項(xiàng)目七 齒輪傳動(dòng)（任務(wù)8）

1項(xiàng)目七齒輪傳動(dòng)

輪齒折斷

齒面磨損

齒面點(diǎn)蝕齒面膠合塑性變形

齒輪傳動(dòng)的失效主要是輪齒的失效。任務(wù)八齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)

一、齒輪失效形式失效形式-

輪齒折斷

在正常情況下，主要是齒根彎曲疲勞折斷。在輪齒受載時(shí)，齒根處產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力最大，再加上齒根過渡部分的截面突變及加工刀痕等引起的應(yīng)力集中作用，當(dāng)輪齒重復(fù)受載后，齒根處就會(huì)產(chǎn)生疲勞裂紋，并逐步擴(kuò)展，致使輪齒疲勞折斷。在輪齒受到突然過載時(shí)，也可能出現(xiàn)過載折斷或剪斷；在輪齒受到嚴(yán)重磨損后齒厚過分減薄時(shí)，也會(huì)在正常載荷作用下發(fā)生折斷。失效形式-

輪齒折斷

在斜齒圓柱齒輪（簡稱斜齒輪）傳動(dòng)中，輪齒工作面上的接觸線為一斜線，輪齒受載后，如有載荷集中時(shí)，就會(huì)發(fā)生局部折斷。若制造或安裝不良或軸的彎曲變形過大，輪齒局部受載過大時(shí)，即使是直齒圓柱齒輪（簡稱直齒輪），也會(huì)發(fā)生局部折斷。失效形式-

輪齒折斷為了提高齒輪的抗折斷能力，可采取下列措施：1）用增加齒根過渡圓角半徑及消除加工刀痕的方法來減小齒根應(yīng)力集中；2）增大軸及支承的剛性，使輪齒接觸線上受載較為均勻；3）采用合適的熱處理方法使齒芯材料具有足夠的韌性；4）采用噴丸、滾壓等工藝措施對齒根表層進(jìn)行強(qiáng)化處理。失效形式-

齒面磨損

當(dāng)嚙合齒面間落入磨料性物質(zhì)（如砂粒、鐵屑等）時(shí)，齒面即被逐漸磨損而至報(bào)廢，稱為磨粒磨損，它是開式齒輪傳動(dòng)的主要形式之一。

改用閉式齒輪傳動(dòng)是避免齒面磨粒磨損最有效的方法。失效形式-

齒面點(diǎn)蝕

點(diǎn)蝕是齒面疲勞損傷的現(xiàn)象之一。在潤滑良好的閉式齒輪傳動(dòng)中，常見的齒面失效形式多為點(diǎn)蝕。

點(diǎn)蝕是齒面材料在變化的接觸應(yīng)力作用下，由于疲勞產(chǎn)生的麻點(diǎn)狀損傷現(xiàn)象。

點(diǎn)蝕首先出現(xiàn)在靠近節(jié)線的齒根面上，再向其它部位擴(kuò)展。

速度不高的齒輪傳動(dòng)，用粘度高一點(diǎn)的油來潤滑為宜；對速度較高的齒輪傳動(dòng)（如圓周速度v>12m/s），要用噴油潤滑（同時(shí)還起散熱的作用），此時(shí)只宜用粘度低的油。開式齒輪傳動(dòng)，由于齒面磨損較快，很少出現(xiàn)點(diǎn)蝕。

失效形式-

齒面點(diǎn)蝕靠近節(jié)線處的齒根面抵抗點(diǎn)蝕的能力最差（即接觸疲勞強(qiáng)度最低）。提高齒輪材料的硬度，可以增強(qiáng)齒輪抗點(diǎn)蝕的能力。在嚙合的輪齒間加注潤滑油可以減小摩擦，減緩點(diǎn)蝕，延長齒輪的工作壽命。在合理的限度內(nèi)，潤滑油的粘度越高，效果也愈好。9失效形式-

齒面膠合

對于高速重載的齒輪傳動(dòng)（如航空發(fā)動(dòng)機(jī)減速器的主傳動(dòng)齒輪），齒面間的壓力大，瞬間溫度高，潤滑效果差，當(dāng)瞬時(shí)溫度過高時(shí)，相嚙合的兩齒面就會(huì)發(fā)生粘在一起的現(xiàn)象，由于此時(shí)兩齒面又在作相對滑動(dòng)，相粘結(jié)的部位即被撕破，于是在齒面上沿相對滑動(dòng)的方向形成傷痕，稱為膠合。傳動(dòng)時(shí)齒面瞬時(shí)溫度愈高、相對滑動(dòng)速度愈大的地方，愈易發(fā)生膠合。失效形式-

齒面膠合

有些低速重載的重型齒輪傳動(dòng)，由于齒面間的油膜遭到破壞，也會(huì)產(chǎn)生膠合失效。此時(shí)，齒面的瞬時(shí)溫度并無明顯增高，故稱為冷膠合。改善措施：加強(qiáng)潤滑措施，采用抗膠合能力強(qiáng)的潤滑油（如硫化油），在潤滑油中加入極壓添加劑等，均可防止或減輕齒面的膠合。

失效形式-

塑性變形

塑性變形屬于輪齒永久變形一大類的失效形式，是由于在過大的應(yīng)力作用下，輪齒材料處于屈服狀態(tài)而產(chǎn)生的齒面或齒體塑性流動(dòng)所形成的。

塑性變形一般發(fā)生在硬度低的齒輪上；但在重載作用下，硬度高的齒輪上也會(huì)出現(xiàn)。失效形式-

塑性變形滾壓塑變---是由于嚙合輪齒的相互滾壓與滑動(dòng)而引起的材料塑性流動(dòng)所形成的。在主動(dòng)輪的輪齒上沿相對滑動(dòng)速度為零的節(jié)線處被碾出溝槽,在從動(dòng)輪輪齒的節(jié)線處擠出脊棱。錘擊塑變---是伴有過大的沖擊而產(chǎn)生的塑性變形，特征是在齒面上出現(xiàn)淺的溝槽，且溝槽的取向與嚙合輪齒的接觸線相一致。失效形式-

塑性變形

提高輪齒齒面硬度，采用高粘度的或加有極壓添加劑的潤滑油均有助于減緩或防止輪齒產(chǎn)生塑性變形。

失效形式

提高輪齒失效抵抗能力，還有減小齒面粗糙度值，適當(dāng)選配主、從動(dòng)齒輪的材料及硬度，進(jìn)行適當(dāng)?shù)哪ズ希ㄅ芎希约斑x用合適的潤滑劑及潤滑方法等。除上述五種主要形式外，還可能出現(xiàn)齒面融化、齒面燒傷、電蝕、異物嚙入和由于不同原因產(chǎn)生的多種腐蝕和裂紋等等。普通閉式傳動(dòng)的主要失效形式為：輪齒的疲勞折斷和點(diǎn)蝕普通開式傳動(dòng)的主要失效形式為：輪齒的疲勞折斷和磨粒磨損重載且潤滑不良的主要失效形式為：輪齒的膠合和塑性變形設(shè)計(jì)齒輪傳動(dòng)時(shí)齒面具有較高的耐磨損、抗點(diǎn)蝕、抗膠合及抗塑性變形的能力；

齒根要有較高的抗折斷的能力。對輪齒材料性能的基本要求為：齒面要硬、齒芯要韌。2.齒輪的材料及其選擇原則（1）鋼

鋼材的韌性好，耐沖擊，還可以通過熱處理或化學(xué)熱處理改善其力學(xué)性能及提高齒面硬度，故最適應(yīng)于用來制造齒輪。

常用的齒輪材料17常用的齒輪材料①鍛鋼

除尺寸過大或者是結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜只宜鑄造者外，一般都用鍛鋼制造齒輪，常用的是含碳量在(0.15～0.6)%的碳鋼或合金鋼。制造齒輪的鍛鋼可分為：

軟齒面（硬度≤350HBS）：應(yīng)將齒輪毛坯經(jīng)過正火（正火）或調(diào)質(zhì)處理后切齒。切制后即為成品。其精度一般為8級，精切時(shí)可達(dá)7級。這類齒輪制造簡便、經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)效率高。

硬齒面（硬度＞350HBS）：需進(jìn)行精加工的齒輪所用的鍛鋼。需精加工的齒輪目前多是先切齒，再做表面硬化處理，最后進(jìn)行精加工，精度可達(dá)5級或4級。這類齒輪精度高，價(jià)格較貴，所以熱處理方法有表面淬火、滲碳、氮化、軟氮化及氰化等。常用的齒輪材料

合金鋼根據(jù)所含金屬的成分及性能，可分別使材料的韌性、耐沖擊、耐磨及抗膠合的性能等獲得提高，也可通過熱處理或化學(xué)熱處理改善材料的力學(xué)性能及提高齒面的硬度。對于既是高速、重載又要求尺寸小、質(zhì)量小的航空用齒輪，都用性能優(yōu)良的合金鋼（如20CrMnTi，20Cr2Ni4A等）來制造。19常用的齒輪材料②鑄鋼

鑄鋼的耐磨性及強(qiáng)度均較好，但應(yīng)經(jīng)退火及正火處理，必要時(shí)也可進(jìn)行調(diào)質(zhì)。鑄鋼常用于尺寸較大的齒輪。常用的齒輪材料（2）鑄鐵

灰鑄鐵性質(zhì)較脆，抗沖擊及耐磨性都較差，但抗膠合及抗點(diǎn)蝕的能力較好。

灰鑄鐵齒輪常用于工作平穩(wěn)、速度較低、功率不大的場合。常用的齒輪材料（3）非金屬材料

對高速輕載及精度不高的齒輪傳動(dòng)，為了降低噪聲，常用非金屬材料（如夾布膠木、尼龍等）做小齒輪，大齒輪仍用鋼或鑄鐵制造。為使大齒輪具有足夠的抗磨損及抗點(diǎn)蝕的能力，齒面的硬度應(yīng)為250～350HBS。齒輪材料的選擇原則（1）齒輪材料必須滿足工作條件的要求工作條件的要求是選擇齒輪材料時(shí)首先應(yīng)考慮的因素。齒輪材料的選擇原則（2）應(yīng)考慮齒輪尺寸的大小、毛坯成型方法及熱處理和制造工藝大尺寸的齒輪一般采用鑄造毛坯，可選用鑄鋼或鑄鐵作為齒輪材料。中等或中等以下尺寸要求較高的齒輪常選用鍛造毛坯，可選擇鍛鋼制作。尺寸較小而又要求不高時(shí)，可選用圓鋼作毛坯。齒輪表面硬化的方法有：滲碳、氮化和表面淬火。采用滲碳工藝時(shí)，應(yīng)選用低碳鋼或低碳合金鋼作齒輪材料；氮化鋼和調(diào)質(zhì)鋼能采用氮化工藝；采用表面淬火時(shí)，對材料沒有特別的要求。齒輪材料的選擇原則（3）正火碳鋼，不論毛坯的制作方法如何，只能用于制作在載荷平穩(wěn)和輕度沖擊下工作的齒輪，不能承受大的沖擊載荷；調(diào)質(zhì)碳鋼可用于制作在中等沖擊載荷下工作的齒輪。

（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）飛行器中的齒輪傳動(dòng)，要求齒輪尺寸盡可能小，應(yīng)采用表面硬化處理的高強(qiáng)度合金鋼。

齒輪材料的選擇原則（6）金屬制的軟齒面齒輪，配對兩輪齒面的硬度差應(yīng)保持為30～50HBS或更多

當(dāng)小齒輪與大齒輪的齒面具有較大的硬度差（如小齒輪齒面為淬火并磨制，大齒輪齒面為正火或調(diào)質(zhì)），且速度又較高時(shí)，較硬的小齒輪齒面對較軟的大齒輪齒面會(huì)起較顯著的冷作硬化效應(yīng)，從而提高了大齒輪齒面的疲勞極限。因此，當(dāng)配對的兩齒輪齒面具有較大的硬度差時(shí)，大齒輪的接觸疲勞許用應(yīng)力可提高約20％，但應(yīng)注意硬度高的齒面，粗糙度值也要相應(yīng)地減小。3.齒輪的結(jié)構(gòu)

（1）齒輪軸如果圓柱齒輪的齒根圓到鍵槽底面的徑向距離e≤2m，圓錐齒輪小端齒根圓到鍵槽底面的徑向距離e＜1.6m，則可將齒輪與軸做成一體，稱為齒輪軸。（2）實(shí)心式齒輪當(dāng)齒頂圓直徑da≤160mm時(shí)，可做成實(shí)心式結(jié)構(gòu)齒輪

（3）腹板式齒輪當(dāng)齒頂圓直徑da≤500mm時(shí)，為了減少質(zhì)量和節(jié)約材料，通常要用腹板式結(jié)構(gòu)。應(yīng)用最廣泛的是鍛造腹板式齒輪，對以鑄鐵或鑄鋼為材料的不重要齒輪，則采用鑄造腹板式齒輪。（4）輪輻式齒輪當(dāng)齒輪直徑較大，如da=400～1000mm，多采用輪輻式的鑄造結(jié)構(gòu)。輪輻剖面形狀可以是橢圓形(輕載)、T字形(中載)及工字形(重載)等，圓錐齒輪的輪輻剖面形狀只用T字形。31二、圓柱齒輪傳動(dòng)的受力分析1.輪齒的受力分析

齒輪傳動(dòng)一般均加以潤滑，嚙合輪齒間的摩擦力通常很小，計(jì)算輪齒受力時(shí)，可不予考慮。圓周力：徑向力：法向力：

－－為小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩（N·mm）。式中：－－為小齒輪的節(jié)圓直徑，對標(biāo)準(zhǔn)齒輪是分度圓直徑（mm）。

用集中作用于分度圓上齒寬中點(diǎn)處的法向力代替輪齒所受的分布力，將分解，得：－－嚙合角，對標(biāo)準(zhǔn)齒輪為20度。主動(dòng)輪的方向與其轉(zhuǎn)向相反；從動(dòng)輪的方向與其轉(zhuǎn)向相同。徑向力Fr的方向指向各自的輪心（外齒輪）。從動(dòng)輪輪齒上的各力分別與主動(dòng)輪大小相等，方向相反。T1—主動(dòng)齒輪傳遞的名義轉(zhuǎn)矩，單位為N·mm。主動(dòng)輪傳遞功率為P1(kW),轉(zhuǎn)速為n1(r/min)

作用在主動(dòng)輪和從動(dòng)輪上的各對分力等值反向。例題1已知一對嚙合標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪，主動(dòng)輪1傳遞功率為10KW，轉(zhuǎn)速n1=400r/min，主動(dòng)輪齒數(shù)z1=20，模數(shù)為m=5mm。求：（1）繪制齒輪受力圖；（2）主動(dòng)輪和從動(dòng)輪法向力、圓周力、徑向力大小。Fnc=KFn

齒輪傳動(dòng)在工作時(shí)，由于原動(dòng)機(jī)和工作機(jī)的工作特性不同，會(huì)產(chǎn)生附加的動(dòng)載荷。齒輪、軸、軸承的加工、安裝誤差及彈性變形會(huì)引起載荷集中，使實(shí)際載荷增加。

考慮各種實(shí)際情況，通常用計(jì)算載荷Fnc取代名義載荷Fn，即K—載荷系數(shù)Fn—名義載荷齒面接觸線上的法向載荷Fn

2.計(jì)算載荷3.齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算

同一齒面齒根面先發(fā)生點(diǎn)蝕，然后擴(kuò)展到齒頂面，亦即齒頂面比齒根面具有較高的接觸疲勞強(qiáng)度。

為計(jì)算方便，通常即以節(jié)點(diǎn)嚙合為代表進(jìn)行齒面的接觸強(qiáng)度計(jì)算。設(shè)計(jì)計(jì)算公式校核計(jì)算公式

σH=

設(shè)計(jì)計(jì)算公式校核計(jì)算公式

標(biāo)準(zhǔn)直齒輪ZH＝2.5(Mpa)

若兩齒輪材料都選用鋼時(shí)，可得一對鋼齒輪的齒面接觸強(qiáng)度的校核公式和設(shè)計(jì)公式分別為：設(shè)計(jì)公式K―載荷系數(shù)；T1―小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩（N·㎜）；u―大齒輪齒數(shù)與小齒輪齒數(shù)之比；

b―齒輪寬度（㎜）；

d1―小齒輪的分度圓直徑（㎜）

±—“+”用于外嚙合，“－”用于內(nèi)嚙合；

校核公式—齒寬系數(shù)，4.齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算

輪齒在受載時(shí)，齒根所受的彎矩最大，因此齒根處的彎曲疲勞強(qiáng)度最弱。齒根所受的最大彎矩發(fā)生在輪齒嚙合點(diǎn)位于單對齒嚙合區(qū)最高點(diǎn)。這種算法比較復(fù)雜，通常只用于高精度的齒輪傳動(dòng)（如6級精度以上的齒輪傳動(dòng)）。對于制造精度較低的齒輪傳動(dòng)（如7，8，9級精度），由于制造誤差大，實(shí)際上多由在齒頂處嚙合的輪齒分擔(dān)較多的載荷，為便于計(jì)算，通常按全部載荷作用于齒頂來計(jì)算齒根的彎曲強(qiáng)度。采用這樣的算法，齒輪的彎曲強(qiáng)度比較富裕。將輪齒簡化為懸臂梁。按30°切線法確定齒根危險(xiǎn)截面。按在齒頂嚙合計(jì)算齒根應(yīng)力。設(shè)計(jì)計(jì)算公式校核計(jì)算公式

5.齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算說明

按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，應(yīng)將較小者代入計(jì)算

因配對齒輪的接觸應(yīng)力相同，即σH1=σH2,故應(yīng)將較小者代入公式進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)配對兩齒輪的齒面均屬硬齒面時(shí)，兩輪的材料，熱處理方法及硬度均可取成一樣的。設(shè)計(jì)這種齒輪傳動(dòng)時(shí)，可分別按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度及齒面接觸疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式進(jìn)行計(jì)算，并取其中大者作為設(shè)計(jì)結(jié)果。齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇

壓力角α的選擇

增大壓力角α,輪齒的齒厚及節(jié)點(diǎn)處的齒廓曲率半徑亦皆隨之增加，有利于提高齒輪傳動(dòng)的彎曲強(qiáng)度及接觸強(qiáng)度。我國對一般用途的齒輪傳動(dòng)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)壓力角為α=20°。為增強(qiáng)航空用齒輪傳動(dòng)的彎曲強(qiáng)度及接觸強(qiáng)度，我國航空齒輪傳動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了α=25°的標(biāo)準(zhǔn)壓力角。對重合度接近2的高速齒輪傳動(dòng)，推薦采用齒頂高系數(shù)為1～1.2，壓力角為16°～18°的齒輪，這樣做可增加輪齒的柔性，降低噪聲和動(dòng)載荷。

齒數(shù)z的選擇閉式齒輪傳動(dòng)一般轉(zhuǎn)速較高，為了提高傳動(dòng)的平穩(wěn)性，減小沖擊振動(dòng)，以齒數(shù)多一些為好。小齒輪的齒數(shù)可取為z1=20～40。開式(半開式)齒輪傳動(dòng)，由于輪齒主要為磨損失效，為使輪齒不至過小，故小齒輪不宜選用過多的齒數(shù)，一般可取z1=17～20。為使輪齒免于根切，對于α=20°的標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪，應(yīng)取z1≥17。齒數(shù)比可確定大齒輪齒數(shù)，為了使磨損均勻，傳動(dòng)平穩(wěn)，齒數(shù)一般取互為質(zhì)數(shù)。齒寬系數(shù)φd的選擇輪齒愈寬，承載能力愈高；但增大齒寬又會(huì)使齒面上的載荷分布趨不均勻，故齒寬系數(shù)應(yīng)取得適當(dāng)。對于標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒輪減速器，齒寬系數(shù)取為，所以對于外嚙合齒輪傳動(dòng)：。

φa的值規(guī)定為0.2,0.25,0.30,0.40,0.50,0.60,0.80,1.0,1.2。運(yùn)用設(shè)計(jì)計(jì)算公式時(shí)，對于標(biāo)準(zhǔn)減速器，可先選定φa后再用上式計(jì)算出相應(yīng)的φd值。

圓柱齒輪的計(jì)算齒寬b=φdd1，并加以圓整。為了防止兩齒輪因裝配后軸向稍有錯(cuò)位而導(dǎo)致嚙合齒寬減小，常把小齒輪的齒寬在計(jì)算齒寬b的基礎(chǔ)上人為地加寬約5～10mm。推薦用的齒輪的疲勞極限是用m=3～5mm、α=20°、b=10～50mm、v=10m/s、Ra約為0.8的直齒圓柱齒輪副試件，按失效概率為1%，經(jīng)持久疲勞試驗(yàn)確定的。對一般的齒輪傳動(dòng)，因絕對尺寸、齒面粗糙度、圓周速度及潤滑等對實(shí)際所用齒輪的疲勞極限的影響不大，通常都不予考慮，故只要考慮應(yīng)力循環(huán)次數(shù)對疲勞極限的影響即可。齒輪傳動(dòng)的許用應(yīng)力齒輪的許用應(yīng)力[σ]按下式計(jì)算：

S—疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)。KN—考慮應(yīng)力循環(huán)次數(shù)影響的系數(shù)，稱為壽命系數(shù)。N＝60njLh。σlim—齒輪的疲勞極限。彎曲疲勞強(qiáng)度極限值用σFE帶入；接觸疲勞強(qiáng)度極限值σHlim。三、齒輪傳動(dòng)精度計(jì)算法：精度等級類比法：經(jīng)驗(yàn)分析表7-4、7-5精度等級：0-1213個(gè)精度等級精度高精度低1.齒輪傳動(dòng)的潤滑方式開式及半開式齒輪傳動(dòng)，或速度較低的閉式齒輪傳動(dòng)通常用人工周期性加油潤滑，所用潤滑劑為潤滑油或潤滑脂。閉式齒輪傳動(dòng)齒輪的圓周速度v<12m/s多級齒輪傳動(dòng)中齒輪的圓周速度v>12m/s四、齒輪傳動(dòng)的潤滑與維護(hù)齒輪材料抗拉強(qiáng)度圓周速度v/(m/s)＜0.50.5～11～2.52.5～55～12.512.5～25＞25運(yùn)動(dòng)粘度ν（mm/s）