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1、第12章 齿轮传动,12.1 概述,1 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,适用范围：传递功率可达数万千瓦；圆周速度可达 150米/秒；直径可达10米以上； 单级传动比可达8以上。,作用： 用来传递两轴之间的运动和动力。,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
2、损，适于低速传动。,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,斜齿圆柱齿轮传动,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。,2 分类,(表12.1 p204，图12.1 p205),12.1 概述,3 基本要求,传动平稳； 承载能力高。,12.2 齿轮传动的主要参数,1 主要参数,基本齿廓；模数；中心距；传动比；齿数比。,传动比i,齿数比 u,2 精度等
3、级的选择,详见表12.5和表12.6 p207,国标GB-10095-88规定了齿轮精度的12个等级。其中1级最高，12级最低，常用的为69级精度。,按照误差的特性及它们对传动性能的主要影响，将齿轮的各项公差分成三组，分别反映传递运动的准确性，传动的平稳性和载荷分布的均匀性。,精度选择是以传动的用途、使用条件、传递功率、圆周速度等为依据来确定。,12.3 齿轮传动的失效形式,轮齿折断,一般发生在齿根处，严重过载突然断裂、疲劳折断。,1 轮齿的失效形式,失效形式 (5种),潘存云教授研制,因受交变应力的持续作用,断裂均始于齿根受拉侧,保证轮齿不发生折断的方法： 根本的措施是：用弯曲疲劳强度计算确
4、定相关的齿轮参数，保证其齿根的弯曲强度足够。 辅助措施有：（1）增大齿根过渡圆角半径，消除加工刀痕，减小齿根应力集中； （2）增大轴及支承的刚度，使轮齿接触线上受载较为均匀； （3）采用适当的热处理，使轮齿芯部材料具有足够的韧性； （4）减轻滚切拉伤、磨削烧伤等加工损伤； （5）采用喷丸、滚压等工艺，对齿根表层进行强化处理；等。,12.3 齿轮传动的失效形式,齿面接触应力按脉动循环变化当超过疲劳极限时，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,轮齿折断,失效形式 (5种),12.3 齿轮传动的失
5、效形式,往往在闭式软齿面齿轮传动中会发生扩展性点蚀。 齿面受交变的应力持续作用,微裂纹在油液的辅助下向下、再向上扩展,最终形成粒状脱落，使齿面出现点蚀坑。,12.3 齿轮传动的失效形式,保证齿轮不发生齿面点蚀的方法： 根本的措施是：用接触疲劳强度计算确定相关的齿轮参数，保证齿轮的接触强度足够。 辅助措施有：（1）提高齿面硬度； （2）降低齿面粗糙度； （3）采用较大的变位系数； （4）采用粘度较高的润滑油； （5）减少动载荷；等。,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
6、形成沟纹。,措施： 1.提高齿面硬度,2.减小齿面粗糙度,3.增加润滑油粘度低速,4.加抗胶合添加剂高速,轮齿折断,失效形式 (5种),12.3 齿轮传动的失效形式,潘存云教授研制,齿面胶合,齿面磨粒磨损,措施：1.减小齿面粗糙度,2.改善润滑条件，清洁环境,齿面点蚀,轮齿折断,失效形式,3.提高齿面硬度,12.3 轮传动的失效形式,潘存云教授研制,潘存云教授研制,齿面胶合,齿面磨粒磨损,齿面点蚀,轮齿折断,失效形式,齿面塑性变形,潘存云教授研制,表面凸出,表面凹陷,12.3 齿轮传动的失效形式,2 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
7、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。,12.3 齿轮传动的失效形式,1 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。,12.4 齿轮材料及其热处理,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,2 常用齿轮材料,钢材的韧性好，耐冲击，通过热处理和化
8、学处理可改善材料的机械性能，最适于用来制造齿轮。,耐磨性及强度较好，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。,热处理方法,表面淬火,整体淬火,渗氮,一般用于中碳钢和中碳合金钢，如45、40Cr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。,表面淬火,高频淬火、火焰淬火,3 齿轮热处理,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。,
9、渗碳淬火,碳氮共渗氮,12.4 齿轮材料及其热处理,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。,正火调质,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，适用于难以磨齿的场合，如内齿轮，但其硬化层很薄。材料为： 42CrMo 38CrMoAl.,渗氮,12.4 齿轮材料及其热处理,特点及应用： 调质、正火处理后的
10、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。,12.4 齿轮材料及其热处理,4 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，
11、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；,12.4 齿轮材料及其热处理,12.5 圆柱齿轮材传动的几何计算,渐开线外啮合圆柱齿轮传动的主要几何计算公式见表12.8 p212。,注意：斜齿轮：,中心距,分度圆直径,12.6 圆柱齿轮传动的载荷计算,1 圆柱齿轮传动的受力分析 轮齿所受总法向力Fn可分解为三个分力 : 圆周力Ft、径向力Fr、轴向力Fa,长方体底面,长方体对角面即轮齿法面,F =Ft /cos,12.6 圆柱齿轮传动的载荷计算,1 圆柱
12、齿轮传动的受力分析 轮齿所受法向力Fn可分解为三个分力 : 圆周力 轴向力 径向力 圆周力Ft的方向：主反从同；径向力Fr的方向：向心；轴向力Fa的方向：主动轮由左右手螺旋法则按轮齿的螺旋方向确定，从动轮按作用与反作用力关系确定。,12.6 圆柱齿轮传动的载荷计算,2 计算载荷,K为载荷系数，其值为：KKA Kv K K,Ft 为轮齿所受的名义圆周力。,式中 KA 使用系数 表12.9 p215,Kv 动载系数 图12.9 p216,K齿间载荷分配系数 表12.10 p217,K齿向载荷分布系数 表12.11 p218,轮齿所受的实际圆周力要比名义圆周力大。,实际圆周力,潘存云教授研制,潘存云
13、教授研制,受力变形,制造误差,安装误差,附加动载荷,轮齿变形和误差还会引起附加动载荷，且精度越低，圆周速度越高，动载荷越大。,载荷集中,齿向载荷分布系数K,表12.11 齿向载荷分布系数 K ,K H,K H,1.03,1.03,1.06,1.08,1.10,1.2,1.3,1.5,2,3,4,5,6,1.03,1.03,1.06,1.08,1.10,1.2,1.3,1.5,2,3,4,5,6,1.03 1.044 1.06 1.1 1.2 1.3 1.5 2 3 4,弯曲疲劳强度计算用的齿向载荷分布系数 K F,12.6 圆柱齿轮传动的载荷计算,K F,改善齿向载荷不均匀的措施：,（1）增大
14、轴、轴承及支座的刚度；,（5）轮齿修形（腰鼓齿）。,（4）尽可能避免悬臂布置；,（3）适当限制轮齿宽度；,（2）对称轴承配置；,12.6 圆柱齿轮传动的载荷计算,齿轮强度计算是根据齿轮可能出现的失效形式来进行的。在一般闭式齿轮传动中，轮齿的失效主要是齿面接触疲劳点蚀和轮齿弯曲疲劳折断。齿面疲劳点蚀与齿面接触应力的大小有关，而齿面的最大接触应力可近似用赫兹公式进行计算。,1 齿面接触疲劳强度计算,接触应力（赫兹）公式及强度条件：,12.7 直齿圆柱齿轮传动的强度计算,原始公式,H,H,u1,u2,“+”用于外啮合，“-”用于内啮合,齿轮强度计算是根据齿轮可能出现的失效形式来进行的。在一般闭式齿轮
15、传动中，轮齿的失效主要是齿面接触疲劳点蚀和轮齿弯曲疲劳折断。齿面疲劳点蚀与齿面接触应力的大小有关，而齿面的最大接触应力可近似用赫兹公式进行计算。,1 齿面接触疲劳强度计算,节圆处齿廓曲率半径,确定齿轮啮合时的节点为计算点：,12.7 直齿圆柱齿轮传动的强度计算,用于齿轮,齿数比 u= z2 /z1 = d2 /d1 = 2 /1 1,12.7 直齿圆柱齿轮传动的强度计算,弹性系数 表12.12 p221,代入强度条件得,节点区域系数图12.16 p223,齿面接触疲劳强度校核公式,重合度系数,引入齿宽系数d=b/d1 表12.13 p223,得设计公式,讨论：1.因两个齿轮的H1= H2 ，故
16、按此强度准则设计齿轮传动时，公式中应代入H1 和H2 中较小者。,12.7 直齿圆柱齿轮传动的强度计算,小齿轮上的转矩,P 传递的功率(kw),1 小齿轮上的角速度,n1 小齿轮上的转速（转/分）,2.,3.齿轮传动的许用接触应力,许用接触应力,Hlim 接触疲劳极限, 图12.17 p223-224,SHlim 接触疲劳强度的最小安全系数，表12.4 p225。,Z N 寿命系数，图12.18 p224;需先计算轮齿的应力循环次数NL:,12.7 直齿圆柱齿轮传动的强度计算,载荷稳定的,载荷不稳定的,12.7 直齿圆柱齿轮传动的强度计算,4.齿轮传动的齿宽系数d=b/d1,d 齿宽b 强度 ; 但d过大将导致K。具体取值 见表12.13
