1、2019/6/13中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,机械设计,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,2019/6/13中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,机械设计,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
2、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。,2019/6/13中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,机械设计,中国地质大学
3、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
4、、径向间隙系数c*。,2019/6/13中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,机械设计,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,2019/6/13,机械设计,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： 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
5、；从设计上， FF。,潘存云教授研制,2019/6/13,机械设计,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，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,2019/6/13中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,机械设计,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
6、，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,2019/6/13,机械设计,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。 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
7、隔开，粘度高的油不易渗入裂纹）。,2019/6/13中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,机械设计,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,2019/6/13,机械设计,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
8、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： 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,2019/6/13中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,机械设计,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,2019/6/13,机械设计,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
9、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； 改善润滑条件。,潘存云教授研制,2019/6/13中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,机械设计,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,2019/6/13,机械设计,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
10、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,2019/6/13中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,机械设计,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（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,2019/6/13中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,机械设计,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
11、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,2019/6/13中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,机械设计,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
12、强度：悬臂梁理论 接触疲劳强度：Hertz（赫芝）理论,2019/6/13中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,机械设计,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，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
13、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。,2019/6/13中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,机械设计,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。,2019/6/13中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,机械设计,中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,2019/6/13中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,机械设计,中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云
14、教授研制,2019/6/13中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,机械设计,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,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。,2019/6/13中国
15、地质大学专用 作者： 潘存云教授,机械设计,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,2019/6/13中国地质大学专用 作者：
16、潘存云教授,机械设计,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。,2019/6/13中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,机械设计,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
17、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；,2019/6/13中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,机械设计,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
18、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,2019/6/13中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,机械设计,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）,2019/6/13中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,机械设计,中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,2019/6/13中国地质
19、大学专用 作者： 潘存云教授,机械设计,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.,2019/6/13中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,机械设计,齿轮修缘,2019/6/13中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,机械设计,中国地质大学专用 作者： 潘存云
20、教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,2019/6/13中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,机械设计,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，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,2019/6/13中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,机械设计,4、齿向载荷分布系数KK是考虑轴、轴承的变形以及轴承相对齿轮的布置
21、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,2019/6/13中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,机械设计,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。,2019/6/13中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,机械设计,中国地
22、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 ,2019/6/13中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,机械设计,中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,2019/6/13中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,机械设计,中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,2019/6/13中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,机械设计,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
23、的角速度，,n1小齿轮上的转速，,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,2019/6/13中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,机械设计,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。,2019/6/13中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,机械设计,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。
24、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,2019/6/13中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,机械设计,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：,2019
25、/6/13中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,机械设计,中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,潘存云教授研制,2019/6/13中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,机械设计,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,2019/6/13中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,机械设计,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 1.5,一般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 z1,2019/6/13中国地质大学专用 作者： 潘存云教授,
