
若未规定大修期，寿命为40000小时的轴承可用于传统的船舶，10000小时的轴承可用于快艇或不经常长时间的在全负荷下工作的船舶和装置。
———指导性意见结束———
B800壳体
801对焊接齿轮箱壳体应进行消除应力处理。
可证明的将来可能的扭曲不会对齿轮传动的可靠性产生不利影响的设计可免除此要求。
802应设检查开口以便检查所有的小齿轮和齿轮以及为离合器应急螺栓提供通道（如适用）。
对于特殊设计（如某些行星齿轮），开口会对设计强度产生严重影响，用于内孔表面检查仪的开孔可予接受以代替开口。
这种开孔应位于可对所有齿轮进行内孔表面检查的地方。
803应设至所有检查口的便利通道，即无管子或冷却器等阻止通道。
804为防止生锈，齿轮箱壳体应有良好通风。
B900润滑系统
901滑油系统应设计得能在如第1章第3节B200所描述的所有环境工况下向所有轴承、齿轮啮合面和其它需要油润滑的部件提供充足的油用于润滑和冷却。
902滑油系统至少包括：
—一台滑油泵以提供循环油
—一个精度适合的滤器，用于齿轮、液压系统和轴承（见B702）。
通常为40μm或更小。
—如需要，一台冷却器以便在最坏的相关工况下使油温保持在规定的最大温度范围内。
903用于推进的齿轮传动装置，若螺旋桨自转是有害的且被视为正常工况，则应：
—一个轴制动装置，可保持（静态）最大预期自转扭矩的两倍的扭矩值，或
—一台额外的油泵，与要求的作为备用的泵不同。
所选方案应能在停车后30秒内自动投入运行。
904用于推进的齿轮传动装置一般有一台附属泵。
通常在较低的速度下运行，附属泵不能提供足够的油压（如带频率控制电机的装置），下述方案可予接受：
—一台额外的电动油泵，在给定油压下投入运行，或者
—2台排量相同的电动主泵，一台设置为可立即投入的备用泵。
2台主泵由不同的配电板供电。
905推进齿轮箱滑油系统的布置应能使齿轮传动在失电后运行5分钟而不损坏任何轴承和轮齿。
可通过如下方案提供：
—1台附属泵，带附加的重力油箱（如需要）
—电动泵，其重力油箱有足够的容积和高度以满足5分钟的供应。
906单推进装置的齿轮传动装置应有一台可立即投入的备用泵。
907单推进装置的齿轮传动装置，其过滤系统的布置应保证在不中断供油的情况下可清洗滤器。
C检查和试验
C100部件证书
101关于认证方案、短期、制造检查安排（MSA）和重要条件，见第2章第2节。
102如未在MSA中另有认可，应根据表C1和200至400的要求，对齿轮传动装置的部件进行测试和提供文件，见第2章第2节C100。
在200至400中，对表C1所列的测试和检查有更详细的描述。
表C1证明文件和试验要求
部件
产品证书
化学成分
机械特性
X光或超声试验
裂纹探测1）
目测和尺寸检查
其它2）
小齿轮和齿轮
NV
见200—表C2
内置离合器、弯矩顺从和弹性联轴节
NV
分别见第3节C、第4节C、和第5节C
轴、刚性联轴节和毂
见第1节C
焊接齿轮
W
W3）
W3）
W3）
W6）
壳体（焊接）
W
W
W4）
W5）
W6）
壳体（铸造）
W
螺栓和键
TR
TR
附件
见C400
1）通过磁粉检查或着色。
2）详细内容见相关章节。
3）最终热处理后（如表面硬化）
4）厚度＞100mm
5）轴承附近的焊缝（最少为待检验齿轮的10%）
6）应力消除（时间—温度图表）
C200小齿轮和轮
201200中的要求适用于小齿轮和齿轮的有齿的部分。
这些要求的摘要列于表C2。
202引入的材料应备有带工作证书（W）的证明文件，并在下述认可的说明内：
—化学成分（钢包分析）
—在合适的机加工阶段进行超声波测试。
对于定为“高级”的齿轮，认可中指定的附加文件要求适用：
—光洁度，根据ISO4967
—氧气含量
—粒度，根据ISO643
—根据认可的程序锻造和滚压。
也可参见第2章第5节。
对于以最后中心热处理状态供货的材料，如淬火钢和回火钢，后续渗氮、感应淬火或无进一步的热处理，203中的附加证明文件的要求适用。
203淬火和回火钢（QT）或正火钢（N），下述工作证书（W）的证明文件的要求适用：
a）淬火和回火钢（QT）的机械特性，控制部分（见ISO6336-5附件A）超过250mm或硬化能力与齿根对应深度处获得的最小的硬度一致。
b）低于上述规格的QT钢和所有规格的正火钢的表面硬度（HB）
204对于表面硬化，齿轮制造厂或热处理分包厂应有一个船级社接受的质量控制体系。
质量控制体系应规定：
—适合的热处理应在机加工之前进行以避免淬火期间过多的变形
—渗碳应在炉内环境可控的熔炉中进行。
熔炉应配备温度和碳势控制并做连续记录。
—在定期和认可的间隔内通过试样检查表面硬化过程中表面显微结构和中心显微结构。
详细情况见205
—热处理后对齿轮进行喷丸清洗。
1）如果未满足或部分满足此要求，则在验船师在场的情况下对本段和205、206中不满足要求的元件进行检验。
2）试样应能代表典型规格齿轮的淬火率，试样中心的硬度和显微结构可代表典型齿轮中心的情况。
试样的材质类型应与典型齿轮相同。
近似的尺寸为最小直径6模数，长度12模数。
这个模数可为待认证的实际齿轮的模数或从该类材料的产品中较上范围内选取。
试样将整个热处理和喷丸清洗过程并与小齿轮和大齿轮轮一块淬火，淬火率应尽可能代表典型齿轮。
205关于204表面（即抛光深度小于0.03mm）显微结构的要求为：
a）外部0.1mm的表面，其表面硬度的减小不超过2HRC
b）放大400倍检查表面和0.2mm深处的碳化物沉淀。
仅精细分散的碳化物可接受，ISO6336-5
c）表面和0.2mm深处的残留奥氏体不应超过25%。
可通过与相关的图片对照或校准磁致弹性法进行检验
d）未抛光表面处晶粒间的氧化深度（IGO）不超过10+6t550（μm）。
t550应以mm给出。
对试样中间中心情况的要求：
—无不均质铁素体的马氏体或贝氏体
—硬度与认可的规定值一致。
如果不满足这些要求，根据特殊的考虑，齿根应力、接触应力和接触温度（对于刮伤）可减小。
206对于表面硬化，除204和205的要求外，下述也适用。
每一批硬化的和每种材质都应备证明文件（W）：
a）硬度剖面1），重点在深度至550HV和400HV。
对于芯部硬度低于300HV的，深度至300HV也应予检查。
b）芯部冲击能量（KV）2）
c）每个小齿轮和大齿轮中剖面处的齿根硬度3）。
应在验船师在场的情况下检查。
1）整个热处理过程后取样检查表面深度。
样品材质应与待认证的齿轮的材质相同，标准规格。
这些小样品和204中提到的代表样品之间的联系应通过比较测量备证明文件。
2）中心冲击能量旨在检测不可接受的晶粒生长，并且通过至少两次试验证实。
试验在从整个热处理过程后的取样样品的中心抽取的试件上进行。
样品直径至少为2个模数。
样品由从齿轮锻造的切线方向取出的材料制成。
如果尺度影响不能抽取切向试样，则可从纵向抽取。
除非另有认可，冲击能量至少为30J。
如果从有纵向晶流的本体纵向抽取试样，冲击能量最小值为40J。
如果满足下述条件，则中心冲击能量试验可免除：
—渗碳温度低于930℃
—至550HV的最大规定表面深度低于3.0mm
—化学成分中包含阻碍晶粒增长的元素（如铝）
—执行了热处理制造检查安排。
3）对于模数大于等于10mm的，面宽中部齿根处的表面硬度应予检查。
抛光一小块地方（无研磨，抛光厚度不小于0.03mm），通过一个低作用力测试器测量硬度。
除非另有认可，最小硬度应为58HRC。
对于各种型号的材料，制造厂可实施认可的试验程序以确定限定规格，限定规格以下的，其表面硬度很可能为58HRC或更大，并且对单个齿轮不要求做这样的硬度测试。
程序试验应涵盖各种不同的设计和淬火浴。
207通过整个氮化过程后的试验对每批热处理的氮化齿轮备带工作证书（W）的证明文件，包括：
—硬化层深度（至400HV）
—白层厚度（＜0.025mm）
试样材质类型应与齿轮相同。
中心特性应按203的描述备证明文件。
208感应淬火或火焰淬火齿轮应备有带NV证书的证明文件，涉及：
—硬度轮廓
—节径处的硬度厚度
—齿根处的硬度厚度
—表面结构，随机检查（主要是精细针状马氏体）。
在与实际齿轮几何形状（外形和齿根形状）和材质型号相同的代表性试件上检验硬度曲线（除面宽较小的齿轮）。
对于批量生产的齿轮，试验至少应在每批之前和之后进行。
硬度曲线检验适用于试件末端和中间部分。
所有三部分的值都应在认可的最小和最大范围之间。
对每个齿轮的末端应进行目测检查，轮廓应与试件一致。
对于火焰硬化（见ISO6336-5）的小齿轮，仅需检查表面结构（随机）和外部轮廓。
中心特性按203的描述备证明文件。
209对于所有面都硬化的齿，应测量最终齿根面硬度并备带工作证书（W）的证明文件。
在靠近齿端和中部以及每个90°处直接测量硬度。
除非合适的表面抛光，最好采用低作用力试验。
对于批量生产的，不太频繁的检查可予认可。
210应对所有齿进行裂纹探测，任何裂纹都不予接受，备带工作证书（W）的证明文件。
普通齿轮的检查可通过湿荧光磁粉法进行。
但是，氮化或表面未硬化的齿轮的检查可通过渗液法进行。
对于批量生产的齿轮，裂纹探测范围可减小并予认可。
裂纹探测应在所有喷丸处理之前进行。
211对表面硬化齿轮应随机地进行研磨回火检查并备试验报告（TR）。
检查可通过：
—natal蚀刻每ISO14104或ANSI和AGMA2007-B92（10%的效用面积上允许B级回火（FBI））
或
—校准磁致弹性法（接受标准应经特殊考虑）。
212根据ISO1328小齿轮和轮的齿精度应备带工作证书（W）的如下证明文件：
—规定等级为4或更好，应测量所有小齿轮和轮
—规定等级为5，至少测量50%
—规定等级为5，至少测量20%
—规定等级为7或比较粗糙的，至少测量5%。
1）若由于尺寸和重量致使不能测量轮，则至少应测量每个配合小齿轮。
如果认可要求，则应测量斜齿轮（不在ISO1328的范围内）的斜度和齿形误差。
通常，应在无载荷啮合试验中检查所有斜齿轮组的精度。
无载荷接触模式应与规定一致，且证明文件应与齿轮组一同送至装配车间。
213验船师应检查所有要求的证明文件，并特别注意目测检查小齿轮和大齿轮的：
—齿侧表面粗糙度
—齿根圆角半径
—齿根圆角区域的表面粗糙度
—齿根圆角区域可能的磨痕。
齿根区域的任何磨损（或其他机加工）均不予接受，除非经特殊认可。
表C2证书要求概要
试验
表面硬化
氮化
感应淬火和火焰淬火
淬透（QT）
无淬火（N）
化学成分1）
W
W
W
W
超声波2）
W
W
W
W
机械特性3）
W
W
W
表面硬度（HB）
W3）
W3）
W3）
表面硬化剖面4）
W
W
NV
齿中心冲击能量（KV）
W
齿根硬度5）
NV
白层厚度
W
最终齿侧硬度
W
W
W
所有齿的裂纹探测6）
W
W
W
W
W
随机研磨回火检查
TR
齿精度7）
W
W
W
W
W
目测检查8）
NV
NV
NV
NV
NV
1）适用于引入的材料
2）在合适的加工条件下,即在锻造后,表面淬火前
3）“控制部分“尺度＞250mm的齿轮（见ISO6336-5附件A）
4）有关的试验参数，见206，207或208
5）模数≥10mm，中面
6）任何喷丸表面清理过程之前
7）文件范围见212
8）检查范围见213
C300焊接齿轮设计
301焊接齿轮应备有带工作证书（W）的下述证明文件：
—所有材料的化学成分和机械特性
—应力释放（时间—温度图）
—根据ISO5817要求，100%的焊接质量控制。
除非另有认可，内部缺
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