第12章齿轮传动.ppt

§1 概述 §2 齿轮传动的主要参数 §3 齿轮传动的失效形式 §4 齿轮材料及其热处理 §5 圆柱齿轮传动（外啮合）的几何计算 §6 圆柱齿轮传动的载荷计算 §7 直齿圆柱齿轮传动的强度计算 §8 斜齿圆柱齿轮传动的强度计算 §9 直齿锥齿轮传动 §10齿轮传动的效率和润滑 §11齿轮结构,§1 概述,齿轮传动是机械传动中应用最广泛的一种传动形式已达到的水平：,P——1×105 kW,v——300 m/s,D—— 33 m,n——105 r/min,一、主要特点,优点：,1）效率高(0.98～0.99)； 2）工作可靠，寿命长； 3）结构紧凑，外廓尺寸小； 4）瞬时i 为常数缺点：,2）精度低时，振动、噪音大；,3）不适于中心距大的场合1）制造费用大，需专用机床和设备；,二、分类:,1、按两轴线位置分,2、按工作条件分（失效形式不同）,开式传动：低速传动，润滑条件差，易磨损； 半开式传动：装有简单的防护罩，但仍不能严密防止杂物侵入； 闭式传动：齿轮等全封闭于箱体内，润滑良好，使用广泛3、按齿面硬度分（失效形式不同）,软齿面：HB≤350； 硬齿面：HB＞350三、基本要求,1、传动平稳（i=const）。

2、承载能力高——运动要求,——传递动力要求,§2 齿轮传动的主要参数,1、主要参数,1）基本齿廓、模数、中心距—查《机械原理》、P206表12.2 ～ 12.4,2）传动比i、齿数比u,,3）变位系数,径向变位齿轮：加工时刀具从标准位置移动一径向距离xm齿 根 变 厚,齿 根 变 薄,角度变位： x1+x2≠0，啮合角≠α，,2、精度等级选择,GB规定：12个等级 1(高)——12(低) 查《公差》,Ⅰ组：运动准确性 Ⅱ组：传动的平稳性 Ⅲ组：载荷分布均匀性,一般机械常用：7、8级,不同等级——不同的最高圆周速度 (P207表12.6),§3 齿轮传动的失效形式,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,→结构设计齿轮的失效发生在轮齿，其它部分很少失效失效形式,齿面接触疲劳磨损（齿面点蚀） 齿面胶合 齿面磨粒磨损 齿面塑性流动,一、轮齿折断,常发生于闭式硬齿面或开式传动中现象：①局部折断,②整体折断,过载折断,后果：传动失效,原因：,疲劳折断,① 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。

齿根弯曲应力最大,σF＞[σF],② 齿根应力集中(形状突变、刀痕等)，加速裂纹扩展→折断,受冲击载荷或短时过载作用，突然折断，尤其见于脆性材料（淬火钢、铸钢）齿轮位置：均始于齿根受拉应力一侧直齿轮,——整体折断,斜齿轮：接触线倾斜,改善措施：,1）d一定时，z↓，m↑； 2）正变位；,——局部折断,6）↑轮齿精度； 7）↑支承刚度4）↑齿根过渡圆角半径；,3）提高齿面硬度(HB↑)→[σF] ↑；,5）↓表面粗糙度，↓加工损伤；,二、齿面接触疲劳磨损（齿面点蚀）,常出现在润滑良好的闭式软齿面传动中原因：σH＞[σH],1）齿面受多次交变应力作用，产生接触疲劳裂纹；,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 （油粘度越小，裂纹扩展越快）,2）节线处常为单齿啮合，接触应力大；,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， 摩擦力大，易产生裂纹现象：节线靠近齿根部位出现麻点状小坑点蚀机理,点蚀实例,后果：齿廓表面破坏，振动↑，噪音↑，传动不平稳 接触面破坏↓，承载能力↓,硬齿面齿轮：点蚀一旦形成就扩展，直至齿面完全破坏——扩展性点蚀 原因是齿面出现小凹坑后，由于材料的脆性，凹坑边缘不易被碾平。

开式传动：无点蚀（∵齿面磨粒磨损比疲劳磨损发展的快）,改善措施：,1）HB↑——[σH] ↑,3）↓表面粗糙度，↑加工精度,4）↑润滑油粘度,2）(↑d1、↑xΣ =x1+x2) 使得↑ρ（综合曲率半径）,三、齿面胶合——严重的粘着磨损,原因：高速重载——v↑,瞬时高温,油η↓,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→因重载出现冷胶合后果：引起强烈的磨损和发热，传动不平稳，导致齿轮报废改善措施：,1）采用抗胶合性能好的齿轮材料对 2）采用极压润滑油 3）↓表面粗糙度，↑HB 4）材料相同时，使大、小齿轮保持一定硬度差 5）↓m→↓齿面h→↓齿面滑动速度（必须满足σF） 6）角度变位齿轮，↓啮合开始和终了时的滑动系数 7）修缘齿，修去一部分齿顶，使滑动系数大的齿顶不起作用现象：齿面沿滑动方向粘焊、撕脱，形成沟痕常发生于开式齿轮传动原因：相对滑动+硬颗粒(灰尘、金属屑末等) 润滑不良+表面粗糙后果：正确齿形被破坏、传动不平稳, 齿厚减薄、抗弯能力↓→折断,改善措施：,闭式：1）↑HB,选用耐磨材料;,2）↓表面粗糙度;,3）↓滑动系数;,4）润滑油的清洁;,开式：5）加防尘罩。

现象：金属表面材料不断减小,四、齿面磨粒磨损,五、齿面塑性流动,齿面较软时，重载下，在摩擦力Ff作用下，材料产生塑性流动该失效主要出现在低速重载、频繁启动和过载场合主动轮1：齿面相对滑动速度方向vs指向节线，所以Ff背离节线，塑变后在齿面节线处产生凹槽从动轮2：vs背离节线，Ff指向节线，塑 变后在齿面节线处形成凸脊改善措施：1）↑齿面硬度 2）采用粘度较大的润滑油,六、计算准则,失效形式→相应的计算准则,1、闭式齿轮传动,主要失效为：点蚀、轮齿折断、胶合,硬齿面：与软齿面相反,高速重载还要进行抗胶合计算,2、开式齿轮传动,主要失效为：轮齿折断、磨粒磨损,按σF设计，增大m考虑磨损,3、短期过载传动,过载折断 齿面塑变,§4 齿轮材料及其热处理,一、材料要求,表面硬、芯部韧、较好的加工和热处理性能,二、常用材料,锻钢、铸钢、铸铁、非金属材料,1、锻钢,1）软齿面齿轮 HB≤350,中碳钢：40、45、50、55等,中碳合金钢：40Cr、40MnB、20Cr,特点：齿面硬度不高，限制了承载能力，但易于制造 成本低，常用于对尺寸和重量无严格要求的场合加工工艺：锻坯——加工毛坯——热处理（正火、调质 HB160～300）——切齿 精度7、8、9级。

2）硬齿面：HB＞350,低碳、中碳钢：20、45等,低碳、中碳合金钢：20Cr、20CrMnTi、20MnB等,特点：齿面硬度高、承载能力高、适用于对尺寸、重量有较高 要求的场合（如高速、重载及精密机械传动）加工工艺：锻坯——加工毛坯——切齿——热处理（表面淬火、 渗碳、氮化、氰化）——磨齿（表面淬火、渗碳） 若氮化、氰化：变形小，不磨齿 专用磨床，成本高，精度可达4、5、6级2、铸钢,用于d＞400～600mm的大尺寸齿轮；不重要的，批量生产的齿轮3、铸铁：常用于低速、无冲击和大尺寸的场合常用牌号HT200 ～ HT350,4、非金属材料：高速、小功率和精度要求不高的场合2、中低速、中低载齿轮传动：大、小齿轮齿面有一定硬度差， HB1=HB2+（20～50）三、材料的选择原则,1、按不同工况选材1）使大、小齿轮寿命接近； 2）减摩性、耐磨性好； 3）小齿轮可对大齿轮起冷作硬化作用能显著提高强度和硬度，降低塑性和冲击韧性 3、有良好的加工工艺性，便于齿轮加工1）大直径d＞400 用ZG 2）大直径齿轮：齿面硬度不宜太高，HB＜200，以免中途换刀,4、材料易得、价格合理举例：起重机减速器：小齿轮45钢调质 HB230～260 大齿轮45钢正火 HB180～210,机床主轴箱：小齿轮40Cr或40MnB 表淬 HRC50～55 大齿轮40Cr或40MnB 表淬 HRC45～50,§5 几何计算,P212 表12.8,一、直齿圆柱齿轮,圆周力Ft：,径向力Fr：,因齿面间摩擦力较小，忽略Ff，法向力Fn作用于齿宽中点。

§6 圆柱齿轮传动的载荷计算,从动轮：Ft2=-Ft1，Fr2=-Fr1，Fn2=-Fn1,方向：,Ft2与ω2同向（动力）,径向力Fr：外齿轮指向各自轮心；内齿轮背离轮心练习：,法向力Fn1,径向力,轴向力,方向：Ft、Fr：与直齿轮相同,二、斜齿圆柱齿轮,主动轮：,Fa1：用左、右手定则：四指为ω1方向，拇指为Fa1方向Fa2：与Fa1反向，不能对从动轮运用左右手定则注意：各力画在作用点——齿宽中点,β 方向：左、右旋,转动方向,举例：,一对斜齿轮： β 1=-β2 ∴旋向相反,旋向判定：沿轴线方向站立，可见侧轮齿左边高即为左旋，右边高即为右旋三、计算载荷,外部影响：原动机、工作机影响,内部影响：制造、安装误差；受载变形(齿轮、轴等),p1：kw n1：r/min,1、使用系数KA,考虑原动机、工作机、联轴器等外部因素引起的动载荷而 引入的系数P215 表12.9）,2、动载系数Kv （p216图12.9）,考虑齿轮啮合过程中因啮合误差和运转速度引起的内部附加 动载荷系数∴ Kv=f(精度,v),具体影响因素：,1）基节误差：制造误差、弹性变形引起齿轮正确啮合条件：pb1=pb2 。

如果： pb2＞pb1 使啮合在A’点提前进入啮合，节点C移至C’,——提前进入啮合,——从动轮修缘即齿顶修削，显然修缘后，A’点向A点靠近——滞后退出啮合,——主动轮修缘显然修缘后，E’点向E点靠近如果： pb2＜pb1,,3、齿间载荷分配系数Kα (p217表12.10),考虑同时啮合的各对轮齿间载荷分配不均匀的系数齿轮连续传动条件：εα≥1,—→时而单齿对，时而双齿对啮合Kα取决于轮齿刚度、pb误差、修缘量等i≠const→ω2 ≠ const →冲击、振动、噪音,2）齿形误差,3）轮齿变形,4）v↑、齿轮质量m↑——动载荷↑,（∴ 不同精度齿轮限制vmax P207 表12.6）,降低Kv的措施：,1）↑齿轮精度,2）限制v,3）重要齿轮最好采用修缘齿（齿顶修削）,4、齿向载荷分配系数Kβ （p218表12.11）,考虑使轮齿沿接触线产生载荷分布不均匀现象制造方面：齿向误差 安装方面：轴线不平行等 使用方面：轴变形、轮齿变形、支承变形等,讨论：,a）轴承作非对称布置时，弯曲变形对Kβ的影响a)轴弯曲变形后，轴线连同齿轮的偏斜程度； b、c)假设轮齿是绝对刚体，则一对轮齿啮合时为局部接触； d、e)实际上由于弹性变形即使轴线有偏斜，齿轮仍沿整个齿宽接触； f、g)载荷分布情况。

靠近转矩输入端，轮齿所受载荷较大b）轮齿扭转变形对Kβ的影响KFβ：P219 图12.14,措施：,1）↑齿轮及支承刚度；,6）齿轮位于远离转矩输入端5）采用鼓形齿；,3）合理选择齿宽； 4）↑制造安装精度；,2）合理选择齿轮布置形式 （对称、非对称、悬臂）,§7 直齿圆柱齿轮传动的强度计算,一、齿面接触疲劳强度计算,知：ρ↓——σH ↑,节点C处ρ并非最小值2、齿面接触强度的基本假定,w=F/b =F/L：单位接触线上的计算载荷 b是圆柱体接触长度，对于齿轮应是齿轮宽度，由于重合度总是大于1，故应以接触线总长度L代替1）节点处一般仅一对齿啮合，承载较大2）点蚀往往在节线附近的齿根表面出现∴ 接触疲劳强度计算通常以节点为计算点一对齿轮在节点接触,→一对N1、N2为心，ρ1 = N1C 、ρ2 =N2C 为半径的两圆柱体在节点处的接触但：,总计算载荷：,接触线总长L：,重合度系数：,εα——端面重合度 ( P217 式12.6),εα↑,—→Zε↓,—→L↑,—→ w↓,1）单位接触线载荷,w=Fnc/L,代入上式：,于是：,将,——校核式,ZH：节点区域系数，考虑节点处齿廓曲率对σH的影响。

代入上式，得：,——设计式,4、说明：,1）齿轮传动的σH主要取决于齿轮。