【正文】 。 第二節(jié) 輪齒的失效形式與計(jì)算準(zhǔn)則 輪齒的失效形式與計(jì)算準(zhǔn)則 學(xué)習(xí)要求 ① 掌握齒輪輪齒的幾種常見(jiàn)的失效形式與發(fā)生失效的 條件； ② 掌握普通齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則； 輪齒的失效形式與計(jì)算準(zhǔn)則，是齒輪傳動(dòng)工作能 力計(jì)算的依據(jù)和指導(dǎo)原則，是齒輪傳動(dòng)工作能力計(jì)算 的靈魂。表 182給出了各種精度等 級(jí)齒輪的使用和加工方法等，供選擇精度等級(jí)時(shí)參 考。此外，還規(guī)定了齒坯公差 、 概 述 齒輪副側(cè)隙和圖樣標(biāo)注等各項(xiàng)內(nèi)容。 齒輪精度等級(jí)的選擇 在漸開(kāi)線(xiàn)圓柱齒輪和錐齒輪精度標(biāo)準(zhǔn)（ GB/T — 2022和 GB/T — 2022）中，分別對(duì) 圓柱齒輪和錐齒輪規(guī)定有 12個(gè)精度等級(jí)，按精度的高 低依次為： … 、 12。 由公式（ 183），齒寬 b 可表示為 b＝ d (184) 在用公式（ 184）計(jì)算齒寬 b時(shí)，有時(shí)會(huì)包含小數(shù) 部分，一般應(yīng)對(duì)其進(jìn)行圓整，即取整數(shù)。 4. 齒寬 b和齒寬系數(shù) 齒寬 b與小齒輪分度圓直徑之比，稱(chēng)齒寬系數(shù)，以 表示，即 ＝ （ 183） d?1db概 述 齒寬系數(shù)反映齒輪寬度與徑向尺寸之間的比例關(guān)系。在大批量生產(chǎn)時(shí)，推薦中心距按表 181選 用。 3. 中心距 a 中心距 a是圓柱齒輪傳動(dòng)的特征尺寸，也是最重要 的幾何參數(shù)之一。 圓柱齒輪標(biāo)準(zhǔn)模數(shù) m系列見(jiàn)表 81。 一對(duì)嚙合齒輪的齒面硬度均大于 350HBS者，稱(chēng)為硬齒 面齒輪傳動(dòng)，否則即稱(chēng)為軟齒面齒輪傳動(dòng) 。不難理解，齒面的 承載能力應(yīng)與齒面硬度有關(guān)，硬度越高，則其承載能 概 述 力也越高。以上例子說(shuō) 明了輪齒的失效形式是與齒輪的工作條件有關(guān)的。不難想象：如果 齒輪是在一個(gè)密閉的潤(rùn)滑良好的空間內(nèi)工作，不與機(jī) 器所處的外部環(huán)境相接觸，那么空氣中的粉塵就不能 侵入齒輪的嚙合齒面中，輪齒一般也不會(huì)發(fā)生齒面的 磨粒磨損。 考慮到目前我國(guó)工業(yè)齒輪仍以漸開(kāi)線(xiàn)齒廓為主， 故本章討論問(wèn)題范圍僅限于漸開(kāi)線(xiàn)齒輪傳動(dòng)。本章則 概 述 著重討論齒輪傳動(dòng)的承載能力問(wèn)題。在預(yù)定的使用期限內(nèi)不發(fā)生失效。 齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)中的基本問(wèn)題 按工作條件與齒面硬度的齒輪分類(lèi) 齒輪傳動(dòng)的主要參數(shù) 齒輪精度等級(jí)的選擇 概 述 齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)中的基本問(wèn)題 齒輪傳動(dòng)的類(lèi)型很多，用途各異，但是從傳遞運(yùn) 動(dòng)和動(dòng)力的要求出發(fā)，各種齒輪傳動(dòng)都必須解決兩個(gè) 基本問(wèn)題： ⑴ 傳動(dòng)平穩(wěn) 就是要保證瞬時(shí)傳動(dòng)比恒定，以盡可 能減小齒輪嚙合中的沖擊、振動(dòng)和噪聲。要求弄清以下一些具體問(wèn)題： 1）齒輪傳動(dòng)的失效形式及計(jì)算準(zhǔn)則； 2）齒輪傳動(dòng)的受力分析； 3）參數(shù) ψd 、 z m和 β 等的選取原則； 4）圓柱齒輪傳動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算公式中各參數(shù)的物理意義及相互關(guān)系。掌握相應(yīng) 的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則； 3) 了解載荷系數(shù)的物理意義及其影響因素； 4) 掌握齒輪傳動(dòng)受力分析的方法（包括假設(shè)條件、 力作用點(diǎn)、各分力大小、方向）； 5）掌握直齒圓柱齒輪傳動(dòng)齒面接觸疲勞強(qiáng)度和齒根 彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算方法（包括力的計(jì)算點(diǎn)確定方 法及其依據(jù)）和斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算的特 點(diǎn)； 6）理解齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)方法與步驟。圍繞這些內(nèi)容所討論的主要問(wèn)題有：齒 輪精度等級(jí)的選擇；輪齒的主要失效形式和計(jì)算準(zhǔn) 則；齒輪常用材料及選擇方法；齒輪的載荷計(jì)算； 針對(duì)齒面接觸疲勞強(qiáng)度失效和齒根彎曲疲勞強(qiáng)度失 效所進(jìn)行的齒輪承載能力計(jì)算方法等。第十八章 齒輪傳動(dòng) 內(nèi)容簡(jiǎn)介 : 本章介紹基于承載能力計(jì)算的齒輪設(shè)計(jì)方法。設(shè) 計(jì)的基本內(nèi)容就是如何確定齒輪的基本參數(shù)或主要 幾何尺寸。 學(xué)習(xí)要求 1) 了解齒輪材料的選取和熱處理方式的常識(shí)； 2) 掌握齒輪傳動(dòng)應(yīng)力類(lèi)型及變化特性、失效形式、 失效部位、產(chǎn)生機(jī)理及一般應(yīng)對(duì)措施。 本章重點(diǎn) 齒輪的失效形式和計(jì)算準(zhǔn)則、齒輪的受力分析和 計(jì)算載荷、直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的齒面接觸疲勞強(qiáng)度 計(jì)算、齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算是本章的重點(diǎn)學(xué)習(xí)內(nèi) 容。 第一節(jié) 概述 第二節(jié) 輪齒的失效形式與計(jì)算準(zhǔn)則 第三節(jié) 齒輪材料及其選擇 第四節(jié) 圓柱齒輪傳動(dòng)的載荷計(jì)算 第五節(jié) 直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的齒面接觸疲勞強(qiáng)度 第六節(jié) 直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的齒根抗彎疲勞強(qiáng)度 第七節(jié) 直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的靜強(qiáng)度計(jì)算 第八節(jié) 斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算 第九節(jié) 直齒錐齒輪傳動(dòng) 第十節(jié) 齒輪傳動(dòng)的效率與潤(rùn)滑 第一節(jié) 概 述 概 述 學(xué)習(xí)要求 : ① 了解齒輪設(shè)計(jì)需要解決的基本問(wèn)題； ② 掌握齒輪設(shè)計(jì)中按工作條件和齒面硬度的分類(lèi)方 法； ③ 了解傳動(dòng)比 i和齒數(shù)比 u之間的區(qū)別與聯(lián)系； ④ 了解齒寬系數(shù)的含義； ⑤ 了解齒輪精度等級(jí)的概念。 ⑵ 足夠的承載能力 就是在尺寸和質(zhì)量較小的前提 下，保證正常使用所需的強(qiáng)度、耐磨性等方面的要 求。 有關(guān)傳動(dòng)平穩(wěn)的問(wèn)題，涉及齒輪嚙合原理方面的 許多內(nèi)容，已在第八章作了比較詳細(xì)的討論。為此將重點(diǎn)介 紹輪齒的失效形式和計(jì)算準(zhǔn)則、齒輪常用材料及其選 擇、受力分析與載荷計(jì)算以及齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算方 法等，并在此基礎(chǔ)上，解決設(shè)計(jì)中如何確定齒輪傳動(dòng) 的基本參數(shù)和主要尺寸問(wèn)題。 按工作條件和齒面硬度的齒輪分類(lèi)： 在齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)中，承載能力計(jì)算總是針對(duì)輪齒 的某種失效形式進(jìn)行的，而輪齒的失效形式又與其工 概 述 作條件和齒面硬度等因素密切相關(guān)。相反，如果齒輪暴露在大氣環(huán)境中，任由 機(jī)器所處環(huán)境空氣中的粉塵直接侵入齒輪的嚙合齒面 中，則齒面磨損的發(fā)生也就在所難避了。 相 對(duì)于機(jī)器所處的環(huán)境來(lái)說(shuō)，通常人們將在封閉空間內(nèi) 工作的（與環(huán)境隔離開(kāi)來(lái)的）齒輪傳動(dòng)稱(chēng)為閉式齒輪 傳動(dòng)，否則即稱(chēng)為開(kāi)式齒輪傳動(dòng) 。根據(jù)齒面硬度的大小，通常人們將齒輪傳 動(dòng)分為兩類(lèi)，即硬齒面齒輪傳動(dòng)和軟齒面齒輪傳動(dòng)。因此，齒 輪傳動(dòng)按工作條件和齒面硬度可作以下分類(lèi)： 閉式齒輪傳動(dòng) 按工作條件分 開(kāi)式齒輪傳動(dòng) 齒輪傳動(dòng) 軟齒面（ 硬度 ≤350HBS ）齒輪傳動(dòng) 按齒面硬度分 硬齒面（ 硬度＞ 350HBS ）齒輪傳動(dòng) 概 述 齒輪傳動(dòng)的主要參數(shù) 1. 模數(shù) m 模數(shù)是齒輪的重要參數(shù)之一。 2. 傳動(dòng)比 i 和齒數(shù)比 u 在一對(duì)齒輪中，設(shè)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速 n、齒數(shù) z，從動(dòng)輪 轉(zhuǎn)速、齒數(shù)則傳動(dòng)比 i通?？杀硎緸? i＝ （ 181） 在一對(duì)齒輪中，若設(shè)小齒輪齒數(shù)為，大齒輪齒數(shù) 為，則齒數(shù)比 u為 u= ＞ 1 （ 182） 主從從主zznn ?12zz概 述 顯然， 在減速傳動(dòng)中 u=i ， 增速傳動(dòng)中 u=1/i 。設(shè)計(jì)中應(yīng)取值整齊、簡(jiǎn)單，并盡量 不含小數(shù)。單件或小批量生產(chǎn)時(shí)可不受此限，建議參照 《 標(biāo) 準(zhǔn)尺寸 GB/T2822— 1981》 中的數(shù)系選用，或取尾數(shù)為 0、 8的整數(shù)。 的取值大小將直接影響齒輪傳動(dòng)的布局與傳動(dòng)質(zhì)量， 因此也是齒輪設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)之一。對(duì)于圓柱齒 輪傳動(dòng)（人字齒輪除外），通常還應(yīng)使小齒輪齒寬 b 比大齒輪齒寬 b 寬出 5～ 10mm，即一般取 b＝ b（圓整數(shù)） b＝ b＋ (5～ 10)mm d?概 述 這是從有利于降低對(duì)安裝的要求，并可保證大齒 輪能以其整個(gè)齒寬參加嚙合，而不減小輪齒的有效齒 寬來(lái)考慮的。并根據(jù)對(duì)運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確性、傳 動(dòng)平穩(wěn)性和載荷分布均勻性的要求不同，將每個(gè)精度 等級(jí)的各項(xiàng)公差依次分成三個(gè)組，即第 Ⅰ 公差組、第 Ⅱ 公差組和第 Ⅲ 公差組。 齒輪精度等級(jí)應(yīng)根據(jù)傳動(dòng)的用途、使用條件、傳 動(dòng)功率和圓周速度等確定。常用 5～ 9級(jí)精度齒輪允許的最大圓周速度見(jiàn)表 18 3。 輪齒的失效形式 齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 輪齒的失效形式與計(jì)算準(zhǔn)則 輪齒的失效形式 正常情況下，齒輪的失效都集中在輪齒部位。局部折斷，主要由載荷集中造成， 通常發(fā)生于輪齒的一端（圖 182a）。 齒輪經(jīng)長(zhǎng)期使用，在載荷多次重復(fù)作用下引起的 輪齒折斷，稱(chēng)疲勞折斷；由于短時(shí)超過(guò)額定載荷（包 括一次作用的尖峰載荷）而引起的輪齒折斷，稱(chēng)過(guò)載 折斷。 輪齒的失效形式與計(jì)算準(zhǔn)則 182 輪齒的失效形式與計(jì)算準(zhǔn)則 一般地說(shuō)，為防止輪齒折斷，齒輪必須具有足夠 大的模數(shù)。而盡 可能消除載荷分布不均現(xiàn)象，則有利于避免輪齒的局 部折斷。必要時(shí)，還應(yīng)進(jìn)行抗彎曲靜強(qiáng)度驗(yàn) 算。齒面長(zhǎng)時(shí)間在這種循環(huán)接觸 輪齒的失效形式與計(jì)算準(zhǔn)則 應(yīng)力作用下，可能會(huì)出現(xiàn)微小的金屬剝落而形成一些 淺坑（麻點(diǎn)），這種現(xiàn)象稱(chēng)為齒面點(diǎn)蝕（圖 182b）。實(shí) 踐證明，點(diǎn)蝕的部位多發(fā)生在輪齒節(jié)線(xiàn)附近靠齒根的 一側(cè)。 提高齒面硬度，降低齒面粗糙度值，采用粘度較 高的潤(rùn)滑油以及進(jìn)行合理的變位等，都能提高齒面抗 疲勞點(diǎn)蝕的能力。 輪齒的失效形式與計(jì)算準(zhǔn)則 3. 齒面膠合 齒面膠合是相嚙合輪齒的表面，在一定壓力下直 接接觸發(fā)生粘著，并隨著齒輪的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，發(fā)生齒面 金屬撕脫或轉(zhuǎn)移的一種粘著磨損現(xiàn)象（圖 182c）。按其形成的條件 又可分為熱膠合和冷膠合。由于重 載和較大的相對(duì)滑動(dòng)速度，在輪齒間引起局部瞬時(shí)高 溫，導(dǎo)致油膜破裂，從而使兩接觸齒面金屬間產(chǎn)生局 部 “ 焊合 ” 而形成膠合。它是由于齒面接觸壓力過(guò)大，直接導(dǎo)致油 膜壓潰而產(chǎn)生的膠合。為了防止膠合，對(duì)于高速、 重載的齒輪傳動(dòng)，可進(jìn)行抗膠合承載能力的計(jì)算。閉式齒輪傳動(dòng)，只 要經(jīng)常注意潤(rùn)滑油的更換和清潔，一般不會(huì)發(fā)生磨粒 磨損。磨粒磨損不僅導(dǎo)致輪齒失去正確的齒 形，還會(huì)由于齒厚不斷減薄而最終引起斷齒。這是因?yàn)槟p速度比較快， 齒面還來(lái)不及達(dá)到點(diǎn)蝕的程度，其表層材料就已經(jīng)被 磨掉的緣故。如圖 182e所示，在主、從動(dòng)齒輪 上由于齒面摩擦力方向不同，其齒面變形的表現(xiàn)形式 也不同。 輪齒的失效形式與計(jì)算準(zhǔn)則 齒輪傳動(dòng)的計(jì)算準(zhǔn)則 ⑴ 閉式傳動(dòng) 閉式傳動(dòng)的主要失效形式為齒面點(diǎn)蝕 和 輪齒的彎曲疲勞折斷。因 此，一般應(yīng)首先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度條件，計(jì)算齒 輪的分度圓直徑及其主要幾何參數(shù)（如中心距、齒 寬等），然后再對(duì)其輪齒的抗彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校 核。 輪齒的失效形式與計(jì)算準(zhǔn)則 ⑵ 開(kāi)式傳動(dòng) 開(kāi)式傳動(dòng)的主要失效形式為齒面磨粒 磨損和輪齒的彎曲疲勞折斷。 輪齒的失效形式與計(jì)算準(zhǔn)則 第三節(jié) 齒輪材料及其選擇 齒輪材料及其選擇 學(xué)習(xí)要求 ① 了解鋼和鑄鐵等齒輪材料的選取方法以及鋼制齒輪的熱處理 方式的有關(guān)常識(shí)； ② 理解試驗(yàn)齒輪的接觸疲勞極限和試驗(yàn)齒輪的齒根彎曲疲勞極 限概念。 齒輪常用鋼及其熱處理 齒輪常用鑄鐵 齒輪材料的選擇 試驗(yàn)齒輪的接觸疲勞極限 試驗(yàn)齒輪的齒根彎曲疲勞極限 HIim?Flim?齒輪材料及其選擇 齒輪常用鋼及其熱處理 由齒輪失效形式可知，輪齒的工作表面應(yīng)具有較 高的抗點(diǎn)蝕、耐磨損、抗膠合和抗塑性變形的能力， 而齒根則應(yīng)具有較高的抗折斷能力。在這方面，鋼通過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚?，能夠收? 滿(mǎn)意的效果，故通常是較為理想的齒輪材料。變形鋼通常以鍛造成形方法制作毛 坯。對(duì)于直徑較大、形狀復(fù)雜、又比較重要的 齒輪，一般可采用鑄鋼，并以鑄造成形方式制作毛 坯。 齒輪材料及其選擇 鋼制齒輪常通過(guò)調(diào)質(zhì)、正火、表面淬火以及滲碳 淬火、滲氮等各種熱處理方法改善材料性能，以滿(mǎn)足 齒輪的不同工作要求。 齒輪常用鑄鐵 齒輪常用鑄鐵為灰鑄鐵和球墨鑄鐵。同時(shí)，灰鑄鐵還具有一 定的抗點(diǎn)蝕和抗膠合能力，但其抗彎強(qiáng)度低、韌性 差，因此多用于低速、無(wú)沖擊及尺寸不受限制的場(chǎng) 合。與灰鑄鐵相比，球墨 鑄鐵不僅強(qiáng)度高，且具有較強(qiáng)的抗沖擊能力。