机床传动齿轮

车床的传动齿轮摘要：对于车床传动齿轮的性能要求，并确定毛坯材料及毛坯制造方法，画出毛坯零件的制造工艺图(安排热处理工序)。关键词：传动齿轮，热处理，设计引言：齿轮机构用于传递空间任意俩轴之间的运动和动力，它是现代机械中应用最广泛的一种传动机构。运动设计主要包括啮合原理及啮合特点、基本参数和几何尺寸计算等内容；承载能力设计主要包括设计计算准则、齿轮失效、力分析和强度计算等内容。了解齿轮传动的特点、应用及类型；理解齿廓啮合基本定律，掌握渐开线齿廓的形成及其性质，并能在后续相关内容中运用；熟练掌握渐开线圆柱齿轮的基本参数、标准齿轮的几何尺寸计算，能够正确计算；掌握范成法切齿原理、标准齿轮和变位齿轮切制特点以及变位齿轮的尺寸变化。深入理解直齿轮传动运动设计应满足的六个条件及重合度、不根切最少齿数、无侧隙啮合方程等内容，并正确运用重合度等公式进行计算；掌握圆柱齿轮传动的几何尺寸计算及中心距变动系数、齿顶高变动系数等概念；了解标准齿轮传动、高度变位齿轮传动及角度变位齿轮传动的特点。理解斜圆柱齿轮齿廓曲面的形成、基本参数与螺旋角的关系、当量齿轮及当量齿数的概念；理解平行轴斜齿轮传动运动设计的条件，并正确运用其几何尺寸公式进行计算；了解交错轴斜齿轮传动的特点。了解齿轮精度选择的方法，五种失效形式的特点、生成机理及予防或减轻损伤的措施；掌握齿轮材料选择要求、常用钢铁材料选用及其热处理特点。熟练掌握齿轮传动的受力分析，特别是平行轴斜齿轮轴向力的大小和方向的确定，直齿锥齿轮传动轴向力与径向力的关系；理解几个载荷修正系数的意义及其影响因素，减小其影响的方法；熟练掌握直齿圆柱传动的齿面接触疲劳强度计算和齿根弯曲疲劳强度的计算基本理论依据，推导公式的思路，公式中各个参数和系数的意义，掌握其确定方法；参考示范例题，掌握齿轮传动设计的步骤，正确地进行直齿轮传动的强度设计计算；了解平行轴斜齿轮传动和直齿锥齿轮传动的当量齿轮的意义，掌握平行轴斜齿轮传动和直齿锥齿轮传动强度计算特点。掌握齿轮四种结构形式的特点和选择，并能画出齿轮零件的工作图；掌握齿轮传动润滑油种类、粘度及润滑方式的选择齿轮传动主要优点：传动效率高，结构紧凑，工作可靠、寿命长，传动比准确。齿轮机构主要缺点：制造及安装精度要求高，价格较贵，不宜用于两轴间距离较大的场合。传动齿轮的工作条件:齿轮是机械工业中应用最广泛的零件之一，主要用于传递扭矩和调节速度，其工作时的受力情况如下：1由于传递扭矩，齿根承受较大的交变弯曲应力。2齿面相互滑动和滚动，承受较大的接触应力，并发生强烈的摩擦。3由于换挡、启动和啮合不良，齿部承受一定的冲击。传动齿轮的性能要求：齿轮传动的失效主要发生在轮齿部分，其常见失效形式有：轮齿折断、齿面点蚀、齿面磨损、齿面胶合和塑性变形等五种。齿轮其他部分（如齿圈、轮辐、轮毂等）失效很少发生，通常按经验设计。1轮齿折断轮齿在工作过程中，齿根部受较大的交变弯曲应力，并且齿根圆角及切削刀痕产生应力集中。当齿根弯曲应力超过材料的弯曲疲劳极限时，轮齿在受拉一侧将产生疲劳裂纹，随着裂纹的逐渐扩展，导致轮齿疲劳折断。齿宽较小的直齿轮常发生整齿折断。齿宽较大的直齿轮，因制造装配误差易产生载荷偏置一端，导致局部折断。斜齿轮及人字齿轮的接触线是倾斜的，也容易产生局部折断。轮齿受到短期过载或冲击载荷的作用，会发生过载折断。采用正变位齿轮，增大齿根过渡圆角半径，提高齿轮制造精度和安装精度，采用表面强化处理（如喷丸、碾压）等，都可以提高轮齿的抗折断能力。2.齿面点蚀齿轮工作时，在循环变化的接触应力、齿面摩擦力及润滑剂的反复作用下，轮齿表面或次表层出现疲劳裂纹，裂纹逐渐扩展，导致齿面金属剥落形成麻点状凹坑，这种现象称为齿面疲劳点蚀。齿面疲劳点蚀首先出现在齿面节线偏齿根侧。这是因为节线附近齿面相对滑动速度小，油膜不宜形成，摩擦力较大；且节线处同时参与啮合的轮齿对数少，接触应力大。点蚀的发展，会产生振动和噪声，以至不能正常工作而失效。软齿面（W350HBS的新齿轮，开始会出现少量点蚀，但随着齿面的跑合，点蚀可能不再继续扩展，这种点蚀称为收敛性点蚀。硬齿面（＞350HBS齿轮，不会出现局限性点蚀，一旦出现点蚀就会继续发展，称为扩展性点蚀。对于润滑良好的闭式齿轮传动，点蚀是主要失效形式。而在开式传动中，由于齿面磨损较快，一般不会出现点蚀。提高齿面硬度，降低齿面粗糙度值，合理选择润滑油的粘度及采用正变位齿轮传动等，都可以提高齿面抗点蚀能力 3.齿面磨损由于粗糙齿面的摩擦或有砂粒、金属屑等磨料落入齿面之间，都会引起齿面磨损。磨损引起齿廓变形和齿厚减薄，产生振动和噪声，甚至因轮齿过薄而断裂。磨损是开式齿轮传动的主要失效形式。采用闭式齿轮传动，提高齿面硬度，降低齿面粗糙度值，注意保持润滑油清洁等，都有利于减轻齿面磨损4.齿面胶合高速重载齿轮传动，因齿面间压力大、相对滑动速度大，在啮合处摩擦发热多，产生瞬间高温，使油膜破裂，造成齿面金属直接接触并相互粘着，而后随齿面相对运动，又将粘接金属撕落，使齿面形成条状沟痕，产生齿面热胶合。低速重载齿轮传动( vW4m/s),由于啮合处局部压力很高齿，使油膜破裂而粘着，产生齿面冷胶合。齿面胶合会引起振动和噪声，导致失效。采用正变位齿轮、减小模数及降低齿高以减小滑动速度，提高齿面硬度，降低齿面粗糙度值，采用抗胶合能力强的齿轮材料，在润滑油中加入极压添加剂等，都可以提高抗胶合能力。5.齿面塑性变形用较软齿面材料制造的齿轮，在承受重载的传动中，由于摩擦力的作用，齿面表层材料沿摩擦力的方向发生塑性变形。主动轮齿面节线处产生凹坑，从动轮齿面节线处产生凸起。提高齿面硬度和润滑油粘度，可以减轻或防止齿面塑性变形的产生。根据工作条件和失效形式，对于齿轮用材提出如下的性能要求：1高的弯曲疲劳强度2高的接触疲劳强度和耐磨性3齿轮心部要有足够的强度和韧性确定毛坯材料及热处理：齿轮材料选择的要求齿轮材料对齿轮的承载能力和结构尺寸影响很大，合理选择齿轮材料是设计重要内容之一。选择齿轮材料应考虑如下要求：齿面应有足够的硬度，保证齿面抗点蚀、抗磨损、抗胶合和抗塑性变形的能力；轮齿芯部应有足够的强度和韧性，保证齿根抗弯曲能力；此外，还应具有良好的机械加工和热处理工艺性；以及经济性等要求。常用齿轮材料及热处理制造齿轮材料以锻钢(包括轧制钢材)为主，其次是铸钢、铸铁，还有有色金属和非金属材料等。锻钢制造齿轮的锻钢中以合金钢最为常用，不重要的齿轮采用碳钢。锻钢按热处理方法可分为两类。1)调质齿轮用钢 常用材料有40Cr、42SiMn、35CrMo、40CrNiMo、30CrNi3及45号碳钢等。一般经调质或正火处理后切齿，齿轮精度一般为8级，高精度切齿可达7级，齿面硬度w350HBS称为软齿面齿轮。一对软齿面齿轮啮合，由于小齿轮啮合次数比大齿轮多，小齿轮易磨损，为了使大、小齿轮寿命接近相等，应使小齿轮的齿面硬度比大齿轮高30飞0HBS软齿面齿轮用于齿轮尺寸紧凑性和精度要求不高，载荷不大的中低速场合2）表面硬化齿轮用钢齿面硬度〉350HBS的齿轮称为硬齿面齿轮。轮坯切齿后经表面硬化热处理，形成硬齿面，再经磨齿后精度可达6级以上。与软齿面齿轮相比，硬齿面齿轮大大提高齿轮的承载能力，结构尺寸和重量明显减小，综合经济效益显著提高。我国齿轮制造业已普遍采用合金钢及硬齿面、磨齿、高精度、轮齿修形等工艺方法，生产硬齿面齿轮。常用表面硬化热处理主要有：①表面淬火表面淬火主要有感应（高频、中频、工频）表面淬火和火焰表面淬火，依据齿轮的大小、硬化深度及生产批量的不同进行选择。调质齿轮经淬火处理，齿面硬度为4055HRC提高了承载能力，常用语中速、中载并承受一定冲击的车床变速箱齿轮及起重、冶金、矿山、工程机械中的低速重载大齿轮。②渗碳淬火齿面硬度可达5863HRC与表面淬火比较，齿面具有更好的抗点蚀、抗磨度、抗胶合能力，但淬火后变形较大。渗碳淬火齿轮广泛地应用于各种机械设备中，特别是承受高速、重载、受冲击的传动。③渗氮（氮化）齿面硬度最高（6570HRC，齿面的抗点蚀、抗磨损、抗胶合能力最好，氮化后变形小；但氮化时间长，氮化层浅。渗氮齿轮用于精密、耐磨、高速、重载及冲击的情况。常用材料主要为中碳合金钢，氮化前需调制处理。④碳氮共渗 齿面强度为5863HRC性能介于渗碳和氮化之间，氮化共渗层浅，材料低碳、中碳合金钢。 （2）铸钢铸钢的力学性能稍低于锻钢。当齿轮尺寸较大而轮坯难以锻造时，可用铸钢，切齿前须经退火、正火及调质处理。（3）铸铁灰铸铁的抗弯及耐冲击能力都很差，但它易铸造、易切削，具有良好的耐磨性和消震性，成本低廉。可用于低速、载荷不大的开式齿轮传动。球墨铸铁的强度比灰铸铁高得很多，具有良好的韧性和塑性。在冲击不大的情况下，代替钢制齿轮。（4）有色金属和非金属材料有色金属（如铜合金、铝合金）用于有特殊要求的齿轮传动。非金属材料的使用日益增多，常用有夹布胶木和尼龙等工程塑料，用于低速、轻载、要求低噪声而对精度要高的场合。由于非金属材料的导热性差，故需与金属齿轮配对，利于散热。3零件的选材同是20MnCr5钢，由于淬透性不同，齿轮公法线长度和外齿跨棒距变形量就不一样，所以要减小齿轮热处理变形波动，必须控制原材料淬透性带宽，使每批进厂钢材的淬透性尽可能接近。当然，具体的淬透性带宽范围要根据齿轮模数、零件尺寸、加工精度以及满足淬透性带宽要求的钢材价格等因素来确定。选材时，在保证使用性能的前提下，同时还要考虑热处理工艺性能及经济合理性，需要将材料和热处理方法结合起来选材。钢材所含合金量越少，其价格就越便宜，但对淬火工艺要求也就越严；反之，钢材中所含合金量越多，其价格就越昂贵，但却有利于在热油或盐浴中进行马氏体淬火。这就需要具体企业根据自己的工艺设备状况与经济状况寻找一个平衡点。4合理的热处理工艺（1）在保证工件淬火硬度要求下，一般选用冷却较缓和的介质，同时还要控制好介质的温度。当淬火介质为普通淬火油，可通过添加剂改善处理后，其）令却性能较好，且能满足硬度要求。对于淬火冷却设备，要保证工件淬火时令却均匀，避免使淬火油温的温差较大，因而要求安装加热装置和搅拌装置。淬火过程中，虽然发生的变形是由多种因素共同作甩的，但淬火介质温度是重要因素。就目前使用的淬火油来讲，其温度对变形影响较大。所以在满足使用性能的前提下，往往采用热油淬火。（2）淬火介质的淬火时间和冷却速度对硬度影响极大。为了解决工件淬火令速过快造成变形大的问题，生产实践中常采用等温淬火。开炉淬火，不能一口气淬完，应视炉温下降程度，中途闭炉重新升温，以便前后工件淬后硬度一致。等温淬仅能降低工件的变形，而且还能保持原来的机械性能。热油淬火一般冷油淬火变形小，一般控制在100C±110C。另外，油的令却能力对变形也是至关重要的。（3）工件装炉量要合理，以12层为宜，工件相互重叠会造成加热不均匀，导致硬度不匀。会造成加热不均匀，导致硬度不匀。（4）淬火后硬度偏低1 3个单位，可以调整回火温度来达到硬度要求。为了稳定组织、稳定尺寸、及时消除内应力以避免变形和裂纹的产生，同时为了调整组织，使零件具有良好的加工性能和使用性能，就必须将淬火后的零件及时地进行回火。一般规定主要件、重要件、复杂件在淬火后2h内必须进行回火；而一般件、普通件淬火与回火的间隔时间也不允许超过4h。（5）通过大量细致的齿轮变形试验，掌握变形数据，再通过冷热加工工艺配合，将齿轮变形稳定下来，保证齿轮的质量符合有关技术要求。设计准则 设计齿轮传动时，应根据实际工况条件，分析主要失效形式，确定相应的设计准则，进行设计计算。对于闭式齿轮传动，主要失效形式是齿面疲劳点蚀、弯曲疲劳折断及胶合。目前一般齿轮传动，只按齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度两准则进行设计计算。对于高速大功率的齿轮传动，还应按齿面抗胶合能力的准则进行计算。开式齿轮传动的主要失效形式是磨损及弯曲疲劳折断，目前对磨损尚无成熟的设计计算方法，故通常按齿根弯曲疲劳强度进行设计计算，并将模数增大10%~20%以考虑磨损的影想。设计的齿轮传动在具体的工作情况下，必须具有足够的、相应的工作能力，以保证在整个工作寿命期间不致失效。因此，针对上述各种工作情况及失效形式，都应分别确立相应的设计准则。但是对于齿面磨损、塑性变形等，由于尚未建立起广为工程实际使用而

且行之有效的计算方法及设计数据， 所以目前设计的一般使用的齿轮传动时，通常只按保证齿根弯曲疲劳强度及保证齿面接触疲劳强度两准则进行计算。对于高速大功率的齿轮传动（如航空发动机主传动、汽轮发电机组传动等），还要按保证齿面抗胶合能力的准则进行计算（参阅GB6411986）。至于抵抗其它失效能力，目前虽然一般不进行计算，但应采取的措施，以增强轮齿抵抗这些失效的能力。由实践得知，在闭式齿轮传动中，通常以保证齿面接触疲劳强度为主。但对于齿面硬度很高、齿芯强度又低的齿轮顷用20、20Cr钢经渗碳后淬火的齿轮）或材质较脆的齿轮，通常则以保证齿根弯曲疲劳强度为主。如果两齿轮均为硬齿面且齿面硬度一样高时，则视具体情况而定。功率较大的传动，例如输入功率超过75kW的闭式齿轮传动，发热量大，易于导致润滑不良及轮齿胶合损伤等，为了控制温升，还应作散热能力计算（计算准则及办法参看蜗杆传动一章）。开式（半开式）齿轮传动，按理应根据保证齿面抗磨损及齿根抗折断能力两准则进行计算，但如前所述，对齿面抗磨损能力的计算方法迄今尚不够完善