【正文】 第十一章 齒輪傳動設(shè)計 齒輪傳動的特點： ① 制造和安裝精度 要求較高； ② 不適宜用于兩軸間 距離較大的傳動 。 缺點： ③ 工作可靠性高； ① 傳動比穩(wěn)定； ② 傳動效率高； ④ 結(jié)構(gòu)緊湊； ⑤ 使用壽命長 ； 優(yōu)點： 應(yīng)用 —— 廣泛用于對傳動比要求嚴格、高速重載場合，如機 床、汽車、拖拉機的變速箱，從而實現(xiàn)主、從動軸 間運動和動力傳遞。 ⑥ 適用的圓周速度和功率范圍廣。 按兩輪軸線相對位置及齒向分 1．圓柱齒輪傳動（直、斜、人字齒、內(nèi)嚙合齒 輪、齒輪齒條） —— 用于兩平行軸間傳動 2．圓錐齒輪傳動 —— 用于垂直相交軸間傳動 3．螺旋齒輪傳動 —— 用于空間交錯軸間傳動 齒輪傳動分類 直齒圓柱齒輪傳動 閉式齒輪傳動：齒輪封閉在箱體內(nèi)，潤滑條件好。 開式齒輪傳動：齒輪完全暴露在空氣中，易進 灰、砂，潤滑不良易磨損。 半開式齒輪傳動：有簡單護罩 ， 較開式傳動好 ， 仍易進灰 、 砂等 。 按齒輪傳動工作情況分 軟齒面齒輪 —— HBS≤350的齒輪 硬齒面齒輪 —— HBS350的齒輪用 HRC表示， 1HRC≈10HBS 按齒輪齒面硬度分 1．保證傳動的平穩(wěn)性 — 即要求瞬時傳動比為常數(shù)。 2．保證傳動的承載能力 — 在有足夠強度前提下使齒輪尺 寸小、重量輕、壽命長等。 齒輪傳動設(shè)計需滿足的基本要求： 一、齒輪傳動的失效形式 齒輪的失效主要發(fā)生在 輪齒 ，其它部分很少失效。 失效形式 輪齒折斷 齒面損傷 疲勞點蝕 齒面磨粒磨損 齒面膠合 齒面塑性變形 167。 112 齒輪傳動的失效形式及設(shè)計準則 常發(fā)生于 閉式硬齒面 或 開式 傳動中。 現(xiàn)象：①局部折斷 ② 整體折斷 原因： ? 疲勞折斷 ① 輪齒受多次重復(fù)彎曲應(yīng)力作用，齒根受拉一側(cè)產(chǎn)生 疲勞裂紋。 齒根彎曲 應(yīng)力最大 σF＞ σFP σ t 齒雙側(cè)受載 (1主動 ) σ t 齒單側(cè)受載 1 2 3 位置：均始于 齒根受拉應(yīng)力一側(cè)。 ② 齒根應(yīng)力集中 (形狀突變、刀痕等 )，加速裂紋擴 展 → 折斷 ? 過載折斷 后果：傳動失效 受 沖擊載荷 或短時 過載 作用，突然折斷，尤其見于脆性材料（淬火鋼、鑄鋼）齒輪。 直齒輪 齒寬 b較小時，載荷易均布 —— 整體折斷 齒寬 b較大時，易偏載 斜齒輪： 接觸線傾斜 —— 載荷集中 在齒一端 —— 局部折斷 改善措施： 1） d一定時， z↓ ， m↑ ； 2） 正變位 ； 齒根厚度 ↑ ↑ 抗彎強度 ↓ 應(yīng)力集中 改善載荷分布 6） ↑ 輪齒精度； 7） ↑ 支承剛度。 4） ↑ 齒根過渡圓角半徑； 3）提高齒面硬度 (HBS↑ )→ σ FP ↑ ； 5） ↓ 表面粗糙度， ↓ 加工損傷； 常出現(xiàn)在 潤滑良好 的 閉式軟齒面 傳動中。 原因： σ H＞ σ HP 脈動循環(huán) 應(yīng)力 1）齒面受多次 交變應(yīng)力 作用，產(chǎn)生接觸疲勞裂紋； 2）節(jié)線處常為單齒嚙合，接觸應(yīng)力大； 現(xiàn)象： 節(jié)線靠近齒根部位 出現(xiàn)麻點狀小坑。 4）潤滑油進入裂縫，形成封閉高壓油腔，楔擠作用使裂紋擴 展。（ 油粘度越小，裂紋擴展越快 ） 3）節(jié)線處為純滾動，靠近節(jié)線附近滑動速度小，油膜不易形 成，摩擦力大，易產(chǎn)生裂紋； 點蝕機理 點蝕實例 后果：齒廓表面破壞，振動 ↑ ，噪音 ↑ ，傳動不平穩(wěn) 接觸面 ↓ ，承載能力 ↓ 傳動失效 軟齒面齒輪： 收斂性點蝕 ，相當(dāng)于跑合； 跑合后，若 σ H仍大于 σ HP，則成為擴展性點蝕。 硬齒面齒輪： 點蝕一旦形成就擴展，直至齒面完全破壞。 —— 擴展性點蝕 開式傳動： 無點蝕 （ ∵ v磨損 v點蝕 ） 改善措施： 1） HBS↑——σHP ↑； 3） ↓ 表面粗糙度， ↑ 加工精度； 4） ↑ 潤滑油粘度。 2） ↑ρ（綜合曲率半徑） (↑d1)； ↑ 接觸強度 常發(fā)生于 開式 齒輪傳動。 原因：相對滑動 +硬顆粒 (灰塵、金屬屑末等 ) 潤滑不良 +表面粗糙。 后果：正確齒形被破壞、傳動不平穩(wěn)， 齒厚減薄、 抗彎能力 ↓→折斷 改善措施： 閉式： 1） ↑HBS，選用耐磨材料； 2） ↓表面粗糙度； 3） ↓滑動系數(shù)； 4）潤滑油的清潔。 開式： 5）加防塵罩。 現(xiàn)象：金屬表面材料不斷減小 —— 嚴重的粘著磨損 低速重載 —— P↑ 、 v ↓ ，不易形成油膜 → 冷膠合。 后果：引起強烈的磨損和發(fā)熱，傳動不平穩(wěn)，導(dǎo)致齒 輪報廢。 現(xiàn)象：齒面沿滑動方向粘焊、撕脫，形成溝痕。 原因： 高速重載 —— v↑ ， Δ t ↑ ，油 η ↓ ，油膜破壞，表 面金屬直接接觸，融焊 → 相對運 動 → 撕裂、溝痕。 改善措施： 1） ↓ m→↓ 齒高 h→↓ 齒面 vs（必須滿足 σ F）； 2）采用抗膠合性能好的齒輪材料對； 3）降低齒面壓力，采用良好的潤滑方式及潤滑劑； 4）提高接觸精度，采用角變位齒輪， ↓ 嚙合開始和 終了時的 vs； 5）對齒輪進行修形，修去一部分齒頂，使 vs大的齒頂 不起作用； 6） ↓ 表面粗糙度， ↑ 齒面硬度 HBS。 齒面較軟 時， 重載 下， Ff↑——材料塑性流動（流動方向沿 Ff） 該失效主要出現(xiàn)在 低速重載 、 頻繁啟動 和 過載 場合。 主動輪 1：齒面相對滑動速度方向 vs指向節(jié)線 ，所以 Ff背離節(jié) 線，塑變后在齒面節(jié)線處產(chǎn)生 凹槽 。 從動輪 2： vs背離節(jié)線 ， Ff指向節(jié)線，塑 變后在齒面節(jié)線處形成 凸脊 。 改善措施： 1） ↑齒面硬度； 2）采用 η↑的潤滑油。 失效形式 → 相應(yīng)的設(shè)計準則 閉式齒輪傳動 主要失效為：點蝕、輪齒折斷、膠合 軟齒面： 主要是 點蝕 、其次是 折斷 ， 按齒面接觸疲勞強度設(shè) 計計算、校核齒根的彎曲疲勞強度。 高速重載 還要進行抗膠合計算 硬齒面： 主要是 折斷 、其次是 點蝕 ， 按齒根的彎曲疲勞強度 設(shè)計計算、校核齒面的接觸疲勞強度。 開式齒輪傳動 主要失效為： 齒面磨損、輪齒折斷， 按齒根彎曲疲勞強度設(shè) 計，但適當(dāng)降低（ 20%）許用應(yīng)力以考慮磨損 的影響。 短期過載傳動 過載折斷 齒面塑變 靜強度計算 二、齒輪傳動的設(shè)計準則 167。 113 齒輪材料及許用應(yīng)力 一、齒輪材料及熱處理 材料要求 ： 齒面硬、齒芯韌 (1)齒面應(yīng)有足夠的硬度，以抵抗齒面磨損、點蝕、膠合 以及塑性變形等； (2)齒芯應(yīng)有足夠的強度和較好的韌性，以抵抗齒根折斷 和沖擊載荷： (3)應(yīng)有良好的加工工藝性能及熱處理性能．使之便于加 工且便于提高其力學(xué)性能。 常用材料 鍛鋼、鑄鋼、鑄鐵、非金屬材料 1）鍛鋼 a）軟 齒面齒輪 HBS≤350 中碳鋼： 4 50、 55等 中碳合金鋼： 40Cr、 40MnB 特點：齒面硬度不高，限制了承載能力，但易于制造，成本 低，常用于對尺寸和重量 無嚴格要求的場合 。 加工工藝：鍛坯 —— 加工毛坯 —— 熱處理（正火、調(diào)質(zhì) HBS160~300） —— 切齒 精度 9級。 b）硬齒面齒輪： HBS＞ 350 低碳、中碳鋼： 45等 低碳、中碳合金鋼： 20Cr、 20CrMnTi、 20MnB等 特點：齒面硬度高、承載能力高、適用于對尺寸、重量有 較高要求的場合 （如高速、重載及精密機械傳動）。 加工工藝：鍛坯 —— 加工毛坯 —— 切齒 —— 熱處理（表面 淬火、滲碳、氮化、氰化） —— 磨齒（表面淬 火、滲碳）。若氮化、氰化：變形小，不磨齒 。 專用磨床，成本高，精度可達 6級。 2）鑄鋼 ZG310570、 ZG340640… 用于 d＞ 400~600mm的大尺寸齒輪；不重要的，批量 生產(chǎn)的齒輪。 3）鑄鐵 4）非金屬材料 灰鑄鐵 — HT250、 HT300 … 球墨鑄鐵 — QT500 QT6002 低速輕載、尺寸要求不嚴的開式齒輪 夾布膠木、塑料 … 用于高速、小功率、精度不高或要求低噪聲的齒輪 2）中低速、中低載齒輪傳動：大、小齒輪齒面有一定硬度 差， HBS1=HBS2+（ 30~50）。 材料的選擇原則 1）按不同工況選材。 ☆ 使大、小齒輪壽命接近； ☆ 減摩性、耐磨性好； ☆ 小齒輪可對大齒輪起冷作硬化作用。 3）有良好的加工工藝性，便于齒輪加工。 ☆ 大直徑 d＞ 400 ，用 ZG ☆ 大直徑齒輪：齒面硬度不宜太高， HBS＜ 200，以免 中途換刀 4）材料易得、價格合理。 舉例： 起重機減速器：小齒輪 45鋼，調(diào)質(zhì)， HBS230~260 大齒輪 45鋼，正火， HBS180~210 機床主軸箱：小齒輪 40Cr或 40MnB，表面淬火， HRC50~55 大齒輪 40Cr或 40MnB， 表面淬火， HRC45~50 常用的齒輪材料 優(yōu)質(zhì)碳素鋼 類 別 牌 號 熱 處 理 硬度（ HBS或 HRC） 合金結(jié)構(gòu)鋼 鑄 鋼 灰鑄鐵 球墨鑄鐵 35 正火 150~180 HBS 調(diào)質(zhì) 表面淬火 180~210 HBS 40~45 HRC 正火 169~217 HBS 45 調(diào)質(zhì) 表面淬火 229~286 HBS 45~55 HRC 50 40Cr 調(diào)質(zhì) 表面淬火 241~286 HBS 48~55 HRC 35SiMn 調(diào)質(zhì) 229~286 HBS 表面淬火 45~55 HRC 正火 調(diào)質(zhì) 241~286 HBS 40MnB …… …… …… ZG270500 正火 140~170 HBS …… …… …… HT200 170~230 HBS …… …… QT5005 147~241 HBS …… …… 180~220 HBS 許用應(yīng)力與材料、齒面硬度、應(yīng)力循環(huán)次數(shù)等因素有關(guān) 二、許用應(yīng)力 б FP NYF m i nSTF l i mFP SY?? ? SFmin——彎曲強度的最小安全系數(shù) 。 一般傳動取 SFmin=~；重要傳動取 SFmin=~ ； 式中： бFlim——試驗齒輪齒根的彎曲疲勞極限 ， 查圖 1112； YST ——試驗齒輪的應(yīng)力修正系數(shù)， YST = 2； YN—— 彎曲疲勞強度計算的壽命系數(shù) ， 根據(jù)應(yīng)力循環(huán) 次數(shù) N查圖 1114。 圖 543 3． 對于開式齒輪傳動 ， 用 降低 20%左右的許用彎曲應(yīng) 力來考慮磨損的影響 。 бFlim 取值說明： 1． 圖中給出的 бFlim，是齒輪材質(zhì)及熱處理質(zhì)量達到中等要求時的中限（ MQ）。 2． 對雙向傳動齒輪 ， 即在對 稱循環(huán)變應(yīng)力下工作的齒輪 （ 如行星齒輪 、 中間齒輪 等 ） ， 其值應(yīng)將圖示值乘以 系 。 N0=3179。 106 105 ● 當(dāng)要求按有限壽命計算時 ， 齒輪的循環(huán)次數(shù) N計算式為： N = 60 n a t n——齒輪轉(zhuǎn)速 ， r／ min； a——齒輪每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)時 ， 輪齒同側(cè)齒面嚙合次數(shù) ， 單向傳動 a=1， 雙向傳動