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1、典型机械零件设计思路：典型机械零件设计思路：分析失效现象 失效机理（原因、后果、措施）设计准则 建立简化力学模型强度计算 主要参数尺寸 结构设计。第十一章第十一章 齿轮传动齿轮传动基本内容：基本内容： 1. 常见的齿轮传动失效形式及计算准则；常见的齿轮传动失效形式及计算准则； 2. 常见的齿轮传动受力分析常见的齿轮传动受力分析及强度计算；及强度计算； 3. 齿轮传动设计的注意事项齿轮传动设计的注意事项。11.1 轮齿常见的轮齿常见的失效形式失效形式1. 轮齿折断轮齿折断(1) 过载折断过载折断 受受冲击载荷冲击载荷或短时或短时过载过载作用，突然作用，突然折断，尤其见于脆性材料（淬火钢、折断，尤
2、其见于脆性材料（淬火钢、铸钢）齿轮。铸钢）齿轮。(2) 疲疲劳折断折断 轮齿受多次重复弯曲应力作用，齿根受拉一侧产生疲劳裂纹。轮齿受多次重复弯曲应力作用，齿根受拉一侧产生疲劳裂纹。 齿根应力集中齿根应力集中( (形状突变、刀痕等形状突变、刀痕等) )，加速裂纹扩展，加速裂纹扩展折断折断2. 齿面疲劳点蚀齿面疲劳点蚀 闭式软齿面齿轮传动闭式软齿面齿轮传动常见的失常见的失效形式为效形式为齿面疲劳点蚀。齿面疲劳点蚀。 齿面疲劳点蚀齿面疲劳点蚀首先出现在齿根首先出现在齿根表面靠近节线处表面靠近节线处。齿面疲劳点蚀是。齿面疲劳点蚀是由疲劳裂纹引起的失效由疲劳裂纹引起的失效形式。形式。原因：原因：H HH
3、 H 1 1）齿面受多次）齿面受多次交变应力交变应力作用，产生接触疲劳裂纹；作用，产生接触疲劳裂纹；4 4）润滑油进入裂缝，形成封闭高压油腔，楔挤作用使裂纹扩展。）润滑油进入裂缝，形成封闭高压油腔，楔挤作用使裂纹扩展。 （油粘度越小，裂纹扩展越快油粘度越小，裂纹扩展越快）2 2）节线处常为单齿啮合，接触应力大；）节线处常为单齿啮合，接触应力大；3 3）节线处为纯滚动，靠近节线附近滑动速度小，油膜不易形成，）节线处为纯滚动，靠近节线附近滑动速度小，油膜不易形成， 摩擦力大，易产生裂纹。摩擦力大，易产生裂纹。3. 齿面磨损齿面磨损 常见于开式齿轮传常见于开式齿轮传动中。通常有动中。通常有磨粒磨损磨
4、粒磨损和和跑合磨损跑合磨损两种基本形两种基本形式。式。 跑合磨损是必要的，跑合磨损是必要的，可提高设备工作性能。可提高设备工作性能。 减小齿面粗糙度、良好的润滑均可减少磨损。减小齿面粗糙度、良好的润滑均可减少磨损。原因：高速重载v,t ,油,油膜破坏,表面金属直接接触，融焊相对运动撕裂、沟痕。低速重载P、v ，不易形成油膜冷胶合。后果：引起强烈的磨损和发热，传动不平稳，导致齿轮报废。现象：齿面沿滑动方向粘焊、撕脱，形成沟痕。 4. 齿面胶合齿面胶合5. 齿面塑性变形齿面塑性变形 较多见于重载、起动频较多见于重载、起动频繁繁(受反复双向工作的冲击载受反复双向工作的冲击载荷作用荷作用) 的机械设备
5、中。的机械设备中。失效形式失效形式相应的计算准则相应的计算准则1 1、闭式齿轮传动、闭式齿轮传动主要失效为：点蚀、轮齿折断、胶合主要失效为：点蚀、轮齿折断、胶合软齿面：软齿面：主要是点蚀，按主要是点蚀，按H H设计，按设计，按F F校核校核硬齿面：硬齿面：主要是折断，按主要是折断，按F F设计，按设计，按H H 校核校核高速重载还要进行抗胶合计算高速重载还要进行抗胶合计算2 2、开式齿轮传动、开式齿轮传动主要失效为：主要失效为：轮齿折断、磨粒磨损轮齿折断、磨粒磨损按按F F设计，增大设计，增大m m考虑磨损考虑磨损3 3、短期过载传动、短期过载传动过载折断过载折断齿面塑变齿面塑变静强度计算静强
6、度计算11.2 齿轮常用材料和热处理方法齿轮常用材料和热处理方法 齿轮材料应具有足够的抗折断、抗点蚀、抗胶齿轮材料应具有足够的抗折断、抗点蚀、抗胶合及耐磨损等能力。合及耐磨损等能力。 齿轮齿轮常用材料：优质的碳素钢、合金结构钢、常用材料：优质的碳素钢、合金结构钢、铸钢和铸铁等，铸钢和铸铁等，一般多采用锻件或轧制钢材一般多采用锻件或轧制钢材。 1. 锻钢：强度高、韧性好、便于制造。还可以锻钢：强度高、韧性好、便于制造。还可以通过各种热处理的方法来改善其力学性能。通过各种热处理的方法来改善其力学性能。 (1)用于制造软齿面齿轮用于制造软齿面齿轮 常用材料常用材料45、40Cr、35SiMn、38S
7、iMnMo，正正火或调质后切齿。火或调质后切齿。 *常用于对强度、速度及精度要求不高的场合。常用于对强度、速度及精度要求不高的场合。 *小齿轮小齿轮=大齿轮大齿轮+（3050)HBS。 (2) 用于制造硬齿面齿轮用于制造硬齿面齿轮 常用材料：常用材料： 20Cr、20CrMnTi 表面渗碳后磨齿表面渗碳后磨齿。 或：或： 45、40Cr 1)整体淬火整体淬火+低温回火后磨齿、研齿。低温回火后磨齿、研齿。但心部韧但心部韧性不好，不适于承受冲击载荷。性不好，不适于承受冲击载荷。 2)表面淬火表面淬火+低温回火。心部韧性较高，低温回火。心部韧性较高，适于承适于承受中等冲击载荷。受中等冲击载荷。 2.
8、 铸钢铸钢 齿轮尺寸较大或结构复杂，且受力较大时采用。齿轮尺寸较大或结构复杂，且受力较大时采用。 3. 铸铁铸铁 用于低速、轻载、冲击小等不重要的齿轮传动。用于低速、轻载、冲击小等不重要的齿轮传动。 常用热处理方法常用热处理方法 P166表表11-111.3 齿轮传动的精度齿轮传动的精度精度等精度等级圆周速度周速度 / / (m/s)应 用用直直齿轮斜斜齿轮锥齿轮6 6 级1515252599 高高速速重重载的的齿轮传动，如如飞机机、汽汽车和机床中的重要和机床中的重要齿轮；分度机构的；分度机构的齿轮7 7 级1010171766 高高速速中中载或或中中速速重重载的的齿轮传动，如如标准系列减速器
9、、汽准系列减速器、汽车和机床中的和机床中的齿轮8 8 级55101033 机械制造中机械制造中对精度无特殊要求的精度无特殊要求的齿轮9 9 级33 3.5 3.5 2.52.5 低速及低速及对精度要求低的精度要求低的传动 在在齿轮精度精度标准（准（GB100095GB1000958888和和GB11365GB113658989）中，）中，规定定了了1212个精度等个精度等级，按精度高低依次，按精度高低依次为1 11212级，常用的是，常用的是6 69 9级。根据根据对运运动准确性、准确性、传动平平稳性和性和载荷分布均匀性的要求不同，荷分布均匀性的要求不同，将将齿轮的各的各项公差分公差分为第第、
10、第、第和第和第3 3个公差个公差组。 考考虑到到齿轮制造制造误差以及工作差以及工作时轮齿变形和受形和受热膨膨胀，同，同时为了便于了便于润滑，需要有一定的滑，需要有一定的齿侧间隙，隙，标准中准中还规定了定了CS共共1414种种齿厚偏差。厚偏差。 11.4 直齿圆柱直齿圆柱齿轮传动齿轮传动的强度计算的强度计算圆周力圆周力：径向力径向力：法向力法向力： 如果略去摩擦力，把沿着齿如果略去摩擦力，把沿着齿宽的分布力，看成在节点的集中宽的分布力，看成在节点的集中力。则沿啮合线方向的力。则沿啮合线方向的 可分可分解为两个分力：解为两个分力：圆周力圆周力 ； 径向力径向力 。受力分析：受力分析：忽略Ff，法向
11、力Fn作用于齿宽中点。作用于主、从动轮上各对力的作用于主、从动轮上各对力的大小方向判断大小方向判断：1)主、从动轮上的各对力均大小相等，方向相反。主、从动轮上的各对力均大小相等，方向相反。2)圆周力圆周力 ：在主动轮上与运动方向相反在主动轮上与运动方向相反，在从在从动轮上与运动方向相同动轮上与运动方向相同；3)径向力径向力 的方向对两轮都是由作用点指向轮心。的方向对两轮都是由作用点指向轮心。小齿轮上的转矩小齿轮上的转矩：计算载荷：与齿轮的制造精度，安装形式有关。计算载荷：与齿轮的制造精度，安装形式有关。 ：载荷系数，见：载荷系数，见P169 表表11-3从动轮：从动轮：F Ft2t2=-F=-
12、Ft1t1，F Fr2r2=-F=-Fr1r1，F Fn2n2=-F=-Fn1n1方向方向：圆周力圆周力F Ft tF Ft1t1与与1 1反向反向（阻力）（阻力）F Ft2t2与与2 2同向同向（动力）（动力）径向力径向力F Fr r：外齿轮：外齿轮指向各自轮心指向各自轮心；内齿轮背离轮心。；内齿轮背离轮心。Ft2Ft1Fr2Fr1 Ft2Ft1n1n2n1n2练习：练习：Fr1Fr2例例1：分析各齿轮受力：分析各齿轮受力为主动件：为主动件：为主动件为主动件：二、计算载荷二、计算载荷 名义载荷名义载荷沿啮合线作用在齿面上的法向力沿啮合线作用在齿面上的法向力F Fn n，理论上理论上F Fn
13、n应沿齿宽均匀分布。应沿齿宽均匀分布。 计算载荷计算载荷由于轴和轴承的变形、传动装置的制造和安由于轴和轴承的变形、传动装置的制造和安装误差等原因，载荷分布并不均匀，而出现载荷集中现象。装误差等原因，载荷分布并不均匀，而出现载荷集中现象。轴和轴承的刚度越小、齿宽越宽，载荷集中越严重。齿轮制轴和轴承的刚度越小、齿宽越宽，载荷集中越严重。齿轮制造误差及轮齿变形等原因，还会引起附加动载荷。精度越低、造误差及轮齿变形等原因，还会引起附加动载荷。精度越低、圆周速度越高，附加动载荷就越大。加之各种原动机和工作圆周速度越高，附加动载荷就越大。加之各种原动机和工作机的特性不同，也会使载荷实际大小发生变化。因此，
14、计算机的特性不同，也会使载荷实际大小发生变化。因此，计算齿轮强度时，通常用计算载荷齿轮强度时，通常用计算载荷F Fcaca=KF Fn n代替名义载荷，以考代替名义载荷，以考虑载荷集中和附加动载荷的影响。虑载荷集中和附加动载荷的影响。K为载荷系数为载荷系数. . 原原 动动 机机工工 作作 机机 的的 载载 荷荷 特特 性性均均 匀匀中等冲击中等冲击大的冲击大的冲击电电 动动 机机 1 1.21.2 1.61.6 1.8多缸内燃机多缸内燃机1.2 1.61.6 1.81.9 2.1单缸内燃机单缸内燃机1.6 1.81.8 2.02.2 2.4 齿面疲劳点蚀与齿面接触应力的大小有关，而齿面最大接
15、触齿面疲劳点蚀与齿面接触应力的大小有关，而齿面最大接触应力可按两接触圆柱体近似的用弹性力学的赫兹公式。应力可按两接触圆柱体近似的用弹性力学的赫兹公式。 式中正号用于外啮合式中正号用于外啮合, ,负负号用于内啮合；号用于内啮合；F Fn n为接触面为接触面上的法向压力；上的法向压力；b b为初始接触为初始接触线长度；线长度； 1和和 2分别为两个零分别为两个零件初始接触线处的曲率半径；件初始接触线处的曲率半径； 1和和 2分别为两零件材料的泊分别为两零件材料的泊松比；松比；E E1和和E E2分别为两零件材分别为两零件材料的弹性模量。料的弹性模量。 11.5 直齿圆柱直齿圆柱齿轮传动齿轮传动的齿
16、面接触疲劳强度计算的齿面接触疲劳强度计算经整理经整理： 可得到一对钢制标准齿轮传动的齿面接触强度验可得到一对钢制标准齿轮传动的齿面接触强度验算公式算公式：设计公式设计公式：分析：一对相互啮合的齿轮分析：一对相互啮合的齿轮 1.2. 3. 接触强度取决于分度圆直径或中心距接触强度取决于分度圆直径或中心距。 与齿数有关，与模数无关与齿数有关，与模数无关。11.6 直齿圆柱直齿圆柱齿轮传动齿轮传动的轮齿弯曲强度计算的轮齿弯曲强度计算假定假定：轮齿为悬臂梁轮齿为悬臂梁， 全部载荷由一对齿来承担。全部载荷由一对齿来承担。轮齿弯曲强度的验算公式轮齿弯曲强度的验算公式：轮齿弯曲强度设计公式为轮齿弯曲强度设计
17、公式为：有关的系数可查有关的系数可查：P173 图图11-8， P174 图图11-9。分析分析：一对相互啮合的齿轮一对相互啮合的齿轮2.3. 用轮齿弯曲强度设计公式时用轮齿弯曲强度设计公式时4. 计算得到的模数应圆整成标准值计算得到的模数应圆整成标准值。5. 通常应分别校核两齿轮的齿根弯曲强度。通常应分别校核两齿轮的齿根弯曲强度。1. 选用材料不同时选用材料不同时11.7 11.7 设计圆柱齿轮时材料和参数的选取设计圆柱齿轮时材料和参数的选取 一、一、材料材料 二、主要参数二、主要参数1.1.齿数比：齿数比：2.2.齿数：齿数：z17z173.3.齿宽系数齿宽系数d d及齿宽及齿宽b b：表
18、：表11-611-6例例11-1：P175齿轮传动强度计算说明齿轮传动强度计算说明1 1、一对相啮合齿轮弯曲应力是否相同？许用应、一对相啮合齿轮弯曲应力是否相同？许用应力呢？力呢？， 大、小齿轮弯曲强度不同大、小齿轮弯曲强度不同。故故 校核计算时，校核计算时，应分别校核应分别校核：设计时，应取设计时，应取、中的中的大者大者。提高弯曲强度：提高弯曲强度：模数模数m m材料不同，材料不同， 对于一对相互啮合的齿轮，在接触线处的接触对于一对相互啮合的齿轮，在接触线处的接触应力是相等的，即应力是相等的，即 提高接触强度：提高接触强度： d d或或a a适当提高适当提高b b制造精度制造精度11.8 斜
19、齿圆柱斜齿圆柱齿轮传动齿轮传动的强度计算的强度计算受力分析：受力分析： 各分力的方向判断各分力的方向判断： 1) 的方向在主动轮上的方向在主动轮上与运动方向相反，与运动方向相反，在从动轮在从动轮上与运动方向相同上与运动方向相同； 2) 的方向都指向各自的方向都指向各自的轴心的轴心； 3) 的方向用主动轮左的方向用主动轮左( (右右) )手法则来判断：手法则来判断： 对主动轮，轮齿的旋向若为右旋，则用右手对主动轮，轮齿的旋向若为右旋，则用右手(左左旋用左手旋用左手)握住轮的轴线，并使四指的方向顺着轮的握住轮的轴线，并使四指的方向顺着轮的转动方向，此时拇指的指向即为轴向力的方向转动方向，此时拇指的
20、指向即为轴向力的方向。而从。而从动轮的轴向力的方向与主动轮相反。动轮的轴向力的方向与主动轮相反。各分力的计算各分力的计算:圆周力圆周力：径向力径向力：轴向力轴向力：111习题习题11-711-7：轮轮1为主动件为主动件轮轮2为主动件为主动件1 1斜齿轮的齿面接触强度斜齿轮的齿面接触强度 验算公式验算公式 设计公式设计公式（11-8）（11-9）2. 斜齿轮轮齿的弯曲强度斜齿轮轮齿的弯曲强度设计公式设计公式：mm以上两式中以上两式中 应根据当量齿数应根据当量齿数查取。查取。验算公式验算公式：11.9 直齿圆锥直齿圆锥齿轮传动齿轮传动的强度计算的强度计算一、受力分析：一、受力分析： 1) 的方向在
21、主动轮上的方向在主动轮上与运动方向相反，与运动方向相反，在从动轮在从动轮上与运动方向相同上与运动方向相同； 2) 的方向都指向各自的方向都指向各自的轴心的轴心； 3) 的方向均为从齿轮的方向均为从齿轮的小端指向大端。的小端指向大端。 根据力平衡的原理：根据力平衡的原理：各分力的计算各分力的计算:圆周力圆周力：径向力径向力：轴向力轴向力：练习：转向： 同时指向或同时背离啮合点Fr1Fa2Fr2Fa1Ft1xFt2二、强度计算：二、强度计算：1. 齿面接触强度齿面接触强度适用一对钢制标准直齿圆锥齿轮传动的适用一对钢制标准直齿圆锥齿轮传动的验算公式验算公式：设计公式设计公式：2.2.弯曲疲劳强度计算
22、：弯曲疲劳强度计算：主要参数选择：主要参数选择： 1. 传动比不宜过大，以免径向尺寸过大传动比不宜过大，以免径向尺寸过大。 2. 闭式传动闭式传动 ，开式传动，开式传动 。 3. .齿宽系数的选择参见：齿宽系数的选择参见：P175表表11-6 4. 齿宽齿宽校核公式校核公式：设计公式设计公式：11.10 齿轮的构造齿轮的构造11.10.1 齿轮齿轮的结构设计的结构设计 (1)齿轮轴齿轮轴齿轮轴齿轮轴 钢制圆柱齿轮钢制圆柱齿轮 钢制圆锥齿轮钢制圆锥齿轮 实心结构齿轮实心结构齿轮腹板式或孔板式结构齿轮腹板式或孔板式结构齿轮轮辐式结构齿轮轮辐式结构齿轮一、齿轮传动的润滑一、齿轮传动的润滑 1)开式齿
23、轮传动通常采用人工定期加油润滑开式齿轮传动通常采用人工定期加油润滑，可可采用润滑油或润滑脂采用润滑油或润滑脂； 2)闭式齿轮传动中，润滑方式取决于齿轮的圆周闭式齿轮传动中，润滑方式取决于齿轮的圆周速度速度V。当。当V 12m/s时多采用油池润滑时多采用油池润滑； 3)在多级齿轮传动中在多级齿轮传动中，当几个大齿轮直径不相等，当几个大齿轮直径不相等时，时，可以采用惰轮蘸油润滑；可以采用惰轮蘸油润滑； 4) 当当V12m/s时，可采用喷油润滑时，可采用喷油润滑。 油池润滑油池润滑a油池润滑油池润滑b喷油润滑喷油润滑11.11 齿轮传动的润滑和效率齿轮传动的润滑和效率 齿轮传动的功率损失主要包括：齿
24、轮传动的功率损失主要包括： 1) 啮合中的摩擦损失啮合中的摩擦损失； 2) 润滑油被搅动的油阻损失；润滑油被搅动的油阻损失； 3) 轴承中的摩擦损失轴承中的摩擦损失。 闭式齿轮传动的效率为：闭式齿轮传动的效率为： 考虑齿轮啮合损失时的效率；考虑齿轮啮合损失时的效率； 考虑油阻损失时的效率；考虑油阻损失时的效率； 轴承的效率。轴承的效率。二、齿轮传动的效率二、齿轮传动的效率传动装置传动装置6 6级或级或7 7级精度级精度的闭式传动的闭式传动8 8级精度级精度的闭式传动的闭式传动开式传动开式传动圆柱齿圆柱齿轮圆锥齿轮轮圆锥齿轮 0.98 0.97 0.97 0.96 0.95 0.93习题习题11-1511-15
