齒輪傳動(機制)

齒輪傳動

齒輪傳動是機械傳動中最主要的一種傳動方式,

是一種傳動比準(zhǔn)確的嚙合傳動,

傳遞功率、速度范圍很寬，所以應(yīng)用范圍很廣。

本章介紹基于承載能力計算的齒輪設(shè)計方法。設(shè)計的基本內(nèi)容就是如何確定齒輪的基本參數(shù)和主要幾何尺寸。齒輪傳動第一節(jié)概述第二節(jié)齒輪傳動的失效形式及設(shè)計準(zhǔn)則第三節(jié)齒輪的材料及其選擇原則第四節(jié)齒輪傳動的計算載荷第五節(jié)標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪傳動的強度計算第六節(jié)齒輪傳動的設(shè)計參數(shù)、許用應(yīng)力與精度選擇第七節(jié)標(biāo)準(zhǔn)斜齒圓柱齒輪傳動的強度計算第八節(jié)標(biāo)準(zhǔn)錐齒輪傳動的強度計算第十一節(jié)齒輪傳動的潤滑第十節(jié)齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計

齒輪傳動設(shè)計中的基本問題

齒輪傳動類型

第一節(jié)概述

齒輪傳動設(shè)計中的基本問題

齒輪傳動的類型很多，用途各異，但是從傳遞運動和動力的要求出發(fā)，各種齒輪傳動都必須解決兩個基本問題：⑴傳動平穩(wěn)保證瞬時傳動比恒定，以盡可能減小齒輪嚙合中的沖擊、振動和噪聲。⑵足夠的承載能力在尺寸和質(zhì)量較小的前提下，保證正常使用所需的強度、耐磨性等方面的要求。

閉式齒輪傳動按工作條件分

開式齒輪傳動齒輪傳動

軟齒面（硬度≤350HBS）齒輪傳動

按齒面硬度分

硬齒面（硬度＞350HBS）齒輪傳動齒輪傳動類型輪齒折斷齒輪傳動的失效形式：第二節(jié)齒輪傳動的失效形式和設(shè)計準(zhǔn)則齒面塑性變形齒面磨損齒面膠合齒面疲勞點蝕輪齒折斷

輪齒折斷一般發(fā)生在齒根部分，因為輪齒受力時齒根彎曲應(yīng)力最大，而且有應(yīng)力集中。輪齒因短時意外的嚴重過載而引起的突然折斷，稱為過載折斷。在載荷的多次重復(fù)作用下，彎曲應(yīng)力超過彎曲疲勞極限時，齒根部分將產(chǎn)生疲勞裂紋，裂紋的逐漸擴展，最終將引起輪齒折斷，這種折斷稱為疲勞折斷。輪齒工作時，其工作表面上任一點所產(chǎn)生的接觸應(yīng)力是按脈動循環(huán)變化的。若齒面接觸應(yīng)力超出材料的接觸疲勞極限時，在載荷的多次重復(fù)作用下，齒面表層就會發(fā)生疲勞點蝕。疲勞點蝕首先出現(xiàn)在齒根表面靠近節(jié)線處。齒面抗點蝕能力主要與齒面硬度有關(guān)，齒面硬度越高，抗點蝕能力越強。2.齒面點蝕

軟齒面(HBS≤350)的閉式齒輪傳動常因齒面點蝕而失效。齒面膠合

在高速重載的齒輪傳動中，常因嚙合處的高壓接觸使溫升過高，破壞了齒面的潤滑油膜，造成潤滑失效，致使兩齒輪齒面金屬直接接觸，以致局部金屬粘結(jié)在一起。隨著傳動過程的繼續(xù)，較硬金屬齒面將較軟的金屬表層沿滑動方向撕劃出溝槽，這種現(xiàn)象稱為齒面膠合。

對于低速重載傳動，由于油膜不易形成，也可能發(fā)生膠合失效。

提高齒面硬度、降低粗糙度值；選用抗膠合性能好的齒輪副材料和用抗膠合能力強的潤滑油；減小模數(shù)、降低齒數(shù)以降低滑動速度等，均可防止或減輕輪齒的膠合。

齒面磨損在開式傳動中，由于輪齒外露，灰塵、硬屑粒等磨粒性物質(zhì)容易進入嚙合區(qū)，引起磨粒磨損。齒面磨損后，正確齒形遭到破壞，齒側(cè)間隙增大，齒厚減薄，引起沖擊和振動，最終導(dǎo)致輪齒因強度不夠而折斷。齒面塑性變形

軟齒面齒輪在低速重載或有短時過載的傳動中，由于摩擦力的作用可能出現(xiàn)齒面表層金屬沿滑動方向流動而發(fā)生塑性變形。齒面發(fā)生塑性變形后，主動輪齒廓在節(jié)線附近出現(xiàn)凹坑，而從動輪齒廓在節(jié)線附近出現(xiàn)凸起，從而破壞了正確的齒形，降低了傳動質(zhì)量。齒體的塑性變形，輪齒歪斜輪齒表面材料流動情況齒面疲勞點蝕齒面膠合齒面磨損齒面塑性變形輪齒折斷失效形式設(shè)計準(zhǔn)則齒面疲勞點蝕齒面接觸疲勞強度準(zhǔn)則輪齒折斷齒根彎曲疲勞強度準(zhǔn)則齒面接觸疲勞強度計算齒根彎曲疲勞強度計算對齒輪材料的基本要求是：一、鋼材優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼。常用的熱處理方法：1、表面淬火2、滲碳淬火3、調(diào)質(zhì)4、正火5、滲氮二、鑄鐵三、非金屬材料齒面要硬，齒芯要韌。第三節(jié)齒輪的材料及其選擇原則一般用于中碳鋼和中碳合金鋼，如45、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。1.表面淬火2.滲碳淬火滲碳鋼為含碳量0.15~0.25%的低碳鋼和低碳合金鋼，如20、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。調(diào)質(zhì)一般用于中碳鋼和中碳合金鋼，如45、40Cr等。調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度為：241~286HBS。因為硬度不高，故可在熱處理后精切齒形3.調(diào)質(zhì)4.正火滲氮是一種化學(xué)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(nèi)齒輪。5.滲氮正火處理后齒面硬度為：147~217HBS正火能消除內(nèi)應(yīng)力、細化晶粒、改善力學(xué)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。特點及應(yīng)用：調(diào)質(zhì)、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(dāng)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,硬度差

30~50HBS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，常用于結(jié)構(gòu)緊湊的場合。齒輪材料的選擇原則選擇材料時，要從齒輪的工作條件、制造工藝性和經(jīng)濟性等方面考慮。1.選擇材料要滿足齒輪工作條件的要求

一般地說，工作速度較高的閉式齒輪傳動，齒輪容易發(fā)生齒面點蝕或膠合，應(yīng)選擇能夠提高齒面硬度的中碳或者中碳合金鋼，如：45、40Cr等，并進行表面淬火處理；中速中載齒輪傳動，可選擇綜合性能較好的調(diào)質(zhì)鋼，如：45、40Cr鋼等調(diào)質(zhì)。受沖擊載荷的齒輪，應(yīng)選擇齒面硬、且齒心韌性較好的滲碳鋼，如：20Cr或20CrMnTi，并進行滲碳淬火處理。一般講，重要的或結(jié)構(gòu)要求緊湊的齒輪傳動，應(yīng)當(dāng)選擇較好的材料，如合金鋼。

開式齒輪傳動的潤滑條件較差，其主要失效形式為齒面磨粒磨損，應(yīng)當(dāng)選擇減摩、耐磨性較好的材料。在速度較低且傳動比較平穩(wěn)時，可選用鑄鐵或采用鋼與鑄鐵搭配。此外，對于高速輕載的齒輪，為了降低噪聲，通?？蛇x用非金屬材料。齒輪中材料的搭配

一般地說，對于標(biāo)準(zhǔn)齒輪傳動，小齒輪齒根較弱而且受力次數(shù)又多，故應(yīng)使其材料的強度和耐磨性比大齒輪要高一些。對于軟齒面齒輪傳動，通常其小齒輪硬度要比大齒輪高出20～50HBS，且傳動比越大，其硬度差也應(yīng)越大。

當(dāng)一對齒輪采用軟、硬齒面搭配時，經(jīng)過磨制的硬齒面小齒輪，對于軟齒面大齒輪，通過輾壓作用產(chǎn)生冷作硬化現(xiàn)象，從而可以提高大齒輪齒面的疲勞強度。對于高速齒輪傳動，為了防止發(fā)生齒面膠合，除了要重視潤滑和散熱條件以外，在選擇齒輪材料時，還應(yīng)從摩擦學(xué)的角度來認識。一般認為，提高齒面硬度差有利于防止膠合發(fā)生。相反，一對齒輪的材料硬度、成分和內(nèi)部組織越接近，則對于防止膠合的發(fā)生越不利。●直徑在400mm以下的齒輪，一般毛坯需經(jīng)鍛造加工，可采用變形鋼。直徑在400mm以上的齒輪，因一般鍛壓設(shè)備不便加工，常采用鑄造成形毛坯，故宜選用鑄鋼或鑄鐵。對于單件或小批量生產(chǎn)的直徑較大的齒輪，采用焊接方法制作毛坯，可以縮短生產(chǎn)周期，降低齒輪的制造成本。2.選擇材料要考慮齒輪毛坯的成形方法、熱處理●當(dāng)齒輪材料的熱處理選擇調(diào)質(zhì)、正火或表面淬火時，常采用中碳鋼或中碳合金鋼。3.選擇材料要考慮齒輪生產(chǎn)的經(jīng)濟性在滿足使用要求的前提下，選擇材料必須注意降低齒輪生產(chǎn)的總成本。●通常碳鋼和鑄鐵材料的價格較低，且具有較好的工藝性，因此在滿足使用要求的前提下，應(yīng)優(yōu)先選用。一對標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪按標(biāo)準(zhǔn)中心距安裝，其齒廓在節(jié)點C接觸。沿嚙合線N1N2方向垂直作用于齒面的力Fn--第四節(jié)齒輪傳動的計算載荷一、輪齒的受力分析Fn2Fn1Fn分解為兩個互相垂直的分力，即圓周力Ft和徑向力Fr法向力Fn1Ft1Fr1Ft2Fr2（標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪）力的大?。毫Φ姆较颍号c本身的轉(zhuǎn)向相反與本身的轉(zhuǎn)向相同均指向各自的輪心圓周力：徑向力：法向力：一對相嚙合直齒圓柱齒輪力的關(guān)系：二、計算載荷名義載荷圓周力：徑向力：法向力：計算載荷圓周力：徑向力：法向力：齒輪傳動承載能力是根據(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，輪齒的主要失效形式是齒面接觸疲勞點蝕和輪齒彎曲疲勞折斷。因此，目前只按如下兩個準(zhǔn)則進行齒輪傳動承載能力的計算。齒面接觸疲勞強度計算

以限制齒面最大接觸應(yīng)力不大于齒輪材料的許用接觸應(yīng)力為強度準(zhǔn)則，來針對齒面點蝕失效形式。齒根彎曲疲勞強度計算

以限制齒根最大彎曲應(yīng)力不大于齒輪材料的許用彎曲應(yīng)力為強度準(zhǔn)則，來針對輪齒折斷失效形式。第五節(jié)標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪傳動的強度計算齒面接觸疲勞強度計算公式校核計算公式設(shè)計計算公式(10-8)(10-9)ZE

—彈性影響系數(shù)表10-6ZH—區(qū)域系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)齒輪ZH

＝2.5u—齒數(shù)比“+”—用于外嚙合“-”—用于內(nèi)嚙合—齒寬系數(shù)表10-7—許用接觸應(yīng)力T1—小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩K－載荷系數(shù)齒面接觸疲勞強度計算說明⒈配對齒輪σH1σH2設(shè)計時取[σH1]與[σH2]的較小者代入設(shè)計公式2.3.當(dāng)一對齒輪的材料、傳動比及齒寬系數(shù)一定時，影響齒面接觸強度的主要因素是齒輪直徑。分度圓直徑d1、d2分別相等的兩對齒輪，不論其模數(shù)是否相等，均具有相同的由接觸強度所決定的承載能力，模數(shù)m不能作為衡量齒輪接觸強度的依據(jù)。4.試選Kt－d1t－K－＝齒根彎曲疲勞強度計算公式校核計算公式設(shè)計計算公式(10-5a)(10-5)YFa—齒形系數(shù)，查表10-5Ysa—應(yīng)力校正系數(shù)，查表10-5Z1－小齒輪齒數(shù)m－齒輪模數(shù)－齒輪許用彎曲應(yīng)力

2.

[σF1]與[σF2]不同→設(shè)計取

比值YF1YS1

／[σF1]與YF2YS2

／[σF2]

的代入。齒根彎曲疲勞強度計算說明⒈配對齒輪σF1σF2因Z1≠Z2→YF1YS1與YF2YS2不同較大者3.當(dāng)一對齒輪的材料、齒數(shù)及齒寬系數(shù)一定時，影響齒輪彎曲疲勞強度的主要因素是模數(shù)。模數(shù)愈大，齒輪彎曲疲勞強度愈高。4.試選Kt－mt

－K－第六節(jié)齒輪傳動的設(shè)計參數(shù)、許用應(yīng)力與精度選擇一、齒輪傳動設(shè)計參數(shù)的選擇二、齒輪的許用應(yīng)力三、齒輪精度的選擇一、齒輪傳動設(shè)計參數(shù)的選擇齒寬系數(shù)齒寬系數(shù)分度圓直徑b載荷沿齒寬分布的不均現(xiàn)象也越嚴重齒寬系數(shù)的選擇應(yīng)當(dāng)適當(dāng)。對于一般用途的齒輪，建議按表10-7選取。z1z1z2z2b1>b2=bb2>b1=b=b+5~10b1=bb22.小齒輪齒數(shù)Z1齒數(shù)重合度有利于齒輪傳動的工作平穩(wěn)性一定時，齒數(shù)齒高縮小毛坯直徑、減少金屬切削量、降低齒輪制造成本減小滑動系數(shù)，有利于提高輪齒的耐磨損、抗膠合能力當(dāng)齒輪傳動的承載能力主要取決于齒面接觸強度時，如閉式軟齒面齒輪傳動，可選取較多的齒數(shù)，通常取z1＝20～40當(dāng)齒輪傳動的承載能力主要取決于輪齒的抗彎強度時，如硬齒面或開式齒輪傳動，為了使傳動尺寸不致于過大，應(yīng)選取較少的齒數(shù)，一般可取z1＝17～20二、齒輪的許用應(yīng)力kN×⑴安全系數(shù)S接觸：S=SH

=1彎曲:S=SF=1.25--1.5⑵齒輪的疲勞極限σlim

：接觸：σHlim_

依材料、熱處理、硬度查圖10-21彎曲:σFE

依材料、熱處理、硬度查圖10-20⑶壽命系數(shù)KN——考慮應(yīng)力循環(huán)次數(shù)影響接觸：KHN——由N查圖10-19彎曲:KFN

——由N查圖10-18

N=60n

jLh

n——齒輪的轉(zhuǎn)速（r／min）

j——齒輪轉(zhuǎn)一周時，同一齒面參加嚙合的次數(shù)

Lh——齒輪的工作壽命

Lh=年數(shù)×300×班數(shù)×8（h）kN×三、齒輪精度的選擇

高→低

1，2，3，4,5，6，7，8，9，10，11，12

遠等級常用

閉式直齒輪傳動的設(shè)計步驟1.選材料、熱處理、精度等級及齒數(shù)2.按齒面接觸疲勞強度設(shè)計公式計算（d1）3.按齒根彎曲疲勞強度設(shè)計公式計算（m）4.齒輪幾何尺寸計算

5.齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計及繪制零件圖第七節(jié)斜齒圓柱齒輪傳動的強度計算Fn2Fn1Fn1Fr1一、輪齒上的作用力d12βF’F’ββF’一、輪齒上的作用力ω1T1圓周力：徑向力：軸向力：輪齒所受總法向力Fn可分解為三個分力:圓周力Ft的方向在主動輪上與運動方向相反，在從動論上與運動方向相同；徑向力指向各自的軸心；軸向力的方向由螺旋方向和輪齒工作面而定。Fr1Ft1Ft1長方體底面長方體對角面即輪齒法面F’=Ft1/cosβ

Fr1=

F’tgαn

αnFr1Fn1F’αnFn1cFa1Fa1Fn1Fr1輪齒所受總法向力Fn可分解為互相垂直的三個分力：圓周力Ft徑向力Fr和軸向力Fa，其數(shù)值的計算公式可由圖導(dǎo)出：

總法向力Fn為各分力的方向如下：主動輪圓周力Ft1的方向與轉(zhuǎn)動方向相反；從動輪Ft2的方向與轉(zhuǎn)動方向相同。徑向力Fr1

、Fr2的方向分別指向各自輪心。主動輪軸向力Fa1的方向根據(jù)主動輪螺旋方向和回轉(zhuǎn)方向用左(右)手定則判斷。從動輪軸向力Fa2與Fa1相反齒面接觸疲勞強度計算公式：

二、強度計算驗算式設(shè)計式是齒輪的端面重合度，查圖10-26(10-20)(10-21)ZH－區(qū)域系數(shù)，查圖10-30

驗算式：設(shè)計式：齒根彎曲疲勞強度計算公式：(10-16)(10-17)是法面模數(shù)；是齒形系數(shù)，根據(jù)當(dāng)量齒數(shù)查表10-5；是應(yīng)力校正系數(shù)，根據(jù)當(dāng)量齒數(shù)查表10-5；是螺旋角影響系數(shù)查圖10-28；第八節(jié)標(biāo)準(zhǔn)直齒錐齒輪傳動的強度計算

錐齒輪用于相交軸之間的傳動。兩軸交角∑大多為90°，即兩軸垂直相交傳動形式。直齒錐齒輪傳動的設(shè)計、制造比較簡單。但由于制造精度普遍較低，工作中振動和噪聲較大，故速度不宜過高，一般用于圓周速度v＜5m/s場合。圓錐齒輪的特點及應(yīng)用Fn1Fr1Fa1Ft1Ft1Fa1⊙Fr1Fa2Fr2Ft2圓錐齒輪的受力分析圓周力方向：在主動輪上，

與其回轉(zhuǎn)方向相反；在從動輪上，

與其回轉(zhuǎn)方向相同。徑向力方向：沿徑向分別指向各自輪心。軸向力方向：沿軸向分別指向各自大端。對于兩軸交角∑=90°的直齒錐齒輪傳動，其各分力之間有如下關(guān)系：（負號表示力的指向相反）

圓錐齒輪的受力分析第十節(jié)齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計圓柱齒輪的結(jié)構(gòu)1、齒輪軸齒輪與軸制