机械设计基础课件

第十二章齿轮传动§1、齿轮传动的应用和种类§2、齿轮的材料§3、轮齿的失效形式及计算准则§4、齿轮的构造§5、齿轮的润滑§1齿轮传动的应用和种类一、齿轮传动的应用齿轮传动用于传递空间任意两轴之间的运动和动力，是机械中应用最广泛的传动形式之一。和其他传动形式相比，它具有下列优点：1）能保证传动比恒定不变；2）适用的载荷与速度范围广，传递的功率范围大，圆周速度可达150m/s；3）结构紧凑；4）效率高；5）工作可靠且寿命长。其主要缺点是：1）对制造及安装精度要求较高；2）当两轴距离较大时，采用齿轮传动较笨重。二、齿轮的分类（一）按照两齿轮轴线的相对位置可以分为：1、平行轴齿轮传动abc图9-1外啮合直齿轮传动（图9-1a）外啮合斜齿轮传动（图9-1b）人字形齿轮传动（图9-1c）de内啮合直齿轮传动（图9-1e）直齿轮齿条传动（图9-1d）2、相交轴齿轮传动图9-2图9-3直齿锥齿传动（图9-2）曲齿锥齿传动（图9-3）3、交错轴齿轮传动图9-4图9-5交错轴斜齿轮传动（图9-4）交错轴蜗杆传动（图9-5）齿轮传动的类型图9-6（二）按照齿轮传动的工作情况可以分为：1、开式齿轮传动齿轮是外露的。多用于低速传动。2、闭式齿轮传动齿轮全装在润滑良好的密封刚性箱体内。多用于重要的传动。（三）按照齿轮的圆周速度可以分为：1、低速传动，圆周速度v〈3m/s；2、中速传动，v=3~15m/s；3、高速传动，v〉15m/s。（四）按齿面硬度可分为：1、软齿面齿轮传动，≤350HBS2、硬齿面齿轮传动，＞350HBS（五）按齿廓曲线分渐开线齿轮(1765年)、摆线齿轮(1650年)、圆弧齿轮(1950年)、抛物线齿轮(近年)

§2齿轮材料及选用原则一、常用的齿轮材料及选择原则对齿轮材料性能的基本要求：齿面要硬、齿芯要韧。1、常用材料（1）钢：45、40Cr、40CrNi、ZG310─570、ZG340—640等。按照加工技术及承载能力，钢齿轮可以分为两类：1.轮齿工作表面硬度≤350HBS的齿轮。软齿面2.轮齿工作表面硬度＞350HBS的齿轮。硬齿面（2）铸铁：HT250、HT300、HT350、QT500—5、QT600—2、ZG310-570（3）非金属材料：例如夹布塑胶、尼龙等。2、齿轮材料的选择原则①必须满足工作要求；②应考虑齿轮尺寸的大小、毛坯成型方法及热处理和制造工艺；③经济性要求。二、齿轮热处理

①一般齿轮传动：正火和调质②重要齿轮传动（高速、重载、精密传动：表面淬火、渗碳淬火③为使一对齿轮的承载能力与寿命接近，应保持一对齿面的硬度差。对软齿面齿轮：HBS1-HBS2=30～50（小齿轮为HBS1）；对一硬一软（HBS1>350，HBS2<350）：HBS1-HBS2>50；小齿轮齿根强度较弱;小齿轮的应力循环次数较多;当大小齿轮有较大硬度差时,较硬的小齿轮会对较软的大齿轮齿面产生冷作硬化的作用,可提高大齿轮的接触疲劳强度.

对均为硬齿面：两齿面不必有硬度差。§3齿轮传动的失效形式及计算准则一、齿轮传动的失效形式齿轮传动从工作条件来说，有开式、闭式之分；就使用情况来说，有低速、高速及轻载、重载之别，再加上齿轮材料的性能及热处理工艺的不同，轮齿有较脆或较韧，齿面有较硬或较软的差别等，因而齿轮传动有不同的失效形式。一般齿轮传动的失效主要是轮齿的失效。通常有轮齿折断和工作齿面磨损、点蚀、胶合及塑性变形1、轮齿折断一般发生在齿根处，疲劳折断、严重过载突然断裂、局部折断。1）疲劳折断产生原因：①齿根处弯曲应力较大；②齿根处过渡圆弧处有应力集中，当轮齿重复受载后，齿根处产生疲劳裂纹，并逐步扩展，致使轮齿疲劳折断。防止措施：①增大齿根圆角半径，x↑，齿面精度↑，以降低应力集中②采用热处理提高材料的冲击韧性；③从设计上，σF≤[σF]。潘存云教授研制.轮齿折断2）过载折断（或剪断）产生原因：①突然过载或者强烈冲击；②模数太小，齿根厚度太小，材料太脆。防止措施：①仔细操作；②适当增大模数；③采用热处理提高材料的冲击韧性。3）局部折断在斜齿圆柱齿轮传动中，轮齿工作面上的接触线为一斜线，轮齿受载后，如有载荷集中时，就会发生局部折断。若制造及安装不良或轴的弯曲变形过大，轮齿局部受载过大时，即使是直齿圆柱齿轮，也会发生局部折断。局部折断2、齿面磨损磨料磨损和跑合磨损磨料磨损是开式齿轮传动的主要失效形式。产生原因：砂粒、金属微粒进入啮合齿面，产生磨料磨损。防止或改善措施：①增大齿面硬度；②采用闭式传动或加防护罩；③改善润滑条件。潘存云教授研制齿面磨损3、齿面点蚀在闭式齿轮传动中，常发生点蚀。软齿面闭式齿轮传动常因点蚀而失效。开式齿轮传动不易发生。点蚀：齿面材料在变化着的接触应力作用下，由于疲劳而产生的麻点状损伤现象。齿产生原因：①齿面接触应力太大；②当出现裂纹时，油渗入裂纹产生楔裂作用。防止措施：①提高齿面硬度；②增大齿廓曲率半径ρ（减小接触应力）；③增大油的粘度（有利于油膜的形成，使两齿面隔开，粘度高的油不易渗入裂纹）。潘存云教授研制潘存云教授研制齿面接触疲劳齿面点蚀4、齿面胶合胶合：相啮合齿面的金属，在一定压力下直接接触而相互粘连。当齿面相对滑动时，较软的齿面沿滑动方向被撕下而形成沟纹。产生原因：温度过高，引起油膜破裂热胶合：高速重载，齿面间摩擦力，发热量大；冷胶合：低速重载，速度过低，不易产生油膜。防止或改善措施：①对于低速重载，可提高油的粘度②对高速重载，可采用抗胶合能力强的油；③采用抗胶合能力强的材料及合理配对齿轮；④提高齿面硬度。潘存云教授研制.齿面胶合5、塑性变形塑性变形：齿面材料因屈服产生塑性流动而形成齿面塑性变形。产生原因：①齿面太软；②载荷太大。防止措施：①提高齿面硬度；②提高油的粘度。潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制表面凸出表面凹陷塑性变形小结：一对实际啮合齿轮不可能同时产生以上5种失效形式，在具体工作条件下，主要以以上5种失效形式的一种或两种。主要失效形式：开式传动：齿面磨损、轮齿折断；闭式传动：软齿面（HBS≤350）钢齿，点蚀；硬齿面钢齿或铸铁，轮齿折断。高速重载：胶合重载软齿：塑性变形二、轮齿传动的计算准则1、计算准则防止点蚀：接触疲劳强度准则，σH≤[σH]；防止折断：齿根弯曲疲劳强度准则，σF≤[σF]。2、计算特点（1）闭式软齿面钢齿：以接触疲劳强度准则为主；（2）闭式硬齿面钢齿或铸铁：以弯曲疲劳强度准则为主；（3）开式传动：以弯曲疲劳强度准则为主，考虑磨损的影响适当增大模数。（10～15%）（4）特殊情况（高速重载等）3、计算理论弯曲疲劳强度：悬臂梁理论接触疲劳强度：Hertz（赫芝）理论2）方向Ft1对主动轮来说是阻力，与啮合点圆周速度方向相反；Ft2对从动轮来说是驱动力。Fr的方向为过啮合点的径向线，指向轮心。三、直齿圆柱齿轮传动的受力分析1）大小转距T1由主动齿轮1传给从动齿轮2.轮齿上的法向力Fn在节点C沿着啮合线方向作用于齿面.在分度圆上,法向力Fn可分解为两个互相垂直的分力:切于分度圆上的圆周力Ft和沿半径方向上的径向力Fr.Ft=2T1/d1,T1=955x106P1/n1N.mmFr=FttanαFn=Ft/cosα

式中T1小齿轮传递的转矩；d1小齿轮的分度圆直径；α啮合角，对标准齿轮α=200。四、斜齿圆柱齿轮的受力分析1、力的大小式中β为节圆螺旋角，对标准斜齿轮即为分度圆螺旋角；βb啮合平面的螺旋角，即基圆螺旋角，αn法向压力角，对标准斜齿轮，αn=200，αt为端面压力角。2、方向的确定圆周力径向力轴向力：左右手法则Fa1Fa2Fr2Fr1Ft1Ft2三、圆锥齿轮的受力分析1、力的大小式中Fr1与Fa2及Fa1与Fr2大小相等、方向相反。

2、力的方向

Ft与直齿轮相同；Fr1、Fr2垂直指向齿轮轴线；Fa1、Fa2平行齿轮轴线，指向锥齿轮大端。例

Fa1Fa2Fr2Fr1Ft1Ft2n2n1设计：潘存云§4齿轮的构造直径较小的钢质齿轮，当齿根圆直径与轴径接近时，可以将齿轮与轴做成一体，称为齿轮轴。如果齿轮的直径比轴径大得多，则应把齿轮和轴分开制造。1.齿轮轴2.实心齿轮设计：潘存云dh=1.6ds;lh=(1.2.~1.5)ds,并使lh

≥b

c=0.3b;δ=(2.5.~4)mn,但不小于8mmd0和d按结构取定，当d较小时可不开孔3.腹板式齿轮设计：潘存云dd0bdsdhda斜度1:10lhδc3.腹板式齿轮dh=1.6ds;lh=(1.2.~1.5)ds,并使lh

≥b

c=0.3b;δ=(2.5.~4)mn,但不小于8mmd0和d按结构取定。设计：潘存云bdsdhda斜度1:10lhδc设计：潘存云锥齿轮的构造如图9-２９及图9-３0所示，其轮辐横截面常为T字型。图９－２９图９－３０§5齿轮的润滑一、齿轮传动的润滑方式开式及半开式