第11章--齿轮传动

第11章 齿轮传动,齿轮传动的分类,按齿轮的工作条件： 闭式：封闭在箱体内，安装精度高，润滑条件好，使用广泛。 开式：齿轮外露，不能防尘，周期润滑，精度低，齿面易磨损，多用于低速传动。 半开式：齿轮浸入油池，润滑得到改善；外装简单防护罩，防尘性能差。用于非重要传动。 按齿面硬度： 软齿面齿轮：齿面硬度350HBS 硬齿面齿轮：齿面硬度 350HBS,§11-1 轮齿的失效形式,齿轮传动的失效主要发生在轮齿。 其失效形式主要有以下五种：,1. 轮齿折断 轮齿折断一般发生在齿根部分。 因为轮齿象一个悬臂梁，受载后齿根弯曲应力最大，而且在过渡圆角处有应力集中。 1） 过载折断 轮齿受到短时过载或冲击载荷，或轮齿磨损减薄时，均易发生突然折断。 特别是用脆性材料（淬火钢、铸铁等）制成的齿轮，更容易发生这种过载折断。,2）疲劳折断 当齿根弯曲应力超过材料的弯曲疲劳极限时，在载荷的多次重复作用下，齿根处将产生疲劳裂纹，裂纹逐渐扩展，导致轮齿弯曲疲劳折断。 轮齿单侧工作时，齿根弯曲应力按脉动循环变化； 轮齿双侧工作时，齿根弯曲应力近似按对称循环变化。,直齿轮是从齿根发生全齿折断。 斜齿轮和人字齿轮由于接触线为一斜线，从而发生轮齿局部倾斜折断。 齿宽较宽的直齿轮在制造安装不良时，也会发生局部折断。 轮齿折断是最危险的失效形式之一。,它不仅会使传动完全失效，而且掉下来的齿块往往会导致其它零件（如轴和轴承等）损坏，以致发生更大的故障。,一般发生在齿根处，严重过载突然断裂、疲劳折断。,潘存云教授研制,2. 齿面点蚀,轮齿受载后，齿面接触应力按脉动循环变化。当齿面接触应力超过疲劳极限时，在载荷的多次重复作用下，齿面表层产生细微的疲劳裂纹，高压油挤压使裂纹蔓延扩展，使金属微粒剥落下来形成麻点状小坑，即出现了疲劳点蚀。,疲劳点蚀首先出现在靠近节线处的齿根表面。 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。 在开式传动中，由于齿面磨损较快，点蚀还来不及出现或扩展就被磨掉，所以一般看不到点蚀现象。,3. 齿面胶合,在高速重载传动中，由于相对滑动速度高，齿面间压力大，常因啮合区温度升高而引起润滑失效，致使两齿面金属直接接触并相互粘连。当两齿面相对滑动时，较软的齿面沿滑动方向被撕下而形成沟纹，此现象称为齿面胶合。 在低速重载传动中，齿面间不易形成油膜，也可能发生胶合。,由于齿顶与齿根的表面上滑动系数大，故胶合一般出现在齿顶与齿根的单齿啮合处。,4. 齿面磨损,有磨粒磨损和跑合磨损两种。 1）磨粒磨损 由于灰尘、砂粒、金属微粒等落入齿面间，使齿面间产生摩擦磨损。齿面严重磨损后齿廓形状破坏，导致严重噪声和振动，最终因轮齿变薄而折断。 磨粒磨损是开式齿轮传动的主要失效形式。,2）跑合磨损 在闭式齿轮传动的最初运转期间，由于齿面不够光滑，受载时实际上只有部分峰顶接触，磨损速度和磨损量都较大。 磨损到齿面不平度的高度小于油膜厚度后，磨损过程即放慢，进入正常磨损阶段。这种磨损称为跑合。 跑合磨损能起抛光作用。,5.齿面塑性变形,重载且摩擦力很大时，较软的齿面上可能在节线附近产生局部塑性变形，使轮齿失去正确的齿形。 主动齿轮齿面所受摩擦力背离节线，齿面在节线附近下凹；从动齿轮齿面所受摩擦力指向节线，齿面在节线附近上凸。,这种失效形式常在低速、过载严重和起动频繁的传动中碰到。,表面凸出,表面凹陷,§11-2 齿轮材料及热处理,一、齿轮材料 齿轮材料的基本要求是齿面硬、齿芯韧。即： (1)齿面应有足够的硬度，以抵抗齿面磨损、点蚀、胶合以及塑性变形等。 (2)齿芯应有足够的强度和较好的韧性，以抵抗齿根折断和冲击载荷。 (3)应有良好的加工工艺性能及热处理性能，使之便于加工且便于提高其力学性能。 价格低。 最常用的齿轮材料是钢，此外还有铸铁、非金属材料等。,1锻钢,锻钢因具有强度高、韧性好、便于制造、便于热处理等优点，大多数齿轮都用锻钢制造。 (1)软齿面齿轮 齿面硬度350HBS，常用材料为中碳钢和中碳合金钢，如45钢、40Cr、35SiMn等，进行调质或正火处理。轮坯经过热处理后进行插齿或滚齿加工，切齿精度一般为8级，精切可达7级。 因齿面硬度不高，故限制了承载能力，但易制造，成本较低。常用于对尺寸和重量无严格要求的场合。,(2)硬齿面齿轮 齿面硬度大于350HBS，常用的材料为中碳钢或中碳合金钢。一般为切齿后经表面淬火处理后再磨齿。 由于齿面硬度高，故承载能力也高。适用于要求尺寸小和重量轻的场合。,齿面组合,软齿面组合： 在确定大小齿轮硬度时应注意使小齿轮的齿面硬度比大齿轮的齿面硬度高20一50HBS。传动比大，硬度差也大。 这是因为小齿轮受载荷次数比大齿轮多，且小齿轮齿根较薄为使两齿轮的轮齿接近等强度，小齿轮的齿面要比大齿轮的齿面硬一些。 这一要求，可通过选用不同材料或热处理来实现。 硬齿面组合： 当大小齿轮都是硬齿面时，小齿轮的齿面硬度应略高，也可和大齿轮相等。,2.铸钢,当齿轮的尺寸较大(大于400一600mm)或结构形状复杂而不便于锻造时，可用铸造方法制成铸钢齿坯，再进行正火处理以细化晶粒。,3.铸铁,由于抗弯和耐冲击性能较差，铸铁主要用于工作平稳、低速、轻载、不太重要的场合的齿轮材料。,4.非金属材料,在高速、轻载、精度不高的齿轮传动中，为了降低噪声，常采用非金属材料（夹布胶木、尼龙等）制作小齿轮，大齿轮仍用钢或铸铁制造。 常用的齿轮材料及其力学性能见表11-1。,二、齿轮常用的热处理,齿轮常用的热处理方法有以下几种： 1.表面淬火 一般用于中碳钢和中碳合金钢。 表面淬火后轮齿变形不大，不必进行磨齿，齿面硬度可达52-56HRC。 齿面接触强度高，耐磨性好，由于轮齿芯部未淬硬仍有较高的韧性，所以能承受一定的冲击载荷。,一般用于低碳钢和低碳合金钢。 渗碳淬火后齿面硬度可达56-62HRC。 轮齿芯部仍有较高的韧性，齿面接触强度高，耐磨性好，常用于受冲击载荷的重要齿轮传动。轮齿渗碳淬火后通常要磨齿。,2.渗碳淬火,3.调质,一般用于中碳钢和中碳合金钢。 调质处理后齿面硬度一般为220-260HBS。因硬度不高，故可在热处理后精切齿形，且在使用中易于跑合。,4.正火,用于中碳钢。 机械强度要求不高的齿轮可采用中碳钢进行正火处理。大直径的齿轮可采用铸钢进行正火处理。,§11-3 齿轮传动的精度,一、精度等级及其标注 渐开线圆柱齿轮精度国家标准对齿轮及齿轮副规定12个精度等级，第1级最高，第12级最低。 1-2级为最高级；3-5级为高精度级；6-8级为中精度级，应用广泛；9-12级为低精度级。 表11-2列出常见机械中齿轮传动的精度等级。,§11-4直齿圆柱齿轮传动的 作用力及计算载荷,一、轮齿上的作用力 为了计算轮齿的强度，设计轴和轴承，有必要分析轮齿上的作用力。 分析时略去摩擦力。,潘存云教授研制,潘存云教授研制,圆周力：,径向力：,法向力：,小齿轮上的转矩：,P为传递的功率（KW）,1-小齿轮的角速度，,n1-小齿轮的转速,d1-小齿轮分度圆直径，,-压力角,各作用力的方向如图,n,O1,O2,n,N1,N2,C,d1/2,d2/2,n2,n1,T1,Fn2,Fn1,a),1.法向力Fn 作用在nn方向。 Fn1= Fn2 ，大小相等，方向相反。,n,O1,n,N1,N2,C,d1/2,n1,T1,Fn1,b),2.Fn1的分解 以小齿轮为受力体 Fn1分解为:圆周力Ft1 径向力Fr1,Fr1,Ft1,t,t,02,Ft1与n1反向 Fr1指向轮心01,Ft1=2T1/d1 Fr1=Ft1tan,Fn1=Ft1/cos,(11-1b),(11-1),3.Fn2的分解 因为两齿轮的轴线平行, 所以 Fn2 = Fn1 Fr2 = Fr1 Ft2 = Ft1,4.用平面法表示各分力的方向,n1,Ft1,Ft2,Fr1,Fr2,Z2,Z1,Ft2与n2同向 Fr2指向轮心02,二.计算载荷Fnc 上述法向力是名义载荷，它是齿轮在理想情况下工作时的载荷。齿轮实际工作时，考虑到： 1.外部动载荷的影响：取决于原动机和工作机的性能，联轴器的缓冲性能等。 2.内部动载荷的影响：即齿轮制造精度、圆周速度等的影响。 3.载荷分布不均匀的影响：即齿轮相对轴承不对称，齿轮、轴、轴承和箱体刚度，齿宽等的影响。 引入载荷系数K 计算载荷 Fnc=KFn K值由表11-3查取。 Fnc=K Fn,(Fn/b)min,(Fn/b)max,a),b),§ 11-5直齿圆柱齿轮传动的 齿面接触强度计算,一、齿轮传动的设计准则 闭式齿轮传动： 1）软齿面（350HBS）齿轮 主要失效形式是齿面点蚀，故可按齿面接触疲劳强度进行设计计算，按齿根弯曲疲劳强度校核。 2）硬齿面（350HBS）或铸铁齿轮， 由于抗点蚀能力较高，轮齿折断的可能性较大，故可按齿根弯曲疲劳强度进行设计计算，按齿面接触疲劳强度校核。 开式齿轮传动： 齿面磨损为其主要失效形式，故通常按照齿根弯曲疲劳强度进行设计计算，确定齿轮的模数，考虑磨损因素，再将模数增大10%15%，而无需校核接触强度。,二、齿面接触应力,由式（9-13），齿面最大接触应力,式中： H最大接触应力或称赫兹应力，MPa b 接触长度 Fn作用在圆柱体上的载荷 综合曲率半径 正号用于外啮合，负号用于内啮合 E综合弹性模量,1.随齿的啮合位置不同，1、2值也将改变。因此，齿廓各点的接触应力数值不同。但为了计算方便，并考虑到实际齿面失效多数发生在节点附近，一般是条件性地计算节点处的接触应力。 在节点处 令u=d2/d1=z2/z1，可得,2.在节点处，一般只有一对齿啮合，故 令 称为弹性系数，其数值与材料有关。 一对钢制齿轮，取E1=E2=2.06×105MPa，1=2=0.3， 则 ZE=189.8,令 称为区域系数，对于标准齿轮=20°， ZH=2.49462.5。 得,3.以KFt代Ft，且Ft=2T1/d1，得验算公式 （11-2） 式中： H应取配对齿轮中的较小的许用接触应力。 式中： Hlim为试验齿轮失效概率为1/100时的接触疲劳极限值，它与齿面硬度有关，见表11-1。 SH为安全系数，见表11-5。,令d=b/d1，可得设计公式 （11-3),§11-6直齿圆柱齿轮传动的 轮齿弯曲强度计算,力学模型 由于齿轮轮体刚度很大，故可将轮齿视为宽度为b的悬臂梁，用30°切线法确定齿根危险截面的位置。 该法是作与轮齿对称中心线成30°夹角的两直线，它们与齿根圆角过渡曲线相切，连接两切点并作平行于齿轮轴线的截面，即为齿根危险截面。,2.计算齿根弯曲疲劳强度时，应确定使齿根处产生最大弯矩时的载荷作用点，但其计算较为复杂。为简化计算，对一般的齿轮传动（7，8，9级精度），按全部载荷作用于齿顶为基础进行计算。这是一种偏于安全的近似算法。,3. 将作用于齿顶的总载荷Fn沿啮合线方向分解为切向力F1= Fncos和径向力F2= Fnsin。由于剪应力和压应力比弯曲应力小得多，忽略不计后所引起的差异值很小；故为使计算简化，仅按齿根危险截面的弯曲应力进行计算，并以受拉侧为计算依据。,n,n,Fn,30°,30°,F1,F2,sF,b,s,s,0,0,2)轮齿在齿顶受力,1)30°切线法确定危险截面,弯曲强度条件,n,n,Fn,30°,30°,F1,F2,sF,b,s,s,0,0,1.验算公式 由材料力学可知： M=F1hF W=bSF2/6 并引入载荷系数K,hF,YFa称为齿形系数。YFa只