《机械设计基础》第五版齿轮传动

第4章齿轮传动第4章齿轮传动1．了解齿轮传动特点、分类；2．掌握齿轮传动的主要失效形式及设计准则；3.了解常用齿轮材料及热处理方法；4.掌握齿轮传动的受力分析、强度计算方法及主要参数的选择；5.了解齿轮传动润滑及齿轮结构。重点与难点

齿轮传动的受力分析、强度计算。教学基本要求

4.1概述4.1.1齿轮传动的特点（1）效率高（2）结构紧凑（3）工作可靠、寿命长（4）传动比准确、恒定（5）适用的速度和功率范围广（6）要求加工精度和安装精度较高，制造时需要专用工具和设备，因此成本比较高（7）不宜在两轴中心距很大的场合使用。4.1.2齿轮传动的分类按齿廓曲线渐开线、圆弧、摆线按啮合位置外啮合、内啮合按齿轮外形直齿、斜齿、人字齿、曲（线）齿按两轴相互位置平行轴、相交轴、交错轴按工作条件分类①闭式齿轮传动齿轮传动封闭在箱体内，具有良好的润滑条件，能防尘。②开式齿轮传动齿轮外露，润滑条件差，不能防尘。③半开式齿轮传动齿轮在护罩内，但不密封，可以设置油池润滑，润滑条件较好；亦有的仅把齿轮罩上，只起防尘作用，润滑条件较差。按齿轮齿面硬度分类①软齿面齿轮齿面硬度≤350HBS的齿轮(或38HRC)。①硬齿面齿轮齿面硬度＞350HBS的齿轮(或38HRC)。4.2齿轮传动的失效形式及设计准则

1轮齿折断产生原因:齿根弯曲应力大齿根应力集中折断类型:

疲劳折断—齿根应力集中、交变载荷反复作用、疲劳裂纹扩展突然折断—脆性材料、冲击或过载变形折断—制造或安装不准确，以及轴的变形引起发生部位：轮齿根部(全齿折断)、缺角(斜齿轮局部折断)防止折断措施:

增大齿根过渡圆角、消除加工刀痕

减小应力集中

增大轴及支承的刚性,受载均匀

合适热处理

齿芯具有足够韧性、表面强化2齿面点蚀产生原因:轮齿在节圆附近一对齿受力，载荷大滑动速度低形成油膜条件差接触疲劳产生麻点发生部位：偏向齿根的节线附近闭式齿轮传动的主要破坏形式点蚀后果：轻者振动噪音，重者不能工作防止点蚀措施：增加齿面硬度、降低粗糙度、合理选用润滑油粘度轮齿工作面某一固定点受到近似脉动的变应力作用，由于疲劳而产生的麻点状剥蚀损伤的现象。3齿面胶合产生原因:高速重载；散热不良；相对滑动速度大，致使温度高、润滑失效胶合后果：产生振动、噪声，不能工作防止胶合措施：减小模数、降低齿高、提高齿面硬度、改善材料、加极压添加剂高速重载传动中，齿面间压力大，瞬时温度高，润滑失效，齿面间会发生粘接在一起的现象，在轮齿表面沿滑动方向出现条状伤痕，称为胶合。４

齿面磨损产生原因：磨料(沙粒、铁屑等)进入啮合区

齿面磨损磨损后果齿形破坏、变薄引起冲击、振动，甚至断齿开式齿轮传动的主要失效形式防止磨损：改善润滑、提高齿面硬度、改用闭式传动５齿面塑性变形产生原因:当轮齿材料较软，载荷及摩擦力又很大时，轮齿在啮合过程中，齿面表层的材料就会沿着摩擦力的方向产生塑性变形采取措施:

提高轮齿齿面硬度采用高粘度的或加有极压添加剂的润滑油

现象:主动轮齿上所受摩擦力是背离节线分别朝向齿顶及齿根作用的，故产生塑性变形后，齿面沿节线处变成凹沟。从动轮齿上所受的摩擦力方向则相反，塑性变形后，齿面沿节线处形成凸棱。齿轮失效小结提高轮齿对上述几种失效形式的抵抗能力，除上面所说的办法外，还有减小齿面粗糙度值，适当选配主、从动齿轮的材料及硬度，进行适当的磨合（跑合），以及选用合适的润滑剂及润滑方法等。前已说明，轮齿的失效形式很多。除上述五种主要形式外，还可能出现齿面融化、齿面烧伤、电蚀、异物啮入和由于不同原因产生的多种腐蚀和裂纹等等，可参看有关资料。4.2.2设计准则设计齿轮时，所依据的设计准则取决于齿轮可能出现的失效形式。1.闭式齿轮传动

⑴闭式软齿面齿轮传动：

（接触疲劳点蚀失效为主）∴按齿面接触疲劳强度设计→按齿根弯曲疲劳强度校核；⑵闭式硬齿面齿轮传动：（弯曲疲劳折断失效为主）∴按齿根弯曲疲劳强度设计→按齿面接触疲劳强度校核；开式齿轮传动∵磨损失效（为条件性计算）为主→折断失效∴只按齿根弯曲疲劳强度设计，求出

m→将

m

增大5∼15%，以补偿磨损的影响。一、常用的齿轮材料对材料的基本要求：*齿面有足够的硬度；*轮芯有足够的强度和韧性；*具有良好的机械加工和热处理工艺性；*价格低。制造齿轮常用材料：钢、铸铁、有色金属、非金属材料详细数据见P58或机械设计手册4.3齿轮常用材料热处理：是指将钢在固态下加热、保温和冷却，以改变钢的组织结构，获得所需要性能的一种工艺。二、齿轮热处理

在机床制造中约60-70%的零件要经过热处理。在汽车、拖拉机制造业中需热处理的零件达70-80%。热处理是一种重要的加工工艺，在制造业被广泛应用。

模具、滚动轴承100%需经过热处理。总之，重要零件都需适当热处理后才能使用。

设备热处理方法表面淬火后再低温回火。特点：轮齿变形较大，可承受中等冲击载荷，热处理后不需要精加工。常用材料：中碳钢、中碳合金钢１.表面淬火２.渗碳淬火特点：轮齿变形较大，热处理后需磨齿，载荷大时渗碳层易剥落。常用材料：低碳钢、低碳合金钢高频淬火火焰淬火３．正火和调质特点：热处理后需精加工，为了减少胶合的危险，小齿轮齿面硬度应比大齿轮高数十个HB单位。常用材料：中碳钢、中碳合金钢特点：冲击载荷下硬化层易破碎，用于载荷平稳、润滑良好处。常用材料：内齿圈、难磨削齿轮4.渗氮齿轮加工过程三、齿轮材料的选择原则参考原则：

◆选择适当的热处理方法：

正火碳钢——只能用于制作在载荷平稳或轻度冲击下工作的齿轮调质碳钢——可用于制作在中等冲击载荷下工作的齿轮。合金钢——常用于制作高速、重载并在冲击载荷下工作的齿轮。基本原则：

（1）必须满足工作条件的要求；（2）综合考虑工艺性和经济性的要求。

◆一对齿轮的材料搭配①小齿轮的材料和热处理方法比大齿轮的强；②为防止产生胶合，两轮的材料性能差别越大越好；③两轮的材料相同时，小齿轮齿面硬度应比大齿轮的高30～50HBS。4.4直齿圆柱齿轮传动的受力分析及计算载荷小齿轮上的转矩：P为传递的功率（KW）ω1----小齿轮上的角速度，n1----小齿轮上的转速d1----小齿轮上的分度圆直径，α----压力角一、轮齿的受力分析分析：在不计摩擦力的情况下，沿啮合线作用在齿面上的法向载荷Fn垂直于齿面。FnFt(圆周力)Fr(径向力)1、作用力的大小圆周力：径向力：法向力：Ft=2T1/d1Fr=Fttan

Fn=Ft/cos

2、作用力的方向作用在主动轮和从动轮上的各对力大小相等，方向相反。3、主、从动轮受力关系Ft：主动轮上，与转向相反；从动轮上，与转向相同。Fr：分别指向各自轮心Fn：指向齿面例题21n2n1Fr2Fr1Ft1Ft2n1n2注意：各力应画在啮合点上！二、计算载荷齿轮传动在实际工作时，由于原动机和工作机的工作特性不同，会产生附加载荷。齿轮、轴、轴承的加工、安装误差及弹性变形会引起载荷集中，使实际载荷增加。1.工作情况系数Fnc=KFn其中：K为载荷系数，按下式计算:K

=KA

Kv

K

K

KA—使用系数Kv—动载系数K

—齿间载荷分配系数K

—齿向载荷分布系数①物理意义

考虑齿轮系统外部因素引起的附加动载荷的影响；②影响动载荷大小的因素

主要取决于原动机、工作机的运转特性、轴和联轴器的类型、缓冲性能等；③取值方法

参考表决定。2．动载系数①物理意义

考虑齿轮副在啮合过程中因啮合误差和运转速度而引起的内部附加动载荷的影响；②动载荷产生的原因及影响因素

齿轮传动的制造、安装误差及受载后轮齿的变形→基圆齿距不相等→i瞬≠常数→动载荷③动载系数取值方法一般齿轮传动可根据齿轮精度等级进行选择。降低Kv的措施：1）↑齿轮精度2）限制v3）修缘齿（齿顶修削）

3、齿向载荷分布系数K

①物理意义考虑工作载荷沿轮齿接触线方向分布不均匀性的影响。②产生原因

由于轴的弯曲和扭转变形、轴承的弹性位移以、传动装置的制造和安装误差等。③影响因素

齿轮在轴上位置的安排、轴承及支座的刚度等因素。④减小载荷分布不均的措施

增大轴、轴承及支座的刚度b)合理布置齿轮在轴上的位置d)提高齿轮传动的制造和安装精度e)在一对齿轮中把一个齿轮的轮齿制作成鼓形齿等。3、齿间载荷分配系数K

①物理意义考虑同时啮合的各齿对间载荷分配不均匀性的影响；②产生原因

∵1＜εα＜2，当双对齿啮合时，在理想状态下，载荷应平均分配在两对齿上。但实际上，由于齿轮制造的误差和轮齿受力后变形，造成载荷在各齿对之间的分配时不均匀的。③主要影响因素1）受载后轮齿变形；2）轮齿制造误差（特别是基节偏差）；3）齿廓修形（修缘量）；4）磨合效果。④取值方法表4-54.5.2齿根弯曲强度计算4.6.1斜齿圆柱齿轮传动受力分析4.5直齿圆柱齿轮传动的强度计算4.5.1齿面接触强度计算4.5.3直齿圆柱齿轮的参数、精度选择和许用应力4.6斜齿圆柱齿轮传动的强度计算4.6.2、3斜齿圆柱齿轮强度计算4.8.1齿轮传动的效率齿轮传动中的功率损失主要包括：1）啮合中的摩擦损失；2）润滑油被搅动的油阻损失；3）轴承中的摩擦损失。

4.8齿轮传动的效率、润滑及结构

η1—啮合中的效率损失；

η2—润滑油被搅动的油阻损失；

η3—轴承中摩擦损失满载时，采用滚动轴承的齿轮传动，平均效率列于表4-12。齿轮传动的效率4.8.2齿轮传动的润滑一、齿轮传动润滑的目的减少摩擦磨损散热防止锈蚀二、齿轮传动的润滑方式

人工定期润滑：开式、半开式、低速闭式齿轮传动浸油润滑和喷油润滑：中、高速闭式齿轮传动

三、润滑剂的选择常用的润滑剂：润滑油、润滑脂选择因素：转速高低、载荷大小、环境温度等润滑油粘度荐用值见表4—31.齿轮轴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。4.8.3齿轮结构当圆柱齿轮：e≤2.5mn；圆锥齿轮：e≤1.6m时应采用齿轮轴。齿轮结构设计主要确定齿轮的轮缘、轮毂及腹板（轮辐）的结构形式和尺寸大小。结构设计通常要考虑齿轮的几何尺寸、材料、使用要求、工艺性及经济性等因素，确定适合的结构型式，再按设计手册荐用的经验数据确定结构尺寸。2.实心齿轮当齿轮的齿顶圆直径da≤160～200mm时，可采用实心式结构。这种结构型式的齿轮常用锻钢制造。3.腹板式齿轮

当齿轮的齿顶圆直径da=200-500mm时，可采用腹板式结构。这种结构的齿轮多用锻钢制造。4.轮辐式齿轮

当齿轮的齿顶圆直径da>500m