齿轮常见的失效形式与设计准则

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1、10.8 齿轮常见的失效形式与设计准则,对一般工况下的齿轮传动，其设计准则是：,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。,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。,由实践得知： 1.闭式软齿面齿轮传动，以保证齿面接触疲劳强度为主(按照轮齿 齿面接触疲劳强度设计，再校核轮齿齿根的弯曲疲劳强度) 。 2.闭式硬齿面，以保证齿根弯曲疲劳强度为主（先按照轮齿齿根弯曲强度设计，再校核轮齿齿面接触疲劳强度）。,10.8.2 设计准则,10.8 齿轮常见的失效形式与设计准则,齿轮的材料及其选择原则,10.9.1 齿轮材

2、料的基本要求,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、加工工艺性能及热处理性能良好。,齿轮材料选用的基本原则,10.9 齿轮的常用材料及许用应力,10.9.2 齿轮常用材料及其热处理,齿轮材料 选择齿轮材料总体上要考虑防止产生齿面失效和轮齿折断。 基本要求：齿面要硬，齿芯要韧 常用的齿轮材料 1、钢最常用，可通过热处理改善机械性能 （1）锻钢： 软齿面齿轮（HBS350）（HBS,HRC等单位为常见的硬度单位） 如45、40Cr 热处理，正火调质，加工方法，热处理后精切齿形8、7级，适合于对精度、强度和速度要求不高的齿轮传动 （2

3、）铸钢用于尺寸较大齿轮，需正火和退火以消除铸造应力。强度稍低,硬齿面齿轮（HBS350）（是发展趋势） 20Cr，20CrMnTi，40Cr，30CrMoAlA，表面淬火，渗碳淬火，氮化和氰化，先切齿表面硬化磨齿精切齿形5、6级,适合于高速、重载及精密机械（如精密机床、航空发动机等） 2、铸铁脆、机械强度，抗冲击和耐磨性较差，但抗胶合和点蚀能力较强，用于工作平稳、低速和小功率场合。 铸铁：灰铸铁；球墨铸铁有较好的机械性能和耐磨性,铸铁：含碳量在2%以上的铁碳合金。 钢：以铁为主要元素，碳含量一般在2.0%以下并含有其他元素的金属材料 钢材在常温或在结晶温度以下的加工产生强烈的塑性变形，使晶格扭

4、曲、畸变，晶粒产生剪切、滑移，晶粒被拉长，这些都会使表面层金属的硬度增加，减少表面层金属变形的塑性，称为冷作硬化。金属在冷态塑形变形中，使金属的强化指标，如屈服点、硬度等提高，塑形指标如伸长率降低的现象称为冷作硬化。,补充知识,灰口铸铁:含碳量较高（2.7%4.0%），碳主要以片状石墨形态存在，断口呈灰色，简称灰铁。熔点低（11451250），凝固时收缩量小，抗压强度和硬度接近碳素钢，减震性好。由于片状石墨存在，故耐磨性好。铸造性能和切削加工较好。用于制造机床床身、汽缸、箱体等结构件。其牌号以“HT”后面附两组数字。例如：HT20-40（第一数字表示最低抗拉强度，第二组数字表示最低抗弯强度）。

5、,球墨铸铁。将灰口铸铁铁水经球化处理后获得，析出的石墨呈球状，简称球铁。碳全部或大部分以自由状态的球状石墨存在，断口成银灰色。比普通灰口铸铁有较高强度、较好韧性和塑性。其牌号以“QT”后面附两组数字表示，例如：QT45-5（第一组数字表示最低抗拉强度，第二组数字表示最低延伸率）。用于制造内燃机、汽车零部件及农机具等。 3、非金属材料工程塑料（ABS、尼龙）、夹布胶木,钢的热处理,钢的热处理工艺包括退火、正火、淬火、回火和表面热处理等方法。其中回火又包括高温回火、中温回火和低温回火。 退火是一种金属热处理工艺，指的是将金属缓慢加热到一定温度，保持足够时间，然后以适宜速度冷却。目的是降低硬度，改善

6、切削加工性；消除残余应力，稳定尺寸，减少变形与裂纹倾向；细化晶粒（结晶物质在生长过程中，由于受到外界空间的限制，未能发育成具有规则形态的晶体，而只是结晶成颗粒状，称晶粒），调整组织，消除组织缺陷。,正火，又称常化，是将工件加热到一定温度并保温一段时间后，从炉中取出在空气中或喷水、喷雾或吹风冷却的金属热处理工艺。其目的是在于使晶粒细化和碳化物分布均匀化，去除材料的内应力，降低材料的硬度。 应力：受力物体截面上内力的集度，即单位面积上的内力。,钢的淬火是将钢加热到临界温度以上温度，保温一段时间，然后以大于临界冷却速度的冷速快冷转变的热处理工艺。通常也将铝合金、铜合金、钛合金、钢化玻璃等材料的固溶处

7、理或带有快速冷却过程的热处理工艺称为淬火。,回火将淬火后的钢/铁，在一定温度以下加热、保温后冷却下来的金属热处理工艺。将经过淬火的工件重新加热到低于下临界温度的适当温度，保温一段时间后在空气或水、油等介质中冷却的金属热处理工艺。或将淬火后的合金工件加热到适当温度，保温若干时间，然后缓慢或快速冷却。一般用以减低或消除淬火钢件中的内应力，或降低其硬度和强度，以提高其延性或韧性。 低温回火：工件在150250进行的回火 中温回火：工件在350500 之间进行的回火。 高温回火：工件在500以上进行的回火。,调质，即淬火和高温回火的综合热处理工艺 调质件大都在比较大的动载荷作用下工作，它们承受着拉伸、

8、压缩、弯曲、扭转或剪切的作用，有的表面还具有摩擦，要求有一定的耐磨性等等。总之，零件处在各种复合应力下工作。这类零件主要为各种机器和机构的结构件，如轴类、连杆、螺栓、齿轮等，在机床、汽车和拖拉机等制造工业中用得很普遍。尤其是对于重型机器制造中的大型部件，调质处理用得更多因此，调质处理在热处理中占有很重要的位置。 在机械产品中的调质件，因其受力条件不同，对其所要求的性能也就不完全一样。一般说来，各种调质件都应具有优良的综合力学性能，即高强度和高韧性的适当配合，以保证零件长期顺利工作。,表面淬火：是将钢件的表面层淬透到一定的深度，而心部分仍保持未淬火状态的一种局部淬火的方法。表面淬火时通过快速加热

9、，使刚件表面很快到淬火的温度，在热量来不及穿到工件心部就立即冷却，实现局部淬火。 表面淬火的目的在于获得高硬度，高耐磨性的表面，而心部仍然保持原有的良好韧性，常用于机床主轴，齿轮，发动机的曲轴等。表面淬火采用的快速加热方法有多种，如电感应，火焰，电接触，激光等，目前应用最广的是电感应加热法。 感应加热表面淬火就是在一个感应线圈中通以一定频率的交流电（有高频，中频，工频三种），使感应圈周围产生频率相同的交变磁场，置于磁场之中的工件就会产生与感应线圈频率相同，方向相反的感应电流，这个电流叫涡流。由于集肤效应，涡流主要集中在工件的表层。 由涡流所产生的电阻热使工件表层被迅速加热到淬火温度，随即向工件

10、喷水，将工件表层淬硬。 其加热速度极快，通常只有几秒钟。,渗碳淬火是金属材料常见的一种热处理工艺，它可以使渗过碳的工件表面获得很高的硬度，提高其耐磨程度。 渗碳：是对金属表面处理的一种，采用渗碳的多为低碳钢或低合金钢，具体方法是将工件置入具有活性渗碳介质中,加热到900-950摄氏度,保温足够时间后,使渗碳介质中分解出的活性碳原子渗入钢件表层,从而获得表层高碳,心部仍保持原有成分. 相似的还有低温渗氮处理。这是金属材料常见的一种热处理工艺，它可以使渗过碳的工件表面获得很高的硬度，提高其耐磨程度。,渗氮，是在一定温度下一定介质中使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。常见有液体渗氮、气体渗氮、离子

11、渗氮。传统的气体渗氮是把工件放入密封容器中，通以流动的氨气并加热，保温较长时间后，氨气热分解产生活性氮原子，不断吸附到工件表面，并扩散渗入工件表层内，从而改变表层的化学成分和组织，获得优良的表面性能。如果在渗氮过程中同时渗入碳以促进氮的扩散，则称为氮碳共渗。常用的是气体渗氮和离子渗氮。,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(含碳量表示万分之一)、40Cr（合金含量为千分之一）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,齿轮材料的热处理和化学处理,2. 渗碳淬火,渗

12、碳钢为含碳量0.150.25%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。,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

13、齿的场合，如内齿轮。材料为：38CrMoAlA.,5. 渗氮,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: 3050HBS,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。,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

14、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；,10.9 齿轮的常用材料及许用应力,10.9.3 许用应力,10.9 齿轮的常用材料及许用应力,试验齿轮的接触疲劳极限sHlim查表,试验齿轮的弯曲疲劳极限sFlim查表,铸铁,正火结构钢和铸钢,调质钢和铸钢,渗碳淬火及表面淬火钢,铸铁,正火结构钢和铸钢,调质钢和铸钢,渗碳淬火及表面淬火钢,弯曲疲劳寿命系数YN,接触疲劳寿命系数ZN,我国颁布的渐开线圆柱齿轮精

15、度国家标准中对齿轮和齿轮传动规定了12个精度等级。精度由高到低的顺序依次用数字1、2、3、12表示。,渐开线圆柱齿轮精度国标简介,对传动性能的主要影响分别为：传递运动的准确性；传动的平稳性；载荷分布的均匀性。 常用的精度等级是5、6、7、8级。这几级精度齿轮传动的应用范围见表,常用圆柱齿轮传动的精度等级及其应用范围,10.10.1 轮齿的受力分析,以节点 P 处的啮合力为分析对象，并不计啮合轮齿间的摩擦力，可得：,10.10 渐开线标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算,T1-作用于主动轮1上的驱动扭矩，N.mm 如果已知传递的功率，则 T1=9.55106P1/n1(N.mm),10.10 渐开线标

16、准直齿圆柱齿轮传动的强度计算,10.10.2 轮齿的计算载荷,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。,计算载荷用符号Fnc表示。,即,Fnc= KFn,K-齿轮传动的载荷系数，一般是12之间；,载荷系数K,齿轮系数即载荷系数K，包括使用系数KA、动载系数KV、齿间载荷分配系数K及齿向载荷分布系数K，即K=KAKVKK 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。 动载系数KV：是考虑齿轮自身啮合传动时所产生的的动载荷影响的系数。与制造及装配误差，圆周速度等有关。 齿间载荷分配系数K ：是考虑齿间载荷分布的不均匀所产生影响的系数。与齿距误差，弹性变形等有关。 齿向载荷分布系数K：是考虑齿面上载荷沿接触线分布不均所产生