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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*。,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
4、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，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
5、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。 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
6、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
7、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
8、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、轮齿折断； 闭式传动：软齿面（HBS350）钢齿，点蚀； 硬齿面钢齿或铸铁，轮齿折
9、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；
10、（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，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
11、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,正火,渗氮,一般用于中碳钢和中碳合金钢，如45、40Cr等。表面
12、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
13、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
