机械设计 第十章-齿轮传动.ppt

第十章 齿轮传动,§10-2 轮齿的失效形式及设计准则,§10-3 齿轮材料及选用原则,§10-6 齿轮传动的设计参数、许用应力与精度选择,§10-4 齿轮传动的计算载荷,§10-5 标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算,§10-8 标准锥齿轮传动的强度计算,§10-9 齿轮的结构设计,§10-10 齿轮传动的润滑,§10-1 概述,§10-7 标准斜齿圆柱齿轮传动的强度计算,作用： 不仅用来传递运动、而且还要传递动力分类,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、易磨损，适于低速传动§10-1 概 述,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,按装置形式分,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,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要求： 运转平稳、足够的承载能力齿轮传动的特点,▲ 传动效率高η 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,,,,本章学习的根本目的是掌握齿轮传动的设计方法，也就是要能够根据齿轮工作条件的要求，能设计出传动可靠的齿轮 设计齿轮——设计确定齿轮的主要参数以及结构形式 主要参数有：模数m、齿数z、螺旋角β以及压力角a、 齿高系数h*a、径向间隙系数c*基本目的,直齿圆柱齿轮： 齿数z，模数m，尺宽b，变位系数x，分度圆压力角α=20º，齿顶高系数ha*=1，顶隙系数c*=0.25；不变位齿轮中心矩a=(d1+d2)/2 、分度圆直径d=zm；齿顶圆、齿根圆、重合度……; 斜齿圆柱齿轮： 法向模数mn（标准值），螺旋角β，其余同直齿圆柱齿轮，端面模数mt=mn/cosβ,§10-2 轮齿的失效形式及设计准则,轮齿折断,一般发生在齿根处，严重过载突然断裂、疲劳折断一、轮齿的失效形式,,失效形式,,提高轮齿抗折断能力的措施： （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）采用合适的热处理，使轮齿芯部材料具有足够的韧性；,（4）采用喷丸、滚压等工艺，对齿根表层进行强化处理。

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,§10-2 轮齿的失效形式及设计准则,轮齿折断,,失效形式,一、轮齿的失效形式,,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相对滑动时，较软的齿面沿滑动方向被撕下而形成沟纹措施： 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,§10-2 轮齿的失效形式及设计准则,轮齿折断,,失效形式,一、轮齿的失效形式,,齿面胶合,齿面磨损,措施：1.减小齿面粗糙度,2.改善润滑条件，清洁环境,磨粒磨损,跑合磨损,,跑合磨损、磨粒磨损齿面点蚀,§10-2 轮齿的失效形式及设计准则,轮齿折断,,失效形式,一、轮齿的失效形式,3.提高齿面硬度,,,齿面胶合,齿面磨损,齿面点蚀,§10-2 轮齿的失效形式及设计准则,轮齿折断,,失效形式,齿面塑性变形,一、轮齿的失效形式,二、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 ▲开式齿轮传动按弯曲疲劳强度设计，将计算所得的模数m适当加大，以补偿磨损的影响。

一、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§10-3 齿轮材料及选用准则,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,二、常用齿轮材料,钢材的韧性好，耐冲击，通过热处理和化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，重要齿轮用合金钢表10-1 常用齿轮材料及其机械性能,材料牌号 热处理方法,强度极限 屈服极限 硬度 HBS σB / MPa σS / MPa 齿芯部 齿面,HT250 250 170~241,HT300 300 187~255,HT350 350 197~269,QT500-5 500 147~241,QT600-2 600 229~302,ZG310-570 常化 580 320 156~217,ZG340-640 650 350 169~229,45 580 290 162~217,45 217~255 40~50HRC,40Cr 241~286 48~55HRC,调质后表面淬火,续表10-1 常用齿轮材料及其机械性能,材料牌号 热处理方法,强度极限 屈服极限 硬度 HBS σB / MPa σS / MPa 齿芯部 齿面,ZG340~640 700 380 241~269,45 650 360 217~255,30CrMnSi 1100 900 310~360,35SiMn 750 450 217~269,38SiMnMo 700 550 217~269,40Cr 700 500 241~286,20Cr 650 400 300,20CrMnTi 1100 850 300,12Cr2Ni4 1100 850 320,35CrAlA 950 750 255~321 > 85HV,渗碳后淬火,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,调质,20Cr2Ni4 1200 1100 350,38CrMnAlA 1000 850 255~321 > 85HV,夹布胶木 100 25~35,,,,调质后氮化(氮化层δ>0.3~0.5),,,热处理方法,表面淬火,渗碳淬火,调质,正火,,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52~56HRC，面硬芯软，能承受一定冲击载荷1.表面淬火,——高频淬火、火焰淬火,三、齿轮材料的热处理和化学处理,2. 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56~62HRC，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：220～260HBS 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3.调质,4. 正火,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60～62HRC氮化处理温度低，轮齿变形小，适用于难以磨齿的场合，如内齿轮材料为：38CrMoAlA.,5. 渗氮,特点及应用：调质、正火处理后的硬度低，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: 20～50HBS,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四、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，其配对两轮齿面的硬度差应保持在30～50HBS或更多。