机械设计齿轮传动.doc

第六章 齿轮传动 案例导入：通过对减速器的设计，导入齿轮传动设计计算的重要性，提出齿轮传动的类型和基本要求、啮合特点、选型、材料及热处理方法，从齿轮传动的失效形式引出强度的设计准则和计算方法。 第一节 齿轮传动的失效形式和设计准则 一、齿轮传动的失效形式 齿轮传动是靠齿与齿的啮合进行工作的，轮齿是齿轮直接参与工作的部分，所以齿轮的失效主要发生在轮齿上。主要的失效形式有轮齿折断、齿面点蚀、齿面磨损、齿面胶合以及塑性变形等。 1.轮齿折断 轮齿折断通常有两种情况：一种是由于多次重复的弯曲应力和应力集中造成的疲劳折断；另一种是由于突然产生严重过载或冲击载荷作用引起的过载折断。尤其是脆性材料（铸铁、淬火钢等）制成的齿轮更容易发生轮齿折断。两种折断均起始于轮齿受拉应力的一侧，如图6-1所示。 增大齿根过渡圆角半径、改善材料的力学性能、降低表面粗糙度以减小应力集中，以及对齿根处进行强化处理（如喷丸、滚挤压）等，均可提高轮齿的抗折断能力。 2.齿面点蚀 轮齿工作时，齿面啮合处在交变接触应力的多次反复作用下，在靠近节线的齿面上会产生若干小裂纹。随着裂纹的扩展，将导致小块金属剥落，这种现象称为齿面点蚀，如图6-2所示。齿面点蚀的继续扩展会影响传动的平稳性，并产生振动和噪声，导致齿轮不能正常工作。 点蚀是润滑良好的闭式齿轮传动常见的失效形式。开式齿轮传动，由于齿面磨损较快，很少出现点蚀。 提高齿面硬度和降低表面粗糙度值，均可提高齿面的抗点蚀能力。 3.齿面磨损 轮齿啮合时，由于相对滑动，特别是外界硬质微粒进入啮合工作面之间时，会导致轮齿表面磨损。齿面逐渐磨损后，齿面将失去正确的齿形（图6-3），严重时导致轮齿过薄而折断，齿面磨损是开式齿轮传动的主要失效形式。 为了减少磨损，重要的齿轮传动应采用闭式传动，并注意润滑。 4.齿面胶合 在高速重载的齿轮传动中，齿面间的压力大，温升高，润滑效果差，当瞬时温度过高时，将使两齿面局部熔融、金属相互粘连，当两齿面作相对运动时，粘住的地方被撕破，从而在齿面上沿着滑动方向形成带状或大面积的伤痕（图6-4），低速重载的传动不易形成油膜，摩擦发热虽不大，但也可能因重载而出现冷胶合。 采用粘度较大或抗胶合性能好的润滑油，降低表面粗糙度以形成良好的润滑条件；提高齿面硬度等均可增强齿面的抗胶合能力。 5.齿面塑性变形 硬度较低的软齿面齿轮，在低速重载时，由于齿面压力过大，在摩擦力作用下，齿面金属产生塑性流动而失去原来的齿形（图6-5） 提高齿面硬度和采用粘度较高的润滑油，均有助于防止或减轻齿面塑性变形。 二、设计准则 齿轮传动的失效形式不大可能同时发生，但却是互相影响的。例如齿面的点蚀会加剧齿面的磨损，而严重的磨损又会导致轮齿折断。在一定条件下，由于上述第1、2种失效形式是主要的。因此，设计齿轮传动时，应根据实际工作条件分析其可能发生的主要失效形式，以确定相应的设计准则。 对于软齿面（硬度≤350HBS）的闭式齿轮传动，润滑条件良好，齿面点蚀将是主要的失效形式，在设计时，通常按齿面接触疲劳强度设计，再按齿根弯曲疲劳强度校核。 对于硬齿面（硬度＞350HBS）的闭式齿轮传动，抗点蚀能力较强，轮齿折断的可能性大，在设计计算时，通常按齿根弯曲疲劳强度设计，再按齿面接触疲劳强度校核。 开式齿轮传动，主要失效形式是齿面磨损。但由于磨损的机理比较复杂，目前尚无成熟的设计计算方法。故只能按齿根弯曲疲劳强度计算，用增大模数10%~20%的办法来考虑磨损的影响。 第二节 齿轮常用材料及热处理 由轮齿失效形式可知，选择齿轮材料时，应考虑以下要求：轮齿的表面应有足够的硬度和耐磨性，在循环载荷和冲击载荷作用下，应有足够的弯曲强度。即齿面要硬，齿芯要韧，并具有良好的加工性和热处理性。 制造齿轮的材料主要是各种钢材，其次是铸铁，还有其它非金属材料。 一、钢 钢材可分为锻钢和铸钢两类，只有尺寸较大（d ＞400~600mm）, 结构形状复杂的齿轮宜用铸钢外，一般都用锻钢制造齿轮。 软齿面齿轮多经调质或正火处理后切齿，常用45、40Cr等。因齿面硬度不高，易制造，成本低，故应用广，常用于对尺寸和重量无严格限制的场合。 由于在啮合过程中，小齿轮的轮齿接触次数比大齿轮多。因此，若两齿轮的材料和齿面硬度都相同时，则一般小齿轮的寿命较短。为了使大、小齿轮的寿命接近，应使小齿轮的齿面硬度比大齿轮的高出30~50HBS。对于高速、重载或重要的齿轮传动，可采用硬齿面齿轮组合，齿面硬度可大致相同。 二、铸铁 由于铸铁的抗弯和耐冲击性能都比较差，因此主要用于制造低速、不重要的开式传动、功率不大的齿轮。常用材料有HT250、HT300等。 非金属材料 对高速、轻载而又要求低噪音的齿轮传动，也可采用非金属材料，加夹布胶木、尼龙等。常用