第九章齿轮传动

第九章齿轮传动

齿轮传动的适用范围： • 传递功率可高达数万干瓦，圆周速度可达150m／s(最高300m／s)，直径能做到10m以上，单级传动比可达8或更大，因此在机器中应用很广。 • 齿轮传动的特点： • 优点： • 工作可靠，使用寿命长 • 传动效率高 • 结构紧凑 • 功率和速度适用范围很广 • 缺点： • 齿轮制造需专用机床和设备，成本较高 • 精度低时，振动和噪声较大 • 不宜用于轴间距离大的传动

本章内容 1、齿轮传动的失效形式和计算准则 2、齿轮材料及热处理 3、直齿圆柱齿轮传动的受力分析、载荷计算 4、斜齿圆柱齿轮传动的受力分析、载荷计算 5、直齿圆柱齿轮强度计算 6、斜齿圆柱齿轮强度计算 7、圆锥齿轮传动的特点、受力分析和计算要点 8、蜗杆传动的特点、正确啮合条件 9、蜗杆传动受力分析和计算要点 10、齿轮传动的精度 11、传动比计算及分配原则 12、齿轮传动的空回 13、齿轮传动的结构设计

一、齿轮传动的失效形式和 计算准则

1、失效形式 分析齿轮失效的原因，目的在于寻求齿轮设计的依据，并采取有效措施，以保证齿轮在预定寿命期内能正常工作。齿轮的失效形式与它的工作条件(载荷、速度、润滑情况等)及所选齿轮材料及其热处理方式等有关。齿轮的失效主要发生在轮齿部分，至于齿轮的其余部分，如轮毂、轮辐和轮缘等，根据现用的经验数据设计，一般很少失效。齿轮传动的失效形式： • 轮齿的折断 • 齿面的点蚀 • 齿面的磨损 • 齿面的胶合

1）轮齿折断 轮齿折断一般发生在轮齿根部，有疲劳折断和过载折断(或齿体弯曲塑性变形)两种情况。（1）疲劳折断轮齿的受力情况类似一悬臂梁，在总法向力的作用下，轮齿根部弯曲应力最大。由于轮齿在啮合过程中受力，退出啮合后不受力，因此齿根应力是周期性的变应力。根部小圆角及切削刀痕等引起的应力集中，在变应力的作用下，使轮齿根部产生疲劳裂纹。裂纹沿齿根部不断扩展以致使轮齿断裂。疲劳裂纹多发生在齿根受拉的一侧。

（2）过载折断(或齿体弯曲塑性变形) 多发生在轮齿受到不经常出现但是很大的载荷(即短期过载)或受冲击的情况(即一次作用的尖峰载荷)情况下。由脆性材料和低塑性材料制成的齿轮，轮齿将产生过载折断。齿宽较小的直齿轮往往沿齿宽方向产生整齿折断。齿宽较大的直齿轮，则容易因制造或安装的不精确，使载荷集中于齿的一端，从而产生轮齿的局部折断。对于斜齿和人字齿轮，由于接触线倾斜，轮齿通常是局部折断。由塑性材料制成的齿轮，承受载荷过大时，将会出现齿体弯曲塑性变形。

齿宽较小的直齿轮 齿宽较大的直齿轮斜齿和人字齿轮塑性材料，承载过大

如何区分疲劳折断和过载折断： 根据轮齿折断的断面特征区分。疲劳折断有疲劳裂纹痕迹，在折断面上有明显的光滑区(疲劳破坏区)和粗糙区(静力破坏区)两部分。

2）齿面失效 齿面失效包括齿面的点蚀、磨损和胶合。（1）齿面点蚀点蚀是润滑良好的闭式传动常见的失效形式。开式传动没有点蚀现象，这是由于齿面磨粒磨损比疲劳磨损发展得快的缘故。由于齿面接触应力是交变的，应力经多次反复后，在节线附近靠近齿根部分的表面上，会产生若干小裂纹，封闭在裂纹中的润滑油，在压力作用下，产生楔挤作用而使裂纹扩大，最后导致表层小片状剥落而形成麻点。这种疲劳磨损现象，在齿轮传动中常称为点蚀。实践证明：润滑油粘度愈低，愈易渗入裂纹，点蚀扩展愈快。点蚀将影响传动的平稳性并产生振动和噪声，甚至不能正常工作。

防止或减轻点蚀的主要措施： • 提高齿面硬度和降低表面粗糙度值 • 在许可范围内采用大的变位系数 • 采用粘度较高的润滑油 • 减小动载荷

（2）齿面磨损 当表面粗糙的硬齿与较软的轮齿相啮合时，由于相对滑动，软齿表面易被划伤而产生齿面磨粒磨损。外界硬屑落入啮合轮齿间也将产生磨粒磨损。磨损后，正确齿形遭到破坏，齿厚减薄，最后导致轮齿因强度不足而折断。

减轻或防止磨粒磨损的主要措施： • 提高齿面硬度 • 降低表面粗糙度值 • 降低滑动系数 • 注意润滑油的清洁和定期更换

（3）齿面胶合 胶合是比较严重的粘着磨损。高速重载传动因滑动速度高而产生的瞬时高温会使油膜破裂，造成齿面间的粘焊现象，粘焊处被撕脱后，轮齿表面沿滑动方向形成沟痕。低速重载传动不易形成油膜，摩擦热虽不大，但也可能因重载而出现冷焊粘着。

防止或减轻齿面胶合的主要措施： • 采用角度变位齿轮传动以降低啮合开始和终了时的滑动系数 • 减小模数和齿高以降低滑动速度 • 采用极压润滑油 • 选用抗胶合性能好的齿轮副材料 • 材料相同时，使大、小齿轮保持适当硬度差 • 提高齿面硬度和降低表面粗糙度值

2、计算准则 齿轮的计算准则由失效形式确定。闭式传动的齿轮，主要失效形式是点蚀（接触疲劳磨损）、弯曲疲劳折断和胶合，一般只进行接触疲劳强度和弯曲疲劳强度计算。当有短时过载时，还应进行静强度计算。对于高速大功率的齿轮传动，还应进行抗胶合计算。开式传动的齿轮，主要失效形式是弯曲疲劳折断和磨粒磨损，磨损尚无完善的计算方法，故只进行弯曲疲劳强度计算，用适当加大模数的办法以考虑磨粒磨损的影响。有短时过载的，仍应进行静强度计算。

二、齿轮材料及热处理

1、齿轮材料 齿轮材料应具备下列条件： 1）齿面具有足够的硬度，以获得较高的抗点蚀、抗磨粒磨损、抗胶合和抗塑性流动的能力。 2）在变载荷和冲击载荷下有足够的弯曲疲劳强度。 3）具有良好的加工和热处理工艺性。 4）价格较低。最常用的材料是钢，其次是铸铁，还有非金属材料。

(1)锻钢 除尺寸过大或者是结构形状复杂只宜铸造者外，一般都用锻钢制造齿轮，常用的是含碳量在0.15％～0.6％的碳钢或合金钢。 (2)铸钢铸钢的耐磨性及强度均较好，常用于尺寸较大的齿轮。 (3)铸铁灰铸铁性质较脆，抗冲击及耐磨性都较差，但抗胶合及抗点蚀的能力较好。灰铸铁齿轮常用于工作平稳，速度较低，功率不大的场合。 (4)非金属材料对高速、轻载及精度不高的齿轮传动，为了降低噪声，常用非金属材料(如夹布塑胶、尼龙等)做小齿轮，大齿轮仍用钢或铸铁制造。

齿轮材料的选择原则： 1)齿轮材料必须满足工作条件的要求用于飞行器上的齿轮，要满足质量小、传递功率大和可靠性高的要求，因此必须选择力学性能高的合金钢；矿山机械中的齿轮传动，一般功率很大、工作速度较低、周围环境中粉尘含量极高，因此往往选择铸钢或铸铁等材料；家用及办公用机械的功率很小，但要求传动平稳、低噪声或无噪声、以及能在少润滑或无润滑状态下正常工作，因此常选用工程塑料作为齿轮材料。

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大尺寸的齿轮一般采用铸造毛坯，可选用铸钢或铸铁作为齿轮材料。中等或中等以下尺寸要求较高的齿轮常选用锻造毛坯，可选择锻钢制作。尺寸较小而又要求不高时，可选用圆钢作毛坯。 3)正火碳钢和调质碳钢正火碳钢不论毛坯的制作方法如何，只能用于制作在载荷平稳或轻度冲击下工作的齿轮，不能承受大的冲击载荷；调质碳钢可用于制作在中等冲击载荷下工作的齿轮。 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。

2、齿轮热处理 钢制齿轮常采用调质、正火、整体淬火、表面淬火及渗碳、渗氮等方法进行热处理。

第九章 齿轮传动