2014-2015机械设计基础课件11齿轮传动

1、11齿轮传动11.1 齿轮传动的失效形式11.5 直齿圆柱齿轮传动的接触强度计算11.8 斜齿圆柱齿轮传动11.9 直齿圆锥齿轮传动11.2 齿轮材料及热处理11.4 直齿圆柱齿轮传动的作用力与计算载荷11.7 设计圆柱齿轮时材料和设计参数选择11.11 齿轮传动的润滑与效率11.3 齿轮传动的精度11.6 直齿圆柱齿轮传动的弯曲强度计算11.10 齿轮的构造齿轮传动的形式 11齿轮传动(1) 直齿圆柱齿轮传动齿轮传动的形式 11齿轮传动(2) 斜齿圆柱齿轮传动(3) 直齿圆锥齿轮传动 11齿轮传动齿轮传动的形式(4) 蜗杆和蜗轮传动 11齿轮传动齿轮传动的形式(5) 二级圆柱齿轮减速器 11

2、齿轮传动(6) 齿轮的结构ReCD1DLbdaedad6均布A齿轮传动的失效形式有轮齿折断、齿面点蚀、齿面胶合、齿面磨损和塑性变形。轮齿折断 齿面点蚀 齿面胶合 齿面磨损 11.1 齿轮传动的失效形式塑性变形 11.1 齿轮传动的失效形式轮齿折断 轮齿折断一般发生在齿根部分，因轮齿受力时齿根弯曲应力最大，而且有应力集中。 过载折断 因短时意外的严重过载而引起的突然折断，称为。用淬火钢或铸铁制成的齿轮，容易发生这种折断。 疲劳折断 在载荷的重复作用下，弯曲应力超过弯曲疲劳极限时，齿根部分将产生裂纹，裂纹逐渐扩展，最终将引起轮齿折断。 若轮齿单侧工作时，弯曲应力一侧为拉伸，另一侧为压缩，轮齿脱离啮

3、合时，弯曲应力为零，应力是脉动循环变化的。若轮齿双侧工作时，则弯曲应力是对称循环变化。轮齿折断、齿面点蚀、齿面胶合、齿面磨损和塑性变形。(2) 齿面点蚀 轮齿接触应力由零(该点未进人啮合时)增加到一最大值(该点啮合时)，即是按脉动循环变化的。若齿面接触应力超出材料的接触疲劳极限时，齿面表层就会产生细微的疲劳裂纹，裂纹的蔓延扩展使金属微粒剥落下来而形成疲劳点蚀。 实践表明，疲劳点蚀首先出现在齿根表面靠近节线处。这是因为在该处同时啮合的齿数较少，接触应力较大。 齿面抗点蚀能力主要与齿面硬度有关，齿面硬度越高，抗点蚀能力越强。 软齿面(HBS350)的闭式齿轮传动常因齿面点蚀而失效。在开式传动中，由

4、于齿面磨损轻快，点蚀还来不及出现或扩展即被磨掉，所以一般看不到点蚀现象。 (3) 齿面胶合 在高速重载传动中，齿面间压力大、相对滑动速度高，因摩擦发热而使啮合区温度升高而引起润滑失效，致使两齿面金属直接接触并相互粘连，较软的齿面沿滑动方向被撕下而形成沟纹。 齿面胶合主要发生在齿顶、齿根等相对速度较大处。在低速重载传动中，由于齿面间的润滑油膜不易形成，也易产生胶合破坏。 提高齿面硬度和减小粗糙度值能增强抗胶合能力，对于低速传动采用粘度较大的润滑油；对于高速传动，采用含抗胶合添加剂的润滑油也很有效。 (4) 齿面磨损 齿面过度磨损后，齿廓显著变形，常导致严重噪声和振动，最终使传动失效。 齿面磨损通

5、常有磨粒磨损和跑合磨损两种。 由于灰尘、硬屑粒等进入齿面间而引起的磨粒磨损，在开式传动中是难以避免的。 采用闭式传动、减小齿面粗糙度和保持良好的润滑可以防止或减轻磨粒磨损。 新的齿轮副，由于加工后表面具有一定的粗糙度，受载时实际上只有部分峰顶接触。接触处压强很高，因而在开始运转期间，磨损速度和磨损量都较大，磨损到一定程度后，摩擦面逐渐光洁，压强减小、磨损速度缓慢，这种磨损称为跑合。但应注意，跑台结束后，必须清洗和更换润滑油。(5) 塑性变形 在重载下，较软的齿面上可能产生局部的塑性变形，使齿廓失去正确的齿形。这种损坏常在过载严重和起动频繁的传动中遇到。 齿面沿摩擦力方向塑性变形主凹、从凸211

6、1.2 齿轮材料及热处理1、齿轮材料的要求：齿面具有足够的硬度，以提高抗磨损、抗塑性变形、抗点蚀以及抗胶合的能力；在变载荷和冲击载荷的作用下有足够的弯曲疲劳强度；具有良好的加工和热处理工艺性；成本价格低；2、常用的齿轮材料（锻钢、轧制钢材、铸钢、铸铁） 各种牌号的优质碳素钢、合金结构钢、铸钢和铸铁等，一般多采用锻件或轧制钢材。 当齿轮较大(例如直径大于400600 mm)而轮坯不易锻造时，可采用铸钢；开式低速传动可采用灰铸铁；球墨铸铁有时可代替铸钢。3、齿轮常用的热处理方法：（1）表面淬火 表面淬火用于中碳钢和中碳合金钢，例如45钢、40Cr等。表面淬火后轮齿变形不大， 可不磨齿，齿面硬度可达

7、52-56HRC。齿面硬耐磨性好，而齿芯韧故能承受一定的冲击载荷。表面淬火的方法有高频淬火和火焰淬火等。（2）渗碳淬火 渗碳钢为含碳量0 150 25的低碳钢和低碳合金钢，例如20钢，20Cr等。渗碳淬火后齿面硬度可达56-62HRC，齿面硬耐磨性好，而齿芯韧，常用于受冲击载荷的重要齿轮传动。通常渗碳淬火后要磨齿。（3）调质 调质用于中碳钢和中碳合金钢，例如45钢，40Cr、35SiMn等。调质处理后齿面硬度为220286HBS。因硬度不高，故可在热处理以后精切齿形，且在使用中易于跑合。4、正火 正火能消除内应力、细化晶粒、改善力学性能和切削性能。机械强度要求不高的齿轮可用中 碳钢正火处理，大

8、直径的齿轮可用铸钢正火处理，球墨铸铁的机械性能和抗冲击性能远高于灰铸铁可代替某些调质钢的大齿轮。5、渗氨 渗氮后齿面硬度可达60-62HRC。因氮化处理温度低，齿的变形小，因此适用于难以磨齿的场合，例如内齿轮。但由于氮化层很薄，且容易压碎，其承载能力不及渗碳淬火，也不适于受冲击载荷和会产生严重磨损的场合。常用的渗氨钢为38CrMoAIA。 上述五种热处理中，调质和正火两种处理后的齿面硬度较低(HBS350) 为软齿面；其他三种处理后的齿面硬度较高为硬齿面。灰铸铁不能进行热处理为软齿面，较脆抗冲击和抗弯曲能力较差，廉价，抗耐磨、点蚀和抗胶合能力强，用于开式齿轮传动。 软齿面的工艺过程较简单，但尺

9、寸比硬齿面大得多，适用于一般传动，当大小齿轮都是软齿面时，考虑到小齿轮齿根较薄，使小齿轮齿面硬度比大齿轮高2050HBS 。 硬齿面齿轮是当前发展的趋势，当大小齿轮都是硬齿面时，小齿轮的硬度应略高，也可和大齿轮相等。采用硬齿面齿轮时，除应注意材料的机械性能外，还应适当减少齿数、增大模数，以保证轮齿具有足够的弯曲强度；齿轮材料:1. 锻钢 2. 铸钢3. 铸铁4. 非金属材料材料牌号热处理方式强度极限屈服极限硬 度B(N/mm2)S(N/mm2)HBSHRC(齿面)45正火588294169217调质647373229286表面淬火405035SiMn42SiMn调质785510229286表面

10、淬火455540Cr调质73553924l286表面淬火485520CrMnTi渗碳淬火11008505862ZG310570正火570310162197ZG340640正火640340179207调质700380241269HT250250170211HT300300187255QT5005正火50014724lQT6002正火600229302 11.3 齿轮传动的精度精度等级：齿轮的精度分为12个等级，1 级精度最高，12 级精度最低（国家标准GB/T100951988）。常用的是69级精度齿轮的公差被划分为3个组，以描述它们对齿轮传动的影响：公差组规范传递运动的准确性；公差组规范传递运

11、动的平稳性；公差组规范载荷分配均匀性； 制造和安装齿轮时会产生误差：齿形误差、齿距误差、齿向误差、两轴线不平行等。误差对传动带来以下三方面的影响：(1)相啮合齿轮在一转范围内实际转角与理论转角不一致，即影响传递运动的准确性。(2)瞬时传动比不能保持恒定，齿轮在一转范围内会出现转速波动，在高速传动中引起振动、冲击和噪声，即影响传递运动的平稳性。(3)齿向误差能使齿轮上的载荷分布不均匀，当传递较大转矩时，易引起早期损坏，即影响载荷分布的均匀性。 考虑到齿轮制造误差以及工作时轮齿变形和受热膨胀，同时为了便于润滑，需要有一定的齿侧间隙，为此，标准中还规定了14种齿厚偏差。 11.4 直齿圆柱齿轮传动的

12、作用力与计算载荷闭式传动：齿轮工作于封闭的箱体之中。开式传动：齿轮工作于非封闭的箱体之中。软齿面齿轮：齿轮齿面的硬度小于或等于350 HBS。硬齿面齿轮：齿轮齿面的硬度大于350 HBS。11.4.1 轮齿上的作用力防止齿面点蚀：限制齿面的接触应力，使齿面的接触应力小于齿轮材料的许用接触应力。防止轮齿折断：限制齿根的弯曲应力，使齿根的弯曲应力小于齿轮材料的许用接触应力。当传递的功率为P (kW)、转速为n (r/min)时，名义功率所对应的载荷T (Nmm)与圆周力Ft 分别为圆周力：Ft = 2T/d N转矩：(1) 名义载荷 为了计算轮齿的接触应力和弯曲应力，设计轴和轴承，有必要分析轮齿上

13、的作用力。(2) 直齿圆柱齿轮上的作用力 直齿圆柱齿轮节圆上的圆周力Ft1、径向力Fr1与法向力Fn1分别为11112与1 反向 与2 同向t2 (从):由啮合点指向轮心t1 (主):trFnc= K Fn = KA K v K Fn使用系数KA ：原动机、工作机的特性引起的附加动载荷成分。动载荷系数Kv ：齿轮副的啮合误差、基圆齿距误差、齿形误差、轮齿变形等引起的附加动载荷成分。(3) 计算载荷齿宽载荷分配系数K ：齿宽载荷分布不均匀引起附加 载荷成分。11.5 直齿圆柱齿轮传动的接触强度计算N2N1rb1rb2O2O1d2/2d1/221C图11.5齿面接触应力两圆柱体的接触bFnFn(1

14、) 齿面接触应力取节点为计算点Fn1Fn2节点接触的齿面曲率半径1、 2与计算载荷Fnc(2) 两个圆柱体的接触应力H 计算公式xyOrbAKN基圆分度圆d1/2(4) 齿面接触应力的计算公式(5) 齿面接触应力的校核公式(6) 材料弹性系数ZE 表11.4 材料弹性系数ZE （N/mm2）齿轮材料配对齿轮材料锻钢铸钢球墨铸铁灰铸铁锻钢189.8188.9186.4162.0铸钢188.0180.5161.4球墨铸铁173.9156.6灰铸铁143.7(7)许用接触应力H应取配对齿轮中的较小的许用接触应力。式中： Hlim为试验齿轮失效概率为1100时的接触疲劳强度极限值，它与齿面硬度有关，见

15、表11-1； SH为安全系数，见表11-5。11.6 直齿圆柱齿轮传动的弯曲强度计算图11.7齿根危险截面的确定hFbFN2rb1O1d1/21CFnFnsinFFncosFFhF300300Fn 计算弯曲强度时，假定全部载荷仅由一对轮齿承担。当载荷作用于齿顶时，齿根所受的弯曲力矩最大。 计算时将轮齿看作悬臂梁。其危险截面用30切线法确定，即作与轮齿对称中心线成30。夹角并与齿根圆角相切的斜线，两切点连线是危险截面位置11.6 直齿圆柱齿轮传动的弯曲强度计算(1) 校核计算公式 式中：YFa称为齿形系数。因hF和sF均与模数成正比，故YFa 只与齿形中的尺寸比例即齿数有关而与模数无关，见图11

16、-8。考虑在齿根部有应力集中，引入应力集中系数YSa，见图1l-9。斜: z V= z /cos3锥: z V= z /cos表11.6F01 齿形系数YF和应力修正系数YSz (zv)17181920212223242526272829YF2.972.912.852.802.762.722.692.652.622.602.572.552.53YS1.521.531.541.551.561.571.5751.581.591.5951.601.611.62z (zv)303540455060708090100150200YF2.522.452.402.352.322.282.242.222.20

17、2.182.142.122.06YS1.631.651.671.681.701.731.751.771.781.791.831.871.97(1) 校核计算公式(2) 设计计算公式直齿圆柱齿轮弯曲强度对应的模数为 FE试验轮齿失效概率为l100时的齿根弯曲疲劳极限值，见表11-l。若轮齿两面工作时，应将表中的数值乘0.7。 SF安全系数，见表115。 用式(11-5)验算弯曲强度时，应该对大、小齿轮分别进行验算； 用公式(11-6)计算m时，应比较 ，以大值代入公式求m。注意：算得的m值是必需的最小值，还应按表4-1圆整为标准模数值才能制造出来。传递动力的齿轮，其模数不宜小于1.5 mm。选定

18、模数后，齿轮实际的分度圆直径应由d=mz算出。对于开式传动，为考虑齿面磨损，可将算得的m值加大101511.7 设计圆柱齿轮时材料和设计参数选择一、材料 转矩不大时，可试选用碳隶结构钢，若计算出的齿轮直径太大，则可选用舍金结构钢。 轮齿进行表面热处理可提高接触疲劳强度，因而使装置较紧凑，但表面热处理后轮齿会变形，要进行磨齿。表面渗氮齿形变化小，不用磨齿，但氮化层较薄。见11.2节齿轮材料及热处理。 尺寸较大的齿轮可用铸钢，但生产批量小时以锻造较经济。转矩小时，也可选用铸铁。要减小传动噪声，其中一个甚至两个可选用夹布塑料。二、主要参数 1. 齿数比u u=z2z1由传动比i=n1n2而定，为避免

19、大齿轮齿数过多，导致径向尺寸过大，一般应使i7。 2. 齿数z 标准齿轮的齿数应不小于17。齿数多，有利于增加传动的重合度，使传动平稳，但当分度圆直径一定时，增加齿数会使模数减小，有可能造成轮齿弯曲强度不够，一般 zl 1725。 设计时，最好使a值为整数，因中心距a=m(z1+z2)2，当模数m值确定后，调整z1和z2值。调整z1和z2的值后，应保证满足接触强度和弯曲强度，并使u值与所要求的i值的误差不超过3一5。 3. 齿宽系数d及齿宽b d得大，可使齿轮径向尺寸减小，但将使其轴向尺寸增大，导致沿齿向载荷分布不均。d 的取值可参考表11-6。 齿宽可由b= d d1算得，b值应加以圆整，作为大齿轮的齿宽b2，而使小齿轮的齿宽b1=b2+(510)mm，以保证轮齿有足够的啮合宽度。齿轮相对轴承的位置一对或其中一轮齿面硬度 350HBS两轮齿面硬度350HBS对称布置0.81.40.40.9不对称布置0.61.20.30.6悬臂布置0.30.40.20.5表11.6 圆柱齿轮的齿宽系数db/d1右 左n 的分解：其轮齿沿螺旋线方向均匀地分布在圆柱体左、右旋过C建立OXYZ坐标 圆周力t ：沿分度圆 切线方向指向齿面 轴向力a ：与轴线 平行并指向齿面径向力r ：沿半径方 向指向齿面端面轴面Fn法面1XYZ切面FrXYZFtFan11.8 斜齿圆柱齿轮传动一、轮齿