【正文】 作者：朱理 第六章 齒輪傳動 作用： 不僅用來傳遞運動、而且還要傳遞動力。 要求： 運轉平穩(wěn)、足夠的承載能力。 分類 開式傳動 有簡單防護罩，大齒輪浸入油池，潤滑得到改善、適于非重要應用； 裸露、灰塵、易磨損，適于低速傳動。 概述 半開式傳動 閉式傳動 全封閉、潤滑良好、適于重要應用。 按類型分 按裝置型式分 按使用情況分 軟齒面齒輪 （ 齒面硬度 ≤ 350HBS） 直齒圓柱齒輪傳動 斜齒圓柱齒輪傳 錐齒輪傳動 人字齒輪傳動 動力齒輪 傳動齒輪 按齒面硬度分 硬齒面齒輪 （ 齒面硬度＞ 350HBS） 以動力傳輸為主，常為高速重載或低速重載傳動。 以運動準確為主，一般為輕載高精度傳動。 作者：朱理 第六章 齒輪傳動 輪齒折斷 一般發(fā)生在齒根處，嚴重過載突然斷裂、疲勞折斷。 齒輪傳動的失效形式 失效形式 輪齒疲勞折斷 輪齒過載折斷 齒輪傳動的失效形式及設計準則 作者：朱理 第六章 齒輪傳動 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） 采用合適的熱處理，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，對齒根表層進行強化處理。 作者：朱理 第六章 齒輪傳動 潘存云教授研制 潘存云教授研制 齒面接觸疲勞 齒面接觸應力按脈動循環(huán)變化當超過疲勞極限時，表面產(chǎn)生微裂紋、高壓油擠壓使裂紋擴展、微粒剝落。點蝕首先出現(xiàn)在節(jié)線處，齒面越硬，抗點蝕能力越強。軟齒面閉式齒輪傳動常因點蝕而失效。 齒面點蝕 輪齒折斷 失效形式 齒輪傳動的失效形式 輪齒疲勞折斷 輪齒過載折斷 措施 ： ； 應力 σH≤ [σH]。 作者：朱理 第六章 齒輪傳動 齒面點蝕 高速重載傳動中，常因嚙合區(qū)溫度升高而引起潤滑失效，致使齒面金屬直接接觸而相互粘連。當齒面向對滑動時，較軟的齒面沿滑動方向被撕下而形成溝紋。 措施： 低速 高速 輪齒折斷 失效形式 齒輪傳動的失效形式 輪齒疲勞折斷 輪齒過載折斷 齒面膠合 作者：朱理 第六章 齒輪傳動 齒面膠合 齒面磨損 措施： 磨粒磨損 跑合磨損 跑合磨損、磨粒磨損。 齒面點蝕 輪齒折斷 失效形式 齒輪傳動的失效形式 輪齒疲勞折斷 輪齒過載折斷 ，清潔環(huán)境 作者：朱理 第六章 齒輪傳動 輪齒疲勞折斷 輪齒過載折斷 齒面膠合 齒面磨損 齒面點蝕 輪齒折斷 失效形式 齒面塑性變形 齒輪傳動的失效形式 從動齒 主動齒 從動齒 主動齒從動齒主動齒從動齒主動齒表面凸出 措施 ： 材料。 表面凹陷 作者：朱理 第六章 齒輪傳動 齒輪傳動的 設計準則 ▲ 保證足夠的齒根彎曲疲勞強度，以免發(fā)生齒根折斷 ▲ 保證足夠的齒面接觸疲勞強度，以免發(fā)生齒面點蝕 由工程實踐得知： ▲ 對高速重載齒輪傳動，除以上兩設計準則外，還應 按齒面抗膠合能力的準則進行設計 ▲ 閉式鋼制硬齒面或鑄鐵齒輪傳動， 主要失效形式是齒根彎曲折斷，故按齒根彎曲疲勞強度進行設計計算，再按齒面接觸疲勞強度進行校核。 ▲ 閉式鋼制軟齒面齒輪傳動，主要失效形式是齒面點蝕，故按齒面接觸疲勞強度進行設計計算，再按齒根彎曲疲勞強度進行校核。 ▲ 開式齒輪傳動， 主要失效形式是齒面磨損，嚴重磨損后齒根彎曲折斷，故按齒根彎曲疲勞強度進行設計計算即可。 作者：朱理 第六章 齒輪傳動 對齒輪材料性能的要求 齒輪的齒體應有較高的抗折斷能力，齒面應有較強的抗點蝕、抗磨損和較高的抗膠合能力，即要求：齒面硬、芯部韌。 齒輪常用材料和許用應力 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，通過熱處理和化學處理可改善材料的機械性能，最適于用來制造齒輪。 耐磨性及強度較好，常用于大尺寸齒輪。 含碳量為 % ~%的碳素鋼或合金鋼。一般用齒輪用碳素鋼，重要齒輪用合金鋼。 作者：朱理 第六章 齒輪傳動 熱處理方法 表面淬火 滲碳淬火 調質 正火 滲氮 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52~56HRC，面硬芯軟，能承受一定沖擊載荷。 ——高頻淬火、火焰淬火 齒輪材料的熱處理和化學處理 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 56~62HRC，齒面接觸強度高，耐磨性好，齒芯韌性高。常用于受沖擊載荷的重要傳動。通常滲碳淬火后要磨齒。 作者：朱理 第六章 齒輪傳動 調質一般用于中碳鋼和中碳合金鋼，如 4 40Cr、35SiMn等。調質處理后齒面硬度為：220~260HBS 。因為硬度不高，故可在熱處理后精切齒形，且在使用中易于跑合。 正火能消除內應力、細化晶粒、改善力學性能和切削性能。機械強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。 滲氮是一種化學處理。滲氮后齒面硬度可達60~62HRC。氮化處理溫度低，輪齒變形小，適用于難以磨齒的場合，如內齒輪。材料為： 38CrMoAlA. 作者：朱理 第六章 齒輪傳動 特點及應用： 調質、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。當大小齒輪都是軟齒面時，因小輪齒根薄，彎曲強度低，故在選材和熱處理時，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。常用于結構緊湊的場合。 作者：朱理 第六章 齒輪傳動 齒輪材料選用的基本原則 (1)齒輪材料必須滿足工作條件的要求，如強度、壽 命、可靠性、經(jīng)濟性等； (2)應考慮齒輪尺寸大小，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；調質碳鋼可用于在中等沖擊載荷 下工作的齒輪； (6)鋼制軟齒面齒輪，其配對兩輪齒面的硬度差應保 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，應采用表面硬化處 理的高強度合金鋼； 作者：朱理 第六章 齒輪傳動 齒輪傳動的許用應力 許用接觸應力 σ Hlim 、 σFlim ——分別為接觸疲勞極限和彎曲疲勞極 限 ,由圖 633和圖 634查得。 S H、 S F——齒面接觸和齒根彎曲疲勞強度安全系數(shù)， 查下表 確定。 HHH SζKζ limHN][ =FFSTF SζYKζ limFN][ =Y ST——試驗齒輪應力修正系數(shù)，可 YST= K HN 、 K FN——分別為齒面接觸和齒根彎曲疲勞壽命 系數(shù)，可查圖 631和圖 632查得。 圖中 N為應力循環(huán)次數(shù) hn jL60N =j ——齒輪每轉一圈是同一齒面的嚙合次數(shù)。 Lh——齒輪工作壽命 。 n——齒輪轉速 作者：朱理 第六章 齒輪傳動 齒輪傳動的計算載荷和載荷系數(shù) 齒輪傳動強度計算中所用的載荷，通常取沿齒面接觸線單位長度上所受的載荷，即： 實際傳動中由于原動機、工作機性能的影響以及制造誤差的影響，載荷會有所增大，且沿接觸線分布不均勻。 接觸線單位長度上的最大載荷為 LKFKpp nca ??LFp n?Fn 為作用于齒面接觸線上的法向載荷。 L 為接觸線長度。 pca 為作用于齒面接觸線上的 計算載荷 。 作者：朱理 第六章 齒輪傳動 K為載荷系數(shù)，其值為： K＝ KA Kv Kα Kβ 式中 KA ——使用系數(shù) Kv ——動載系數(shù) Kα——齒間載荷分配系數(shù) Kβ——齒向載荷分布系數(shù) 1. 使用系數(shù) KA 使用系數(shù) KA是考慮齒輪系統(tǒng)外部原因引起的附加動載荷影響的系數(shù) ,它取決于原動機和工作機的運轉特性、聯(lián)軸器的緩沖性能 , KA其值按表 。 動載系數(shù) KV是考慮大、小齒輪嚙合振動產(chǎn)生的內部附加動載荷影響的系數(shù) ,造成輪齒間嚙合振動的因素主要有： 1)齒輪的齒距和齒形誤差引起的運動誤差； 2)齒輪圓周速度和嚙合頻率； 3)輪齒嚙合過程中的剛度及其變化等。而起決定作用的是齒輪制造精度、齒輪圓周速度 ,所以動載系數(shù) KV 可根據(jù)齒輪制造精度和圓周速度 v從圖 。 KV 作者：朱理 第六章 齒輪傳動 3. 齒間載荷分配系數(shù) Kα 考慮齒輪嚙合時一般不為一對齒嚙合 ,而有時為兩對齒嚙令 ,但在進行載荷計算時一般是認為載荷均勻分配 ,但是由于齒距誤差及彈性變形等原因 ,其載荷不可能均勻分配 ,故引入齒間載荷分配系數(shù) Kα, Kα其值對于一般精度的直齒輪傳動取 Kα=1；對于斜齒輪傳動取 Kα=1~，精度低、齒面硬度高時取大值，反之取小值。 受力變形 制造誤差 安裝誤差 附加動載荷 載荷集中 Kβ 作者：朱理 第六章 齒輪傳動 改善齒向載荷不均勻的措施： （ 1） 增大軸、軸承及支座的剛度； （ 5） 輪齒修形（腰鼓齒）。 （ 4） 盡可能避免懸臂布置； （ 3） 適當限制輪齒寬度； （ 2） 對稱軸承配置； b (~)b 作者：朱理 第六章 齒輪傳動 O2 O1 t t ω1 （主動） N1 N2 c α α d1 2 Fn T1 O2 ω2 （從動） O1 N1 N2 t t ω1 （主動） T1 c α α d1 2 d2 2 α Ft Fr Fn Fn α 為了計算輪齒強度，設計軸和軸承，有必要分析輪齒上的作用力。 齒輪傳動的受力分析及計算載荷 各作用力的方向如圖 輪齒受力分析 圓周力 11dT2F =t徑向力 αt a nFFFtr2r1 ==αc o s/FF tn =法向力 小齒輪上的轉矩 mm?N==16161 nωP10TP——傳遞的功率 (kw)， ω 1——小齒輪上的角速度， n1——小齒輪上的轉速， d1——小齒輪上的分度圓直徑， α ——壓力角。 作者：朱理 第六章 齒輪傳動 圓周力 Ft的方向： 對主動輪與轉動方向相反 , 對從動輪與運動方向相同。 徑向力 Fr的方向： 對兩輪都始終指向自己的輪心。 O2 O1 t t ω1 （主動） N1 N2 c α α d1 2 Fn T1 Ft Fr α 齒輪強度計算是根據(jù)齒輪可能出現(xiàn)的失效形式來進行的。在一般閉式齒輪傳動中，輪齒的失效主要是齒面接觸疲勞點蝕和輪齒彎曲疲勞折斷。齒面疲勞點蝕與齒面接觸應力的大小有關，而齒面的最大接觸應力可近似用赫茲公式進行計算。 赫茲公式 22212121nH1+11177。1?π=EELF?????―+‖用于外嚙合， “ ‖用于內嚙合 齒面接觸疲勞強度計算 作者：朱理 第六章 齒輪傳動 2αs i ndCNρ 111