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1、精 密 机 械 设 计南京信息工程大学齿轮机构及其设计内 容 提 示p齿轮传动的失效形式及设计准则p齿轮材料及其热处理工艺p直齿圆柱齿轮传动计算载荷与受力分析p齿面接触疲劳强度计算p齿根弯曲疲劳强度计算8-1 齿轮传动的失效形式及设计准则齿轮传动的失效形式1、轮齿折断 齿轮传动的失效主要发生在轮齿部分，其常见失效形式有 ：轮齿折断、齿面点蚀、齿面磨损、齿面胶合和塑性变形 等五种 轮齿在工作过程中，齿根部受较大的交变弯曲应力，并且 齿根圆角及切削刀痕产生应力集中。当齿根弯曲应力超过材 料的弯曲疲劳极限时，轮齿在受拉一侧将产生疲劳裂纹，随 着裂纹的逐渐扩展，导致轮齿疲劳折断。局部折断和整体折断8-
2、1 齿轮传动的失效形式及设计准则d一定时，z，m，增加齿厚，提高抗弯强 度；增大齿根过渡圆角半径；提高齿轮制造精 度和安装精度；采用表面强化处理（如喷丸、 碾压）等；都可以提高轮齿的抗折断能力。 措施:8-1 齿轮传动的失效形式及设计准则2、齿面点蚀 齿面接触疲劳磨损齿轮工作时，在循环变化的接 触应力、齿面摩擦力及润滑剂的反 复作用下，轮齿表面或次表层出现 疲劳裂纹，裂纹逐渐扩展，导致齿 面金属剥落形成麻点状凹坑。齿面疲劳点蚀首先出现在齿面节 线偏齿根侧。这是因为节线附近齿面 相对滑动速度小，油膜不宜形成，摩 擦力较大；且节线处同时参与啮合的 轮齿对数少，接触应力大。点蚀的发 展，会产生振动和
3、噪声，以至不能正 常工作而失效。 8-1 齿轮传动的失效形式及设计准则提高齿面硬度，降低齿面粗糙度值，合理选择 润滑油的粘度及采用正变位齿轮传动等 点蚀实例措施:8-1 齿轮传动的失效形式及设计准则3、齿面磨损 由于粗糙齿面的摩擦或有 砂粒、金属屑等磨料落入齿面 之间，都会引起齿面磨损。磨 损引起齿廓变形和齿厚减薄， 产生振动和噪声，甚至因轮齿 过薄而断裂失效。 磨损是开式齿轮传动的主要失效形式。采用闭式齿 轮传动，提高齿面硬度，降低齿面粗糙度值，注意 保持润滑油清洁等，都有利于减轻齿面磨损 措施:8-1 齿轮传动的失效形式及设计准则4、齿面胶合 高速重载齿轮传动，因齿面间压力大、相对滑动速度
4、 大，在啮合处摩擦发热多，产生瞬间高温，使油膜破裂， 造成齿面金属直接接触并相互粘着，而后随齿面相对运动 ，又将粘接金属撕落，使齿面形成条状沟痕，产生齿面热 胶合。低速重载齿轮传动（v4m/s ），由于啮合处局部 压力很高齿，使油膜破裂而粘着，产生齿面冷胶合。齿面 胶合会引起振动和噪声，导致失效。采用正变位齿轮、减小模数及降低齿高 以减小滑动速度，提高齿面硬度，降低 齿面粗糙度值，采用抗胶合能力强的齿 轮材料，在润滑油中加入极压添加剂措施:8-1 齿轮传动的失效形式及设计准则5、齿面塑性变形 用较软齿面材料制造的齿轮，在承受重载的传动中，由 于摩擦力的作用，齿面表层材料沿摩擦力的方向发生塑 性
5、变形。主动轮齿面节线处产生凹坑，从动轮齿面节线 处产生凸起。提高齿面硬度和润滑油粘度，可以减轻或 防止齿面塑性变形的产生。 设计准则 8-1 齿轮传动的失效形式及设计准则设计齿轮传动时，应根据实际工况条件，分析主要失效形 式，确定相应的设计准则，进行设计计算。对于闭式齿轮传动，主要失效形式是齿面疲劳点蚀、弯 曲疲劳折断及胶合。目前一般齿轮传动，只按齿面接触疲劳 强度和齿根弯曲疲劳强度两准则进行设计计算。对于高速大 功率的齿轮传动，还应按齿面抗胶合能力的准则进行计算。开式齿轮传动的主要失效形式是磨损及弯曲疲劳折断， 目前对磨损尚无成熟的设计计算方法，故通常按齿根弯曲疲 劳强度进行设计计算，并将模
6、数增大10%-20%，以考虑磨损 的影响。8-2 齿轮材料及其热处理工艺齿轮材料对齿轮的承载能力和结构尺寸影响很 大，合理选择齿轮材料是设计重要内容之一。选择 齿轮材料应考虑如下要求：齿面应有足够的硬度， 保证齿面抗点蚀、抗磨损、抗胶合和抗塑性变形的 能力；轮齿芯部应有足够的强度和韧性，保证齿根 抗弯曲能力；此外，还应具有良好的机械加工和热 处理工艺性；以及经济性等要求。 齿轮材料的选择要求8-2 齿轮材料及其热处理工艺制造齿轮材料以锻钢（包括轧制钢材）为主，其次是铸钢、 铸铁，还有有色金属和非金属材料等。常用齿轮材料及热处理钢制软齿面齿轮要求小齿轮硬度大于大齿轮30-50 HBS原因：1）小
7、齿轮齿根强度较弱 2）小齿轮的应力循环次数较多 3)当大小齿轮有较大硬度差时，较硬的小齿轮会对 较软的大齿轮齿面产生冷作硬化的作用，可提高大 齿轮的接触疲劳强度 齿轮材料的选择原则 8-3 直齿圆柱齿轮传动计算载荷与受力分析轮齿的受力分析 转矩T1由主动齿轮传给从动齿轮。忽略齿面间的摩擦力，轮齿 间法向力Fn的方向始终沿啮合线。法向力Fn在节点处可分解为 两个相互垂直的分力：切于分度圆的圆周力Ft和沿半径方向的 径向力Fr。 8-3 直齿圆柱齿轮传动计算载荷与受力分析计算载荷和载荷系数名义载荷Fn是用齿轮传递的名义转矩求得的载荷 计算载荷由于载荷沿接触线不是均匀分布的，在某些地 方大于、某些地
8、方小于名义载荷，造成所谓载荷集中。常 用载荷集中系数表示。由于齿轮制造不精确，致使转动不 平稳，引起附加的动载荷，常用动载荷系数表示其影响。 在计算齿轮传动的强度时，用载荷系数对名义载荷进行修 正，名义载荷与载荷系数的乘积称为计算载荷。 Kv-动载荷系数K-载荷集中系数8-3 直齿圆柱齿轮传动计算载荷与受力分析动载荷系数Kv考虑齿轮副自身啮合误差引起的内部附加动载荷的影响系数。 l齿轮制造产生的基节 误差和齿形误差； l在啮合传动中，同时 参加啮合轮齿的对数及 位置在循环变化，轮齿 啮合刚度也随之变化； l轮齿受载变形； l齿轮支承件的弹性变 形等8-3 直齿圆柱齿轮传动计算载荷与受力分析载荷
9、集中系数K 考虑沿齿宽方向载荷分布不均匀对齿轮强度影响的系数 主要是由于齿轮的制造和安装误差；轮齿、轴 系部件和箱体的变形；齿宽及齿面硬度等 8-4 齿面接触疲劳强度计算赫兹公式接触应力8-4 齿面接触疲劳强度计算接触疲劳强度的校核公式 8-4 齿面接触疲劳强度计算接触疲劳强度的设计公式 其中8-4 齿面接触疲劳强度计算许用接触应力注意: 在进行齿面接触强度计算时，应代 入较小的值进行计算8-5 齿根弯曲疲劳强度计算基本假设8-5 齿根弯曲疲劳强度计算弯曲疲劳强度的校核公式 8-5 齿根弯曲疲劳强度计算弯曲疲劳强度的设计公式 其中8-5 齿根弯曲疲劳强度计算许用弯曲应力注意: 在按弯曲强度计算模数时，应按两 轮中 值较大者计算
