齿轮传动的失效形式及设计准则

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1、第23讲11-9 齿轮传动的失效形式及设计准则11-10 齿轮的常用材料及许用应力 11.9 齿轮传动失效形式及设计准则一、失效形式及设计准则齿轮传动的失效主要是指齿轮轮齿的破坏 。至于齿轮的其它部分，通常都是按经验进行 设计，所以确定尺寸对强度来说都是很富裕的 ，在实际工程中也极少破坏。针对轮齿失效形 式不同，决定轮齿强度的设计准则和计算方法 也不同。所以，首先我们要了解轮齿的主要失 效形式。工程上主要有二大类（5小类）失效 形式。1）轮齿折断（打牙）轮齿就好象一个 悬臂梁，在受外载作 用时，在其轮齿根部 产生的弯曲应力最大 。同时，在齿根部位 过渡尺寸发生急剧变 化，以及加工时沿齿 宽方向

2、留下加工刀痕而造成应力集中的作用，当 轮齿重复受载，在脉动循环或对称循环应力作用 下，在根部会造成疲劳断裂。不良或由于轴 的刚度不足而 产生过大的弯 曲变形，也会 出现轮齿局部 过载，造成局 部折断。 轮齿受到突然过载，齿根应力如果超过材 料强度极限，也会发生脆断现象。在斜齿轮传 动中，轮齿的接触线为一斜线，轮齿受载后会 发生局部折断；直齿圆柱齿轮，若制造及安装轮齿折断都是其弯曲应力超过了材 料相应的极限应力，是最危险的一种 失效形式。一旦发生断齿，传动立即 失效。根据这种失效形式确定的设计 准则及计算方法即为轮齿弯曲强度计 算。由于疲劳破坏是断齿的主要原因 ，故齿根弯曲疲劳强度计算是后面所

3、要讨论的主要问题之一。2）轮齿工作表面的破坏轮齿的破坏，除断齿外，还有轮齿表面的 破坏而造成传动的失效。轮齿表面的破坏主要 有四类：点蚀、胶合、塑性变形和磨损。 （1）齿面点蚀 在润滑良好的闭式齿轮传动中 ，由于齿面材料在交变接触应 力作用下，因为接触疲劳产生 贝壳形状凹坑的破坏形式称为 点蚀，也是常见的一种齿面破 坏形式。齿面点蚀：轮齿工作面某一固定点受 到近似脉动的变应力作用，由于疲劳 而产生的麻点状剥蚀损伤的现象。点 蚀是闭式传动常见的失效形式。开始 齿轮由于磨损很少出现点蚀。点蚀首 先出现在节线附近。齿面上最初出现的点蚀随材料不同而不同，一般出 现在靠近节线的齿根面上，最初为细小的尖状

4、麻点。当齿面硬度较低、材料塑性良好，齿面经跑 合后，接触应力趋于均匀，麻点不再继续扩展， 这是一种收敛性点蚀 ，不会导致传动失效 。但当齿面硬度较高 、材料塑性较差时， 点蚀就会不断扩大， 这是一种破坏性点蚀 ，是一种危险的失效 形式。为什么最初点蚀会发生在靠近节线的 齿根面上呢？因为在轮齿的啮合过程中， 齿面间的相对滑动起着形成润滑油膜的作 用，而且相对速度越高，形成油膜的作用 越显著，润滑也就越好。当轮齿在靠近节 线处啮合时，相对滑动速度低，带油效果 差，所以在这里首先出现点蚀破坏。也就 是说：在靠近节线处的齿根面抵抗点蚀破 坏的能力最差。 由于油膜的存在，增大了齿面上实 际承受压力的面积

5、，可以减缓点蚀破坏 。在合理的限度内，油的粘度越高，效 果越好。低速时可用高粘度油；当高速（如 ）时，则要选用粘度较低的油，采用喷 油润滑，同时起到散热的作用。 针对点蚀破坏而拟订的设计准则和计算 方法即为齿面接触疲劳强度计算。（2）齿面胶合 对于某些高速重载的齿轮传动（如航空发动机的 主传动齿轮），齿面间的压力大，瞬时温度高， 油变稀而降低了润滑效果 ，导致摩擦增大，发热增 多，将会使某些齿面上接 触的点熔合焊在一起，在 两齿面间相对滑动时，焊 在一起的地方又被撕开。 于是，在齿面上沿相对滑 动的方向形成伤痕，这种 现象称作胶合。防止胶合的措施：提高齿面硬度；降低齿面粗糙 度；增大润滑油粘度

6、；限制油温。缺少供油，也会导致胶合。针对胶合失效而拟订的设计准则及计 算方法即为传动的胶合承载能力计算。由于这种方法 目前还不统一，而且 计算过程复杂，我们 就不作介绍。（3）齿面磨损在开式传动中，这是一种主要的破坏形式，现在 还没有简明的计算方法。齿面磨损：灰尘、砂粒、金属微粒等落入轮齿间，会使齿面 间产生摩擦磨损。严重时会因齿面减薄过多而折断。磨损是 开式传动的主要失效形式。主要措施：采用闭式传动；提高齿面硬度；降低齿面粗糙 度；采用清洁的润滑油。（4）齿面塑性变形若轮齿的材料较软，载荷及摩擦力又都很大时，齿 面材料就会沿着摩擦力的方向产生塑性变形，这种情况 一般发生在硬度较低的齿面上。

7、以上所列举的是齿轮失效的几种 主要形式，都有可能在传动中发生。 但在一定条件下，总有一种形式是主 要的。随着强度计算理论的发展和计算 方法的完善，各国都制订有针对轮齿 折断和点蚀的两种计算方法和标准， 也是比较成熟和完善的两种。 针对不同的齿轮传动失效形式、设计准则也有所 不同，具体设计准则如下： 1、当轮齿表面硬度350HBS（HRC350HBS(HRC38)时，称硬齿面。 2、闭式软齿面齿轮传动：按接触强度确定传动的尺 寸，而后验算齿根弯曲疲劳强度； 3、闭式硬齿面齿轮传动：按弯曲疲劳强度确定，验算接触强度； 4、开式传动：由于开式传动的失效形式主要是造成轮齿变薄，产生断齿，故按弯曲疲劳强

8、度计算进行设计。 11-10材料选择及热处理根据轮齿失效形式的分析可以知道，齿轮材料应 具备如下性能：1）齿面具有足够的硬度，以获得较高 的抗点蚀、抗磨损、抗胶合的能力；2）齿芯部有足够 的韧性，以获得较高的抗弯曲和抗冲击载荷的能力；3 ）具有良好的加工工艺性和热处理工艺性能；4）经济 。总的要求就是：齿面硬度高、齿芯韧性要好。所 以，主要用各种钢材，由于钢材经过适当的热处理就 具有这种综合性能。在特殊场合也有使用其它材料的 ，如铸铁、工程塑料等。 齿轮的常用材料 材料的选择是一个比较费事的工作。针对各 行业的不同，一般采用的方法是类比选择。但是 ，作为一个机械设计工程技术人员应对材料的选 择

9、方法原则有一个大概的了解。 1材料的选择必须满足一般工作要求和特殊工作要求，即机器的工作要求、可靠性等要求 2要考虑齿轮尺寸的大小、毛坯成型方法、热处理及加工等因素； 3要考虑齿轮载荷的大小、工况条件等因素的影响； 4齿轮的重要程度； 5传动比及配对情况。选择材料时具体可参考下述方法： 1）软齿面齿轮：工艺简单、生产率高，故 比较经济。但因为齿面硬度不高，限制了 承载能力，故适用于载荷、速度、精度要 求均不很高的场合。硬齿面齿轮承载能力 高，但成本也高，故适用于载荷、速度、 精度要求高的重要齿轮。 2）相啮合的一对齿轮，小齿轮齿面硬度要 比大齿轮齿面硬度高2050HBS。3）由于锻钢的力学性能

10、优于同类铸钢， 所以齿轮材料应优先选用锻钢。对于结构 复杂的大型齿轮，手锻造工艺和设备的限 制，可采用铸钢制造。如低速重载的轧钢 设备、矿山机械的大型齿轮等。 4）在小功率和精度要求不高的高速齿轮 传动中，为了减少噪声，其小齿轮常用尼 龙、夹布胶木、聚甲醛等非金属材料制造 ，但配对的大齿轮仍用钢或铸铁制造。提高齿面硬度，既可以提高接触强度 ，又可以提高抗磨粒磨损及抗塑性变形的 能力。硬齿面齿轮与软齿面齿轮比较，其 综合承载能力可提高23倍以上。在相同 承载能力的条件下，硬齿面齿轮尺寸比软 齿面齿轮尺寸小的多。所以除非生产条件 受到限制，一般硬采用硬齿面齿轮传动。 经过表面硬化的齿轮齿面硬度一般

11、 不低于HRC45（相当于424HBS）。对金 属制的直齿轮，配对的两齿轮齿面的硬度 差应保持在3050或更多（即HBS1 HBS2），是普遍要求。因为当小齿轮与 大齿轮的齿面具有较大的硬度差时（如小 齿轮淬火磨制，大齿轮为常化或调质）， 在运转过程中较硬的小齿轮齿面对较软的 大齿轮齿面，会有显著的冷作硬化效应， 提高大齿面的疲劳极限，其接触疲劳强度 约可以提高20%。选取齿轮材料及热处理方法时，要根据 需要及可能而定。钢制齿轮总要进行适当 的热处理以改善材料性能，常用方法有： 常化、调质、淬火、渗碳淬火、氮化等 1）调质对于45、40Cr、35SiMn等中碳合金 钢，经过调质处理后，其机械强

12、度、韧性 等综合性能较好，齿面硬度一般为220 260HBS。因为硬度不高，故可以在热处 理之后精切齿面，以消除热处理的变形。2）正火正火处理后可以使材料晶粒细化，增大 机械强度和韧性，消除内应力，改善切削性能 。一般用于机械强度要求不高的中碳钢齿轮。 对于大直径的齿轮可采用铸钢正火处理。 3）表面淬火对于45、40Cr等中碳钢和中碳合金钢齿 轮，也可以进行表面淬火，齿面硬度达到 50HRC以上，齿芯部仍有较高的韧性，故接 触强度高。耐磨性好，也可承受一定的冲击载 荷，适用于无剧烈冲击的齿轮传动。4）渗碳淬火对于含碳量0.150.25的低碳钢 和低碳合金钢，例如20、20Cr等材料，为 了获得

13、较好的力学性能，可进行渗碳淬火处 理，齿面硬度达到5662HRC，而芯部仍 能保持较高的韧性。这种齿轮的齿面接触强 度高、耐磨性好，常用于承受冲击载荷的重 要齿轮。但由于渗碳淬火后变形比较大，渗 碳淬火后都必须磨齿或用硬质合金滚刀滚刮 加工。5）表面渗氮表面渗氮是一种化学热处理方法，渗 氮后不再进行其它热处理。渗氮齿轮轮齿 变形小，齿面硬度比渗碳齿轮高，故适用 于尺寸较大的外齿轮或难于磨齿的内齿轮 。在精度等级低于7级时，一般不需要磨 齿。由于硬化层深度很小（只有0.10.6mm），故其承载能力稍低于渗碳齿轮，且不 适宜于有冲击过载或有磨粒磨损的场合。 用于渗氮的材料一般含有 Mo 、Al。 作业布置复习,预习下讲内容 11-11直齿圆柱齿轮传动的强度计算