【正文】 汽車與交通工程學(xué)院 汽車工程系 第 4章 齒輪傳動(dòng) 教學(xué)基本要求 1)了解 齒輪傳動(dòng) 特點(diǎn)、分類 ； 2)掌握 齒輪傳動(dòng)的主要 失效形式 及 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 ； 3)了解 常用齒輪 材料 及 熱處理方法 ； 4)掌握 齒輪傳動(dòng)的 受力分析 、 強(qiáng)度計(jì)算方法 及 主要參數(shù)的選擇 ； 5)了解 齒輪傳動(dòng) 潤滑 及齒輪 結(jié)構(gòu) 。 重點(diǎn)與難點(diǎn) 齒輪傳動(dòng)的 受力分析 、 強(qiáng)度計(jì)算 。 汽車與交通工程學(xué)院 汽車工程系 機(jī)械中應(yīng)用最廣泛的傳動(dòng)形式之一。 概 述 （ 1） 效率 高 。 （ 2） 結(jié)構(gòu) 緊湊 。 （ 3） 工作 可靠、 壽命 長 。 （ 4） 傳動(dòng)比 準(zhǔn)確、恒定 。 （ 5）適用的速度和功率 范圍廣 。 （ 6）要求加工精度和安裝精度較高，制造時(shí)需要專用工具和設(shè)備，因此 成本比較高 。 （ 7） 不宜 在兩軸中心距很大的場合使用。 汽車與交通工程學(xué)院 汽車工程系 分類 開式傳動(dòng) 半開式傳動(dòng) 閉式傳動(dòng) 按 齒型 分 按 裝置型式 分 按 使用情況 分 硬齒面齒輪 （齒面硬度＞ 350HBS） 直齒圓柱齒輪傳動(dòng) 斜齒圓柱齒輪傳動(dòng) 錐齒輪傳動(dòng) 人字齒輪傳動(dòng) 動(dòng)力齒輪 傳動(dòng)齒輪 按 齒面硬度 分 軟齒面齒輪 （齒面硬度 ≤ 350HBS） 半開式齒輪傳動(dòng) 閉式傳動(dòng) 單級(jí)圓柱齒輪 蝸桿傳動(dòng) 按 齒廓曲線 漸開線 圓弧 擺線 按 軸的布置 分 平行軸齒輪傳動(dòng) 交錯(cuò)軸齒輪傳動(dòng) 相交軸齒輪傳動(dòng) 齒輪傳動(dòng)的分類 汽車與交通工程學(xué)院 汽車工程系 齒輪傳動(dòng)的失效形式及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 輪齒折斷 失效形式 現(xiàn)象：① 整體折斷 ② 局部折斷 汽車與交通工程學(xué)院 汽車工程系 提高輪齒抗折斷能力的措施： 1）增大 齒根過渡圓角 半徑 ， 消除 加工 刀痕 ，減小齒根應(yīng)力集中； 2）增大 軸及支承的 剛度 ，使輪齒接觸線上受載較為均勻； 3） 采用合適的 材料 和 熱處理 形式使齒面 較硬 ，使輪齒芯部材料具有足夠的 韌性 ； 4） 采用 噴丸、滾壓 等工藝，對(duì)齒根表層進(jìn)行強(qiáng)化處理。 汽車與交通工程學(xué)院 汽車工程系 齒面接觸疲勞 齒面點(diǎn)蝕 輪齒折斷 失效形式 點(diǎn)蝕： 輪齒嚙合過程中，接觸面 間產(chǎn)生接觸應(yīng)力（兩物體相互接觸時(shí)，在表面上產(chǎn)生的局部壓力稱為接觸應(yīng)力），該應(yīng)力是脈動(dòng)循環(huán)變化的，在此應(yīng)力的反復(fù)作用下，齒面表層就會(huì)產(chǎn)生細(xì)微疲勞裂紋，封閉在裂紋中潤滑油在壓力的作用下，產(chǎn)生楔擠作用使裂紋擴(kuò)大，最后導(dǎo)致表層金屬小片狀剝落，出現(xiàn)凹坑，形成麻點(diǎn)狀剝傷，稱為點(diǎn)蝕。 汽車與交通工程學(xué)院 汽車工程系 措施： 1)提高齒面硬度 2)使用粘度大的潤滑油 點(diǎn)蝕 收斂性點(diǎn)蝕 擴(kuò)展性點(diǎn)蝕 汽車與交通工程學(xué)院 汽車工程系 齒面點(diǎn)蝕 齒面膠合 措施： 1)加抗膠合添加劑 2)減小齒面粗糙度 3)增加潤滑油粘度 4)降低齒高，減小模數(shù) 輪齒折斷 失效形式 膠合： 在高速重載傳動(dòng)中，常因齒面間相對(duì)滑動(dòng)速度比較高而產(chǎn)生瞬時(shí)高溫而導(dǎo)致潤滑失效，造成齒面間的粘焊現(xiàn)象，粘焊處被撕脫后，輪齒表面沿滑動(dòng)方向形成溝痕，這種現(xiàn)象稱為齒面膠合 汽車與交通工程學(xué)院 汽車工程系 齒面膠合 齒面磨損 措施： 1)減小齒面粗糙度 2)改善潤滑條件，清潔環(huán)境 磨粒磨損 跑合磨損 齒面點(diǎn)蝕 輪齒折斷 失效形式 3)提高齒面硬度 汽車與交通工程學(xué)院 汽車工程系 從動(dòng)齒 主動(dòng)齒 主動(dòng)齒 從動(dòng)齒從動(dòng)齒主動(dòng)齒齒面膠合 齒面磨損 齒面點(diǎn)蝕 輪齒折斷 失效形式 齒面塑性變形 表面凸出 表面凹陷 措施 :1)提高齒面硬度 2)采用黏度大的潤滑油 汽車與交通工程學(xué)院 汽車工程系 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則取決于齒輪可能出現(xiàn)的失效形式。 ? 對(duì)于軟齒面閉式齒輪傳動(dòng)： 常因齒面點(diǎn)蝕而失效，故通常先按 齒面接觸疲勞強(qiáng)度 進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后校核 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 。 ? 對(duì)于硬齒面閉式齒輪傳動(dòng)： 其齒面接觸承載能力較高，故通常先按 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后校核 齒面接觸疲勞強(qiáng)度 。 ? 對(duì)于開式齒輪傳動(dòng)： 按 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 進(jìn)行設(shè)計(jì)，通常 不校核齒面接觸疲勞強(qiáng)度。計(jì)算出的模數(shù)增大 1015%。 ? 短時(shí)過載： 除以上計(jì)算準(zhǔn)則外，還應(yīng)進(jìn)行 靜強(qiáng)度 計(jì)算。 ? 高速大功率： 除以上設(shè)計(jì)準(zhǔn)則外，還應(yīng)進(jìn)行 散熱能力 計(jì)算。 汽車與交通工程學(xué)院 汽車工程系 齒輪常用材料 常用的齒輪材料 齒輪的齒體應(yīng)有較高的 抗折斷能力 ，齒面應(yīng)有較強(qiáng)的 抗點(diǎn)蝕 、 抗磨損 和較高的 抗膠合能力 ，即要求：齒面硬、芯部韌 加工工藝性能及熱處理性能良好。 常用齒輪材料 鍛鋼 鑄鋼 鑄鐵 常作為 低速 、 輕載 、 不太重要 的場合的齒輪材料； 適用于 高速 、 輕載 、且要求降 低噪聲 的場合。 非金屬材料 鋼材的韌性好，耐沖擊，通過熱處理和化學(xué)處理可改善材料的機(jī)械性能，最適于用來制造齒輪。 耐磨性及強(qiáng)度較好，常用于 大尺寸齒輪 。 含碳量為 (～ )%的碳素鋼或合金鋼。 一般 齒輪用 碳素鋼 ， 重要 齒輪用 合金鋼 。 汽車與交通工程學(xué)院 汽車工程系 表 42 常用齒輪材料及其機(jī)械性能 材料牌號(hào) 熱處理方法 強(qiáng)度極限 屈服極限 硬度 (HBS) ζB / MPa ζS / Mpa 齒芯部 齒面 HT250 250 170~241 HT300 300 187~255 HT350 350 197~269 QT5005 500 147~241 QT6002 600 229~302 ZG310570 常化 580 320 156~217 ZG340640 650 350 169~229 45 580 290 162~217 45 217~255 40~50HRC 40Cr 241~286 48~55HRC 調(diào)質(zhì)后表面淬火 汽車與交通工程學(xué)院 汽車工程系 續(xù)表 42 常用齒輪材料及其機(jī)械性能 材料牌號(hào) 熱處理方法 強(qiáng)度極限ζB / MPa 屈服極限 ζS / Mpa 硬度 (HBS) 齒芯部 齒面 ZG340~640 調(diào)質(zhì) 700 380 241~269 45 650 360 217~255 30CrMnSi 1100 310~360 900 35SiMn 750 450 217~269 38SiMnMo 700 550 217~269 40Cr 700 500 241~286 20Cr 滲碳后淬火 650 400 300 20CrMnTi 1100 850 300 12Cr2Ni4 1100 850 320 20Cr2Ni4 1200 1100 350 35CrAlA 調(diào)質(zhì)后氮化 (氮化層 δ~) 950 750 255~321 85HV 38CrMnAlA 1000 850 255~321 85HV 夾布膠木 100 25~35 汽車與交通工程學(xué)院 汽車工程系 齒輪熱處理 ? 1） 調(diào)質(zhì)或正火 ? 2） 整體淬火 ? 3） 表面淬火 ? 4） 滲碳淬火 ? 5） 氮化 汽車與交通工程學(xué)院 汽車工程系 表面硬度可達(dá) （ 45~55） HRC， 承載能力高，耐磨性強(qiáng) ，適于高速齒輪傳動(dòng)。工藝簡單，但 輪齒變形大 ， 芯部韌性差 。不適于沖擊載荷。熱處理后需磨齒、研齒等 精加工 。 正火能 消除內(nèi)應(yīng)力、細(xì)化晶粒、改善力學(xué)性能和切削性能 。機(jī)械強(qiáng)度要求不高的齒輪可用中碳鋼正火處理。大直徑的齒輪可用鑄鋼正火處理。 調(diào)質(zhì)一般用于 中碳鋼和中碳合金鋼 ，如 4 40Cr、35SiMn等。調(diào)質(zhì)處理后齒面 硬度為： 220~260HBS 。因?yàn)橛捕炔桓?，故可在熱處理后精切齒形，且在使用中易于跑合。 1)調(diào)質(zhì) 2)正火 3) 整體淬火 汽車與交通工程學(xué)院 汽車工程系 一般用于 中碳鋼和中碳合金鋼 ，如 4 40Cr等。表面淬火后 輪齒變形小 ， 可不磨齒，硬度可達(dá) 52~56HRC， 面硬芯軟 ，能承受一定沖擊載荷。 4)表面淬火 滲碳鋼為含碳量 ~%的 低碳鋼和低碳合金鋼 ，如 20Cr等。齒面 硬度達(dá) 56~62HRC， 齒面接觸強(qiáng)度高，耐磨性好，齒芯韌性高 。常用于受沖擊載荷的重要傳動(dòng)。通常滲碳淬火后 要磨齒 。 滲氮是一種化學(xué)處理。滲氮后齒面 硬度可達(dá)60~62HRC。氮化處理溫度低，輪齒變形小，適用于難以磨齒的場合 ，如內(nèi)齒輪。材料為： 38CrMoAlA. 6) 滲氮 5) 滲碳淬火 汽車與交通工程學(xué)院 汽車工程系 特點(diǎn)及應(yīng)用： 調(diào)質(zhì)、正火處理后的硬度低， HBS ≤ 350， 屬軟齒面，工藝簡單、 用于一般傳動(dòng) ；當(dāng)大小齒輪都是軟齒面時(shí)，因小輪齒根薄，彎曲強(qiáng)度低，故在選材和熱處理時(shí)， 小輪比大輪硬度高 : 20~50HBS 表面淬火、滲碳淬火、滲氮處理后齒面 硬度高 ，屬硬齒面。其承載能力高，但一般需要磨齒。常用于 結(jié)構(gòu)緊湊的場合 。 汽車與交通工程學(xué)院 汽車工程系 齒輪材料的選擇原則 1) 齒輪材料必須滿足 工作條件 的要求，如強(qiáng)度、壽 命、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等； 2) 應(yīng)考慮 齒輪尺寸大小 ， 毛坯成型方法 及 熱處理 和 制造工藝 ； 3) 正火碳鋼 ，只能用于制作在載荷平穩(wěn)或輕度沖擊 下工作的齒輪； 調(diào)質(zhì)碳鋼 可用于在中等沖擊載荷 下工作的齒輪； 汽車與交通工程學(xué)院 汽車工程系 6)鋼制軟齒面 齒輪，其配對(duì)兩輪齒面的硬度差應(yīng)保 持在 30～ 50HBS或更多。 4)合金鋼 常用于制作高速、重載并在沖擊載荷下工 作的齒輪； 5)航空齒輪 要求尺寸盡可能小，應(yīng)采用表面硬化處 理的高強(qiáng)度合金鋼； 汽車與交通工程學(xué)院 汽車工程系 直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的受力分析與計(jì)算載荷 T1 112dTFt ??c o s/tn FF ??tgFFF trr ?? 21圓周力： 徑向力： 法向力： 小齒輪上的轉(zhuǎn)矩： mmNnPPT ????16161 ?P為傳遞的功率 （ KW） ω1小齒輪上的角速度 n1小齒輪上的轉(zhuǎn)速 d1小齒輪上的分度圓直徑 α 壓力角 各作用力的方向如圖： O2 ω2 （從動(dòng)） O1 N1 N2 t t ω1 （主動(dòng)） T1 c α α d1 2 d2 2 α Fn Fn α O2 O1 t t ω1 （主動(dòng)） N1 N2