1、中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,第10章齿轮传动,10-2轮齿的失效形式及设计准则,10-3齿轮材料及选用原则,10-6齿轮传动的设计参数、许用应力与 精度选择,10-4齿轮传动的计算载荷,10-5标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算,10-8标准锥齿轮传动的强度计算,10-9齿轮的结构设计,10-10齿轮传动的润滑,10-1概述,10-7标准斜齿圆柱齿轮传动的强度计算,中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,作用： 不仅用来传递运动、而且还要传递动力。,要求： 运转平稳、足够的承载能力。,分类,开式传动,有简单防护罩，大齿轮浸入油池，润滑得到改善、适于非重要应用；,裸露、灰尘、易磨损，适于低速
2、传动。,10-1概述,半开式传动,闭式传动,全封闭、润滑良好、适于重要应用。,按类型分,按装置型式分,按使用情况分,硬齿面齿轮（齿面硬度350HBS）,直齿圆柱齿轮传动,斜齿圆柱齿轮传,锥齿轮传动,人字齿轮传动,动力齿轮,传动齿轮,按齿面硬度分,软齿面齿轮（齿面硬度350HBS）,以动力传输为主，常为高速重载或低速重载传动。,以运动准确为主，一般为轻载高精度传动。,中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,齿轮传动的特点：, 传动效率高可达99；在常用的机械传动中，齿轮传动的效率为最高；, 结构紧凑;与带传动、链传动相比，在同样的使用条件下，齿轮传动所需的空间一般较小；, 工作可靠，寿命长；与各类
3、传动相比, 传动比稳定;无论是平均值还是瞬时值。这也是齿轮传动获得广泛应用的原因之一；, 制造及安装精度要求高，价格较贵。与带传动、链传动相比,学习本章的目的,本章学习的根本目的是掌握齿轮传动的设计方法，也就是要能够根据齿轮工作条件的要求，能设计出传动可靠的齿轮。,设计齿轮设计确定齿轮的主要参数以及结构形式。,主要参数有：模数m、齿数z、螺旋角以及压力角a、 齿高系数h*a、径向间隙系数c*。,中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,10-2轮齿的失效形式及设计准则,轮齿折断,一般发生在齿根处，严重过载突然断裂、疲劳折断。,一、轮齿的失效形式,失效形式,潘存云教授研制,轮齿折断一般发生在齿根处，
4、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：齿根处弯曲应力较大；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：增大齿根圆角半径，x ，齿面精度，以降低应力集中采用热处理提高材料的冲击韧性；从设计上， FF。,潘存云教授研制,2）过载折断（或剪断）产生原因：突然过载或者强烈冲击；模数太小，齿根厚度太小，材料太脆。防止措施：仔细操作；适当增大模数；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，
5、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,中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,齿面接触应力按脉动循环变化当超过疲劳极限时，表面产生微裂纹、高压油挤压使裂纹扩展、微粒剥落。点蚀首先出现在节线处，齿面越硬，抗点蚀能力越强。软齿面闭式齿轮传动常因点蚀而失效。,齿面点蚀,10-2轮齿的失效形式及设计准则,轮齿折断,失效形式,一、轮齿的失效形式,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。产生原因：齿面接触应力太大；当出现裂纹时，油渗入裂纹产生楔裂作用。
6、防止措施：提高齿面硬度；增大齿廓曲率半径（减小接触应力）；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）。,中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,齿面点蚀,齿面胶合,高速重载传动中，常因啮合区温度升高而引起润滑失效，致使齿面金属直接接触而相互粘连。当齿面向对滑动时，较软的齿面沿滑动方向被撕下而形成沟纹。,10-2轮齿的失效形式及设计准则,轮齿折断,失效形式,一、轮齿的失效形式,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
7、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：对于低速重载，可提高油的粘度对高速重载，可采用抗胶合能力强的油；采用抗胶合能力强的材料及合理配对齿轮；提高齿面硬度。,潘存云教授研制,中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,齿面胶合,齿面磨损,磨粒磨损,跑合磨损,跑合磨损、磨粒磨损。,齿面点蚀,10-2轮齿的失效形式及设计准则,轮齿折断,失效形式,一、轮齿的失效形式,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：增大齿面硬度；采用闭式传动或加防护罩；改善润滑
8、条件。,潘存云教授研制,中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,齿面胶合,齿面磨损,齿面点蚀,10-2轮齿的失效形式及设计准则,轮齿折断,失效形式,齿面塑性变形,一、轮齿的失效形式,潘存云教授研制,表面凸出,表面凹陷,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：齿面太软；载荷太大。防止措施：提高齿面硬度；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,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
9、断； 闭式传动：软齿面（HBS350）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,中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,二、齿轮的设计准则,保证足够的齿根弯曲疲劳强度，以免发生齿根折断,保证足够的齿面接触疲劳强度，以免发生齿面点蚀,由工程实践得知：闭式软齿面齿轮传动，以保证齿面接触疲劳强度为主,对高速重载齿轮传动，除以上两设计准则外，还应 按齿面抗胶合能力的准则进行设计,闭式硬齿面或开式齿轮传动，以保证齿根弯曲疲劳强度为主,1、设计准则 防止点蚀：接触疲劳强度准则，HH； 防止折断：齿根弯曲疲劳强度准则， FF。2、计算特点 （1）闭式软齿面钢齿：以接触疲劳
10、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。（1015%）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,中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,一、对齿轮材料性能的要求,齿轮的齿体应有较高的抗折断能力，齿面应有较强的抗点蚀、抗磨损和较高的抗胶合能力，即要求：齿面硬、芯部韧。,10-3齿轮材料及选用准则,常用齿轮材料,锻钢,铸钢,铸铁,常作为低速、轻载、不太重要的场合的齿轮材料；,适用于高速、轻载、且要求降低噪声的场合。,非金属材料,二、常用齿轮材料,钢材的韧性好，耐冲击，
11、通过热处理和化学处理可改善材料的机械性能，最适于用来制造齿轮。,耐磨性及强度较好，常用于大尺寸齿轮。,含碳量为0.15 % 0.6%的碳素钢或合金。一般用齿轮用碳素钢，重要齿轮用合金钢。,常用材料 （1）钢：45、40Cr、40CrNi、ZG310570、ZG340640等。 （2）铸铁：HT250、HT300、HT350、QT5005、 QT6002、ZG310-570 （3）非金属材料：例如夹布塑胶、尼龙等。,中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,热处理方法,表面淬火,渗碳淬火,调质
12、,正火,渗氮,一般用于中碳钢和中碳合金钢，如45、40Cr等。表面淬火后轮齿变形小，可不磨齿，硬度可达5256HRC，面硬芯软，能承受一定冲击载荷。,1.表面淬火,高频淬火、火焰淬火,三、齿轮材料的热处理和化学处理,2. 渗碳淬火,渗碳钢为含碳量0.15 % 0.25%的低碳钢和低碳合金钢，如20、20Cr等。齿面硬度达5662HRC，齿面接触强度高，耐磨性好，齿芯韧性高。常用于受冲击载荷的重要传动。通常渗碳淬火后要磨齿。,中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,调质一般用于中碳钢和中碳合金钢，如45、40Cr、35SiMn等。调质处理后齿面硬度为：220260HBS 。因为硬度不高，故可在热处
13、理后精切齿形，且在使用中易于跑合。,3.调质,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。大直径的齿轮可用铸钢正火处理。,渗氮是一种化学处理。渗氮后齿面硬度可达6062HRC。氮化处理温度低，轮齿变形小，适用于难以磨齿的场合，如内齿轮。材料为：38CrMoAlA.,5. 渗氮,中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,特点及应用：调质、正火处理后的硬度低，HBS 350，属软齿面，工艺简单、用于一般传动。当大小齿轮都是软齿面时，因小轮齿根薄，弯曲强度低，故在选材和热处理时，小轮比大轮硬度高: 2050HBS,表面淬火、渗碳淬火、渗氮处理
14、后齿面硬度高，属硬齿面。其承载能力高，但一般需要磨齿。常用于结构紧凑的场合。,中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,四、齿轮材料选用的基本原则,(1)齿轮材料必须满足工作条件的要求，如强度、寿 命、可靠性、经济性等；,(2)应考虑齿轮尺寸大小，毛坯成型方法及热处理 和制造工艺；,(3)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；调质碳钢可用于在中等冲击载荷 下工作的齿轮；,(6)钢制软齿面齿轮，其配对两轮齿面的硬度差应保 持在3050HBS或更多。,(4)合金钢常用于制作高速、重载并在冲击载荷下工 作的齿轮；,(5)航空齿轮要求尺寸尽可能小，应采用表面硬化处 理的高强度合金钢；,
15、中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,10-4齿轮传动的计算载荷,齿轮传动强度计算中所用的载荷，通常取沿齿面接触线单位长度上所受的载荷，即：,实际传动中由于原动机、工作机性能的影响以及制造误差的影响，载荷会有所增大，且沿接触线分布不均匀。,接触线单位长度上的最大载荷为,K为载荷系数，其值为：KKA Kv K K,Fn 为轮齿所受的公称法向载荷。,式中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、使用系数KA 使用系数KA是考虑齿轮啮合时外部因素引起的附加动载荷影响的系数。这种动载荷取决于原动机和从动机械的特性、质量比、联轴器类型以及运行状态等。 （表10-2）,中
16、国地质大学专用 作者： 潘存云教授,2、动载系数KV 制造和安装误差，基节不相等，瞬时传动比不准确，产生角加速度。动载系数与齿轮制造精度、圆周速度有关，当制造精度越低，圆周速度越大，动载系数越大，KV的选取参考表10-3。减小KV的措施1)提高齿轮制造精度2)减小v(减小齿轮直径d)3)齿顶修缘注意:修缘要适当,过大则重合度下降过大.一般高速齿轮和硬齿面齿轮应进行修缘,但修缘量与修缘的曲线确定则比较复杂.,齿轮修缘,中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,3、齿间载荷分配系数K一对相互啮合的斜齿（或直齿）圆柱齿轮，如在啮合区B1B2中有两对（或多对）齿同时工作时，
17、则载荷应分配在这两对（或多对）齿上。两对齿同时啮合的接触线总长L=PP+QQ。但由于齿距误差及弹性变形等原因，总载荷Fn并不是按PP/QQ的比例分配在PP及QQ这两条接触线上。因此，进行强度计算时，应引入齿间载荷分配系数K。,啮合区内齿间载荷的分配,4、齿向载荷分布系数K K是考虑轴、轴承的变形以及轴承相对齿轮的布置不对称引起载荷沿接触线分布不均影响的系数。影响齿向载荷分布的因素：轴、轴承及支座的变形；轴承相对齿轮布置；齿轮的宽度。,轴承的不对称配置,轮齿所受载荷分布不均,改善K措施增大轴、轴承、支座的刚度；轴承相对齿轮对称布置，避免悬臂布置，如一定需要悬臂布置，应采取相应措施（应使主动轮1远
18、离扭矩输入端A）；采用鼓形齿；小齿轮的螺旋角修形。齿向载荷分布系数分为KH和KF，KH为按齿面接触疲劳强度计算时所用的系数，KF为按齿根弯曲疲劳强度计算时所用的系数。,中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,受力变形,制造误差,安装误差,附加动载荷,轮齿变形和误差还会引起附加动载荷，且精度越低，圆周速度越高，动载荷越大。,载荷集中,齿向载荷分布系数K,表10-4齿向载荷分布系数 K ,中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,圆周力,径向力,法向力,小齿轮上的转矩,P传递的功率(kw)，,1小齿轮上的角速度，,n1小齿轮上的
19、转速，,d1小齿轮上的分度圆直径，,压力角。,各作用力的方向如图,为了计算轮齿强度，设计轴和轴承，有必要分析轮齿上的作用力。,10-5标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算,一、轮齿受力分析,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,与啮合点圆周速度方向相反。Fr的方向为过啮合点的径向线，指向轮心。,中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,二、齿根弯曲疲劳强度计算,假定载荷仅由一对轮齿承担，按悬臂梁计算。齿顶啮合时，弯矩达最大值。,分量F2产生压缩应力可忽略不计，,弯曲力矩 M=KFnhcos,危险界面的弯曲截面系数,弯曲应力,危险截面：齿根圆角30 切线两切点
20、连线处。,齿顶受力Fn，可分解成两个分力：,F1 = Fn cos F2 = Fn sin,产生弯曲应力,产生压应力，可忽略,中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,因为h和S与模数m相关，,轮齿弯曲强度计算公式：,故YFa与模数m无关。,弯曲应力,对于标准齿轮, YFa仅取决于齿数z，取值见下页图。,YFa 齿形系数,F0理论弯曲应力，考虑齿根处应力集中的影响：,中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,计算根切极限,实际根切极限,标准齿轮,中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,注意：计算时取 较大者，计算结果应圆整, 且m 1
21、.5,一般YF1 YF2， F1 F2,引入齿宽系数d=b/d1,得设计公式,在满足弯曲强度的条件下可适当选取较多的齿数，以使传动平稳。,代入 d1 = m z1,4、设计说明对减速传动（z1YFa2，YSa1F2，因而在校核计算时应分别计算，即,设计计算时，因为对小、大齿轮的比值不一样，为安全起见，通常取较大值，求得m（圆整成标准值）。对闭式齿轮传动，算出m后圆整，对开式齿轮传动，算出m，应加大m后，再圆整取标准值。,中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,齿轮强度计算是根据齿轮可能出现的失效形式来进行的。在一般闭式齿轮传动中，轮齿的失效主要是齿面接触疲劳点蚀和轮齿弯曲疲劳折断。齿面疲劳点蚀与
22、齿面接触应力的大小有关，而齿面的最大接触应力可近似用赫兹公式进行计算。,三、齿面接触疲劳强度计算,赫兹公式,“+”用于外啮合，“-”用于内啮合,实验表明：齿根部分靠近节点处最容易发生点蚀，故取节点处的应力作为计算依据。,节圆处齿廓曲率半径,齿数比 u= z2 /z1 = d2 /d1 = 2 /1 1,中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,弹性影响系数,节点处，载荷由一对轮齿来承担,将ZE和Fn代入赫兹公式,中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,代入赫兹公式得,引入齿宽系数d=b/d1,区域系数,齿面接触疲劳强度校核公式,得设计公式,标准齿轮ZE=2.5,模数m不能成为衡量齿轮
23、接触强度的依据。,注意：因两个齿轮的H1= H2 ，故按此强度准则设计齿轮传动时，公式中应代入H 1和H 2中较小者。,4、设计说明影响接触疲劳强度因素及提高措施：在材料、齿数比u、齿宽系数一定时，接触疲劳强度取决于d1的大小；当齿宽越宽，接触应力越小，强度越高；压力角越大，H越小（因越大）。一对齿轮齿面的接触应力相等，但两齿轮的材料、齿面的硬度不一，因此许用应力不同，通常 H1H2，设计时，取H的小值。若大、小齿轮均为钢制，则ZE=189.8MPa；对于标准直齿圆柱齿轮传动，ZH=2.5；设=1，取载荷系数K=1.22，则设计公式可简化为,中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,用设计公式初步
24、计算齿轮分度圆直径d1(或模数m)时，因载荷系数中的KV、K、K不能预先确定，故可先试选一载荷系数Kt。算出d1t(或 mnt）后，用d1t再查取KV、K、K从而计算Kt 。若K与Kt接近，则不必修改原设计。否则，按下式修正原设计。,弯曲强度设计公式,接触强度设计公式,中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,齿轮传动设计时，按主要失效形式进行强度计算，确定主要尺寸，然后按其它失效形式进行必要的校核。,软齿面闭式齿轮传动：按接触强度进行设计，按弯曲强度校核,硬齿面闭式齿轮传动按弯曲强度进行设计，按接触强度校核,开式齿轮传动，按弯曲强度设计。,其失效形式为磨损，点蚀形成之前齿面已磨掉。,中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,
