【文章內(nèi)容簡介】 。7．如果帶傳動裝置需閑置一段時間不用時，應(yīng)將傳動帶放松。4 齒輪傳動設(shè)計(jì) 齒輪傳動的失效形式及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 齒輪傳動的失效形式正常情況下，齒輪傳動的失效主要是輪齒的實(shí)效。研究輪齒的實(shí)效形式并分析其原因，是為了確定齒輪傳動的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和相應(yīng)的承載能力計(jì)算方法。齒輪傳動的實(shí)效與其工作條件和使用條件有關(guān)，就工作條件來講，齒輪傳動有閉式傳動和開式傳動兩類。閉式傳動的齒輪封閉在箱體內(nèi)，能保證良好的潤滑，重要的齒輪傳動一般采用閉式傳動；開式傳動的齒輪外露空氣中，灰塵、沙粒等雜質(zhì)容易落入，潤滑不良，通常用在手動、低速等不重要的齒輪傳動中。就使用條件來講，有高速、低速、重載、輕載之分，齒輪的材料也有所不同。因此，齒輪的失效也具有多種形式，如輪齒折斷、齒面點(diǎn)蝕、齒面膠合、齒面磨損、齒面塑性流動等失效形式。輪齒折斷是指齒輪一個或多個齒的整體或局部斷裂。折斷一般發(fā)生在輪齒的根部。折17斷有疲勞折斷和過載折斷之分。齒輪進(jìn)入嚙合后就開始受力，齒根圓角處如同懸臂梁一樣產(chǎn)生最大的彎曲應(yīng)力并會產(chǎn)生應(yīng)力集中。輪齒脫嚙后，彎曲應(yīng)力隨之消失。所以齒輪工作時，每個齒的根部均受到變動的彎曲應(yīng)力作用。當(dāng)彎曲應(yīng)力超過材料的疲勞極限時，齒根就會產(chǎn)生疲勞裂紋，裂紋不斷擴(kuò)展最后導(dǎo)致輪齒折斷。這種折斷稱為疲勞折斷。用鑄鐵、整體淬火鋼等脆性材料制造的齒輪，若工作時受到很大的沖擊或嚴(yán)重過載時，其輪齒可能發(fā)生突然折斷。這種折斷稱為過載折斷。2. 齒面點(diǎn)蝕 點(diǎn)蝕是齒面由于小片金屬剝落而產(chǎn)生麻點(diǎn)狀損傷，從而使齒輪傳動失效的一種現(xiàn)象。輪齒進(jìn)入嚙合時，齒面接觸處產(chǎn)生近似脈動變化的接觸應(yīng)力，在接觸應(yīng)力超過輪齒材料的接觸疲勞極限應(yīng)力的地方，將在輪齒表層下產(chǎn)生疲勞裂紋，并隨時間不斷擴(kuò)展形成點(diǎn)蝕。點(diǎn)蝕一般出現(xiàn)在節(jié)線附近靠近齒根部分的表面上。3. 齒面膠合 膠合是指相嚙合的兩齒面，在高壓下直接接觸發(fā)生黏著，同時隨著兩齒面的切向相對滑動，使金屬從齒面上撕落而形成的一種比較嚴(yán)重的黏著磨損現(xiàn)象。膠合通常發(fā)生在高速、重載的齒輪傳動中。由于重載和很大的齒面相對滑動速度，在接觸處產(chǎn)生局部瞬間高溫導(dǎo)致油膜破裂，兩相互接觸的輪齒表面由于高溫熔焊而產(chǎn)生熱膠合。對于重載、低速的齒輪傳動，由于嚙合處局部壓力很高且齒面相對滑動速度低，也會導(dǎo)致兩金屬表面間油膜破裂而黏著，從而引起膠合而破壞。4. 齒面磨損在開式齒輪傳動中，灰塵、沙?；蚱渌残歼M(jìn)入嚙合齒面間，在輪齒的相互滾輾作用下，使齒面產(chǎn)生磨損；當(dāng)表面粗糙的硬齒與較軟的輪齒相嚙合時，較軟的輪齒表面也會產(chǎn)生磨損。過度磨損后，輪齒變薄，達(dá)到一定程度后就會因?yàn)槌惺懿涣溯^大的載荷而折斷。 齒輪傳動的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則以上討論了幾種常見的齒輪失效形式。顯然，齒輪輪齒的每一種失效形式的出現(xiàn)并不是孤立的，例如，齒面一旦出現(xiàn)了疲勞點(diǎn)蝕或膠合，就會加劇齒面的磨損，齒面的嚴(yán)重磨損又將導(dǎo)致輪齒的折斷。因此齒輪傳動的承載能力及其可靠性，主要取決于齒輪齒體及齒面抵抗各種失效的能力，并成為齒輪傳動設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。因此，普通齒輪傳動的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為：181．閉式齒輪傳動軟齒面(硬度≤350HBS)，輪齒的主要失效形式為齒面的疲勞點(diǎn)蝕。為此應(yīng)首先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算輪齒分度圓直徑和其他幾何參數(shù)，然后再校核齒面接觸疲勞強(qiáng)度。2．閉式齒輪傳動硬齒面(硬度350HBS)，輪齒的主要失效形式為輪齒的彎曲疲勞折斷。為此應(yīng)首先按彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算模數(shù)和其他幾何參數(shù)，然后再校核齒面接觸疲勞強(qiáng)度。3．開式齒輪傳動的主要失效形式為齒面磨粒磨損和彎曲疲勞折斷。目前對齒面磨損尚無成熟的計(jì)算方法，因此通常只進(jìn)行彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算，并將計(jì)算所得模數(shù)加大10%～20%，以補(bǔ)償磨損量。 常用的齒輪材料是各種牌號的優(yōu)質(zhì)碳素鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、鑄鋼和鑄鐵等，一般多采用鍛件或軋制鋼材。當(dāng)齒輪較大（例如直徑大于400～600mm）而輪坯不易鍛造時，可采用鑄鋼；開式低速傳動可采用灰鑄鐵；球墨鑄鐵有時可代替鑄鋼。另外高速、輕載的齒輪傳動還可采用尼龍、酚醛塑料和夾布膠木等非金屬材料。齒輪常用的熱處理方法有以下幾種：1．表面淬火表面淬火一般用于中碳鋼和中碳合金鋼，例如45鋼、40Cr等。表面淬火后輪齒變形不大，可不磨齒，齒面硬度可達(dá)50～55HRC。由于齒面接觸強(qiáng)度高，耐磨性好，而齒芯部未淬硬仍有較高的韌性，故能承受一定的沖擊載荷。表面淬火的方法有高頻淬火和火焰淬火等 。2．滲碳淬火%～%的低碳鋼和低碳合金鋼中，例如20鋼、20Cr等。滲碳淬火后齒面硬度可達(dá)56～62HRC，齒面接觸強(qiáng)度高，耐磨性好，而齒芯部仍保持有較高的韌性，常用于受沖擊載荷的重要齒輪傳動。3．調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì)一般用于中碳鋼和中碳合金鋼，例如45鋼、40Cr等。調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度一般為210～280HBS。因硬度不高，故可在熱處理以后精切齒形，且在使用中易于跑合。4．正火 19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。5．滲氮滲氮是一種化學(xué)熱處理。滲氮不再進(jìn)行其他熱處理，齒面硬度可達(dá)60～62HRC。因氮化處理溫度低，齒的變形小，因此適用于難以磨齒的場合，例如內(nèi)齒輪。常用的滲氮鋼為38CrMnAlA。上述五種熱處理中，調(diào)質(zhì)和正火兩種處理后的齒面硬度較低(HBS≤350)，為軟齒面；其他三種處理后的齒面硬度較高，為硬齒面。軟齒面的工藝過程簡單，適用于一般傳動。當(dāng)大小齒輪都是軟齒面時，考慮到小齒輪齒根較薄，彎曲強(qiáng)度較低，且受載次數(shù)較多，故在選擇材料和熱處理時，一般使小齒輪面硬度比大齒輪高20～50HBS。硬齒面齒輪的承載能力較高，但需專門設(shè)備磨齒，常用于要求結(jié)構(gòu)緊湊或生產(chǎn)批量大的齒輪。當(dāng)大小齒輪都是硬齒面時，小齒輪的硬度應(yīng)略高，也可和大齒輪相等。齒面接觸疲勞許用應(yīng)力為 ()齒根彎曲疲勞許用應(yīng)力為 ()式中帶lim下標(biāo)的應(yīng)力是試驗(yàn)齒輪在持久壽命期內(nèi)失效概率為1%的疲勞極限。齒面接觸疲勞極限，查圖41；齒根彎曲疲勞極限，查圖42。受循環(huán)彎曲應(yīng)力的齒輪。為齒面接觸疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)、為齒根彎曲疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)，可查表9。為接觸疲勞壽命系數(shù)，可查圖43；為彎曲疲勞壽命系數(shù)，可查圖44。圖43和圖44中的為應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，其中為齒輪轉(zhuǎn)速，單位為r/min，為齒輪轉(zhuǎn)一周時同側(cè)齒面的嚙合次數(shù)，為齒輪工作壽命，單位為h。 表9 齒面接觸疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)和齒根彎曲疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)20安全系數(shù)軟齒面(硬度≤350HBS)硬齒面(硬度350HBS)重要的傳動、滲碳淬火齒輪或鑄造齒輪～～～～～圖41 齒面接觸疲勞極限 a)鑄鐵 b)正火結(jié)構(gòu)鋼和鑄鋼 21圖42 齒根彎曲疲勞極限 1—碳鋼正火、調(diào)質(zhì)淬火及滲碳，球墨鑄鐵（允許一定的點(diǎn)蝕）；2—同1，不允許出現(xiàn)點(diǎn)蝕；3—碳鋼調(diào)質(zhì)后氣體氫化、氮化鋼氣體氮化，灰鑄鐵；4—碳鋼調(diào)質(zhì)后液體氮化圖43 接觸疲勞壽命系數(shù)1—碳鋼正火、調(diào)質(zhì)，球墨鑄鐵；2—碳鋼表面淬火、滲碳；3—氮化鋼氣體氮化，灰鑄鐵；4—碳鋼調(diào)質(zhì)后液體氮化圖44 彎曲疲勞壽命系數(shù)22湖北工業(yè)大學(xué)商貿(mào)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 齒輪傳動的精度制造和安裝齒輪傳動時，不可避免地會產(chǎn)生誤差（如齒形誤差、齒距誤差、齒向誤差、兩軸線不平行等）。誤差對傳動帶來以下三方面的影響：1．相嚙合齒輪在一定范圍內(nèi)實(shí)際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角不一致，即影響傳遞運(yùn)動的準(zhǔn)確性。2．瞬時傳動比不能保持恒定不變，齒輪在一下范圍內(nèi)會出現(xiàn)多次重復(fù)的轉(zhuǎn)速波動，特別在高速傳動中將引起振動、沖擊和噪聲，即影響傳動的平穩(wěn)性。3．齒向誤差能使齒輪上的載荷分布不均勻，當(dāng)傳遞較大轉(zhuǎn)矩時，易引起早期損壞，即影響載荷分布的均勻性。國家標(biāo)準(zhǔn)GB100952001對圓柱齒輪和圓錐齒輪規(guī)定了13個精度等級，其中0級的精度最高，12級的精度最低，常用的是6～9級精度。按照誤差的特性及它們對傳動性能的主要影響，將齒輪的各項(xiàng)公差分成三個組，分別反映傳遞運(yùn)動的準(zhǔn)確性、傳動的平穩(wěn)性和載荷分布的均勻性。此外，考慮到齒輪制造誤差以及工作時輪齒變形和受熱膨脹，同時為了便于潤滑，需要有一定的齒側(cè)間隙，為此，標(biāo)準(zhǔn)中還規(guī)定了14種齒厚偏差表10列出了圓柱齒輪傳動精度等級及其應(yīng)用的推薦范圍，供設(shè)計(jì)時參考。23表10 圓柱齒輪傳動精度等級及其應(yīng)精度等級圓周速度/(ms1)應(yīng)用舉例直齒圓柱齒輪斜齒圓柱齒輪直齒錐齒輪6(高精度)≤15≤25≤9在高速、重載下工作的齒輪傳動，如機(jī)床、汽車和飛機(jī)中的重要齒輪；分度機(jī)構(gòu)的齒輪；高速減速器的齒輪7(精密)≤10≤17≤6在高速、中載或中速下工作的齒輪傳動，如機(jī)床、汽車變速箱的齒輪；標(biāo)準(zhǔn)減速器的齒輪8(中等精度)≤5≤10≤3一般機(jī)械中的傳動齒輪，如機(jī)床、汽車和拖拉機(jī)中的一般齒輪；起重機(jī)械中的一般齒輪；農(nóng)業(yè)機(jī)械中的重要齒輪9(低精度)≤3≤≤在低速、重載下工作的齒輪，粗糙工作機(jī)械中的齒輪齒輪的強(qiáng)度計(jì)算是根據(jù)齒輪的失效形式進(jìn)行的。對于一般的齒輪傳動只計(jì)算齒根彎曲強(qiáng)度和齒面接觸強(qiáng)度即可；對于高速重載的閉式齒輪傳動還要計(jì)算膠合承載能力。本節(jié)著重介紹標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪傳動的強(qiáng)度計(jì)算方法。 齒輪的受力分析為計(jì)算輪齒的強(qiáng)度，必須首先分析齒輪輪齒上的作用力。如圖45a所示為一對標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪傳動，齒廓在節(jié)點(diǎn)處接觸，若忽略摩擦力，輪齒間相互作用的法向力沿著嚙合線方向。如圖45c所示為兩輪在接觸點(diǎn)處的受力情況。主動輪1的法向力可分解圓周力及徑向力，從動輪2的法向力可分解圓周力及徑向力。24圖45 標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪傳動的受力分析若主動輪1所傳遞的功率為(kW)、轉(zhuǎn)速為(r/min)，則作用在主動輪上的轉(zhuǎn)矩為 () () 式中為小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩，的單位為Nmm；為小齒輪的分度圓直徑，單位為mm；為小齒輪節(jié)圓上的壓力角。根據(jù)作用力與反作用力的原則可求出作用在從動輪上的力： =－=－=－作用在主動輪上所受的圓周力的方向與該接觸點(diǎn)處的線速度方向相反，而從動輪25上圓周力的方向與該接觸點(diǎn)處的線速度方向相同；兩個齒輪上的徑向力方向分指向各自的輪心。 計(jì)算載荷按式()計(jì)算出的是作用在輪齒上的名義載荷，在實(shí)際工作時，由于原動機(jī)和工作機(jī)的工作特性不同，會產(chǎn)生附加的動載荷，齒輪、軸、軸承的加工、安裝誤差及彈性變形會引起載荷集中，使實(shí)際載荷增加，故應(yīng)將名義載荷修正為計(jì)算載荷，它是包括名義載荷和附加載荷在內(nèi)的總載荷。即 ()式中是載荷系數(shù)（或稱綜合系數(shù)），由表11查取。表11 載荷系數(shù)工作機(jī)械載荷特性原動機(jī)電動機(jī)多缸內(nèi)燃機(jī)單缸內(nèi)燃機(jī)均勻加料的運(yùn)輸機(jī)和加料機(jī)、輕型卷揚(yáng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、機(jī)床輔助傳動均勻、輕載沖擊1～～～不均勻加料的運(yùn)輸機(jī)和加料機(jī)、重型卷揚(yáng)機(jī)、球磨機(jī)、機(jī)床主傳動中等沖擊～～～沖床、鉆床、軋床、破碎機(jī)和挖掘機(jī)大的沖擊～～～注：斜齒、圓周速度、精度高、齒寬系數(shù)小、齒輪在兩軸承間布置時取小值。直齒、圓周速度高、精度低、齒寬系數(shù)大，齒輪在兩軸承間不對稱布置時取最大值。表12 材料的彈性系數(shù)()材料鋼鑄鐵球墨鑄鐵灰鑄鐵鋼～鑄鐵球墨鑄鐵灰鑄鐵～彈性模量104104104104泊松比26表13 齒寬系數(shù)支承對小齒輪的布置載荷情況的最大值的最小值一對或一個齒輪HB≤350一對齒輪HB350一對或一個齒輪HB≤350一對齒輪HB350對稱布置變動較小()()1～～變動較大()()非對稱布置變動較小()()結(jié)構(gòu)剛性很大時，～；結(jié)構(gòu)剛性較小時取0.