《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》第五版齒輪傳動(dòng)

第4章齒輪傳動(dòng)第4章齒輪傳動(dòng)1．了解齒輪傳動(dòng)特點(diǎn)、分類；2．掌握齒輪傳動(dòng)的主要失效形式及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；3.了解常用齒輪材料及熱處理方法；4.掌握齒輪傳動(dòng)的受力分析、強(qiáng)度計(jì)算方法及主要參數(shù)的選擇；5.了解齒輪傳動(dòng)潤(rùn)滑及齒輪結(jié)構(gòu)。重點(diǎn)與難點(diǎn)

齒輪傳動(dòng)的受力分析、強(qiáng)度計(jì)算。教學(xué)基本要求

4.1概述4.1.1齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)（1）效率高（2）結(jié)構(gòu)緊湊（3）工作可靠、壽命長(zhǎng)（4）傳動(dòng)比準(zhǔn)確、恒定（5）適用的速度和功率范圍廣（6）要求加工精度和安裝精度較高，制造時(shí)需要專用工具和設(shè)備，因此成本比較高（7）不宜在兩軸中心距很大的場(chǎng)合使用。4.1.2齒輪傳動(dòng)的分類按齒廓曲線漸開線、圓弧、擺線按嚙合位置外嚙合、內(nèi)嚙合按齒輪外形直齒、斜齒、人字齒、曲（線）齒按兩軸相互位置平行軸、相交軸、交錯(cuò)軸按工作條件分類①閉式齒輪傳動(dòng)齒輪傳動(dòng)封閉在箱體內(nèi)，具有良好的潤(rùn)滑條件，能防塵。②開式齒輪傳動(dòng)齒輪外露，潤(rùn)滑條件差，不能防塵。③半開式齒輪傳動(dòng)齒輪在護(hù)罩內(nèi)，但不密封，可以設(shè)置油池潤(rùn)滑，潤(rùn)滑條件較好；亦有的僅把齒輪罩上，只起防塵作用，潤(rùn)滑條件較差。按齒輪齒面硬度分類①軟齒面齒輪齒面硬度≤350HBS的齒輪(或38HRC)。①硬齒面齒輪齒面硬度＞350HBS的齒輪(或38HRC)。4.2齒輪傳動(dòng)的失效形式及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

1輪齒折斷產(chǎn)生原因:齒根彎曲應(yīng)力大齒根應(yīng)力集中折斷類型:

疲勞折斷—齒根應(yīng)力集中、交變載荷反復(fù)作用、疲勞裂紋擴(kuò)展突然折斷—脆性材料、沖擊或過(guò)載變形折斷—制造或安裝不準(zhǔn)確，以及軸的變形引起發(fā)生部位：輪齒根部(全齒折斷)、缺角(斜齒輪局部折斷)防止折斷措施:

增大齒根過(guò)渡圓角、消除加工刀痕

減小應(yīng)力集中

增大軸及支承的剛性,受載均勻

合適熱處理

齒芯具有足夠韌性、表面強(qiáng)化2齒面點(diǎn)蝕產(chǎn)生原因:輪齒在節(jié)圓附近一對(duì)齒受力，載荷大滑動(dòng)速度低形成油膜條件差接觸疲勞產(chǎn)生麻點(diǎn)發(fā)生部位：偏向齒根的節(jié)線附近閉式齒輪傳動(dòng)的主要破壞形式點(diǎn)蝕后果：輕者振動(dòng)噪音，重者不能工作防止點(diǎn)蝕措施：增加齒面硬度、降低粗糙度、合理選用潤(rùn)滑油粘度輪齒工作面某一固定點(diǎn)受到近似脈動(dòng)的變應(yīng)力作用，由于疲勞而產(chǎn)生的麻點(diǎn)狀剝蝕損傷的現(xiàn)象。3齒面膠合產(chǎn)生原因:高速重載；散熱不良；相對(duì)滑動(dòng)速度大，致使溫度高、潤(rùn)滑失效膠合后果：產(chǎn)生振動(dòng)、噪聲，不能工作防止膠合措施：減小模數(shù)、降低齒高、提高齒面硬度、改善材料、加極壓添加劑高速重載傳動(dòng)中，齒面間壓力大，瞬時(shí)溫度高，潤(rùn)滑失效，齒面間會(huì)發(fā)生粘接在一起的現(xiàn)象，在輪齒表面沿滑動(dòng)方向出現(xiàn)條狀傷痕，稱為膠合。４

齒面磨損產(chǎn)生原因：磨料(沙粒、鐵屑等)進(jìn)入嚙合區(qū)

齒面磨損磨損后果齒形破壞、變薄引起沖擊、振動(dòng)，甚至斷齒開式齒輪傳動(dòng)的主要失效形式防止磨損：改善潤(rùn)滑、提高齒面硬度、改用閉式傳動(dòng)５齒面塑性變形產(chǎn)生原因:當(dāng)輪齒材料較軟，載荷及摩擦力又很大時(shí)，輪齒在嚙合過(guò)程中，齒面表層的材料就會(huì)沿著摩擦力的方向產(chǎn)生塑性變形采取措施:

提高輪齒齒面硬度采用高粘度的或加有極壓添加劑的潤(rùn)滑油

現(xiàn)象:主動(dòng)輪齒上所受摩擦力是背離節(jié)線分別朝向齒頂及齒根作用的，故產(chǎn)生塑性變形后，齒面沿節(jié)線處變成凹溝。從動(dòng)輪齒上所受的摩擦力方向則相反，塑性變形后，齒面沿節(jié)線處形成凸棱。齒輪失效小結(jié)提高輪齒對(duì)上述幾種失效形式的抵抗能力，除上面所說(shuō)的辦法外，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?，以及選用合適的潤(rùn)滑劑及潤(rùn)滑方法等。前已說(shuō)明，輪齒的失效形式很多。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，可參看有關(guān)資料。4.2.2設(shè)計(jì)準(zhǔn)則設(shè)計(jì)齒輪時(shí)，所依據(jù)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則取決于齒輪可能出現(xiàn)的失效形式。1.閉式齒輪傳動(dòng)

⑴閉式軟齒面齒輪傳動(dòng)：

（接觸疲勞點(diǎn)蝕失效為主）∴按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)→按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核；⑵閉式硬齒面齒輪傳動(dòng)：（彎曲疲勞折斷失效為主）∴按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)→按齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核；開式齒輪傳動(dòng)∵磨損失效（為條件性計(jì)算）為主→折斷失效∴只按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，求出

m→將

m

增大5～15%，以補(bǔ)償磨損的影響。一、常用的齒輪材料對(duì)材料的基本要求：*齒面有足夠的硬度；*輪芯有足夠的強(qiáng)度和韌性；*具有良好的機(jī)械加工和熱處理工藝性；*價(jià)格低。制造齒輪常用材料：鋼、鑄鐵、有色金屬、非金屬材料詳細(xì)數(shù)據(jù)見P58或機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)4.3齒輪常用材料熱處理：是指將鋼在固態(tài)下加熱、保溫和冷卻，以改變鋼的組織結(jié)構(gòu)，獲得所需要性能的一種工藝。二、齒輪熱處理

在機(jī)床制造中約60-70%的零件要經(jīng)過(guò)熱處理。在汽車、拖拉機(jī)制造業(yè)中需熱處理的零件達(dá)70-80%。熱處理是一種重要的加工工藝，在制造業(yè)被廣泛應(yīng)用。

模具、滾動(dòng)軸承100%需經(jīng)過(guò)熱處理?？傊?，重要零件都需適當(dāng)熱處理后才能使用。

設(shè)備熱處理方法表面淬火后再低溫回火。特點(diǎn)：輪齒變形較大，可承受中等沖擊載荷，熱處理后不需要精加工。常用材料：中碳鋼、中碳合金鋼１.表面淬火２.滲碳淬火特點(diǎn)：輪齒變形較大，熱處理后需磨齒，載荷大時(shí)滲碳層易剝落。常用材料：低碳鋼、低碳合金鋼高頻淬火火焰淬火３．正火和調(diào)質(zhì)特點(diǎn)：熱處理后需精加工，為了減少膠合的危險(xiǎn)，小齒輪齒面硬度應(yīng)比大齒輪高數(shù)十個(gè)HB單位。常用材料：中碳鋼、中碳合金鋼特點(diǎn)：沖擊載荷下硬化層易破碎，用于載荷平穩(wěn)、潤(rùn)滑良好處。常用材料：內(nèi)齒圈、難磨削齒輪4.滲氮齒輪加工過(guò)程三、齒輪材料的選擇原則參考原則：

◆選擇適當(dāng)?shù)臒崽幚矸椒ǎ?/p>

正火碳鋼——只能用于制作在載荷平穩(wěn)或輕度沖擊下工作的齒輪調(diào)質(zhì)碳鋼——可用于制作在中等沖擊載荷下工作的齒輪。合金鋼——常用于制作高速、重載并在沖擊載荷下工作的齒輪?；驹瓌t：

（1）必須滿足工作條件的要求；（2）綜合考慮工藝性和經(jīng)濟(jì)性的要求。

◆一對(duì)齒輪的材料搭配①小齒輪的材料和熱處理方法比大齒輪的強(qiáng)；②為防止產(chǎn)生膠合，兩輪的材料性能差別越大越好；③兩輪的材料相同時(shí)，小齒輪齒面硬度應(yīng)比大齒輪的高30～50HBS。4.4直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的受力分析及計(jì)算載荷小齒輪上的轉(zhuǎn)矩：P為傳遞的功率（KW）ω1----小齒輪上的角速度，n1----小齒輪上的轉(zhuǎn)速d1----小齒輪上的分度圓直徑，α----壓力角一、輪齒的受力分析分析：在不計(jì)摩擦力的情況下，沿嚙合線作用在齒面上的法向載荷Fn垂直于齒面。FnFt(圓周力)Fr(徑向力)1、作用力的大小圓周力：徑向力：法向力：Ft=2T1/d1Fr=Fttan

Fn=Ft/cos

2、作用力的方向作用在主動(dòng)輪和從動(dòng)輪上的各對(duì)力大小相等，方向相反。3、主、從動(dòng)輪受力關(guān)系Ft：主動(dòng)輪上，與轉(zhuǎn)向相反；從動(dòng)輪上，與轉(zhuǎn)向相同。Fr：分別指向各自輪心Fn：指向齒面例題21n2n1Fr2Fr1Ft1Ft2n1n2注意：各力應(yīng)畫在嚙合點(diǎn)上！二、計(jì)算載荷齒輪傳動(dòng)在實(shí)際工作時(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。1.工作情況系數(shù)Fnc=KFn其中：K為載荷系數(shù)，按下式計(jì)算:K

=KA

Kv

K

K

KA—使用系數(shù)Kv—?jiǎng)虞d系數(shù)K

—齒間載荷分配系數(shù)K

—齒向載荷分布系數(shù)①物理意義

考慮齒輪系統(tǒng)外部因素引起的附加動(dòng)載荷的影響；②影響動(dòng)載荷大小的因素

主要取決于原動(dòng)機(jī)、工作機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)特性、軸和聯(lián)軸器的類型、緩沖性能等；③取值方法

參考表決定。2．動(dòng)載系數(shù)①物理意義

考慮齒輪副在嚙合過(guò)程中因嚙合誤差和運(yùn)轉(zhuǎn)速度而引起的內(nèi)部附加動(dòng)載荷的影響；②動(dòng)載荷產(chǎn)生的原因及影響因素

齒輪傳動(dòng)的制造、安裝誤差及受載后輪齒的變形→基圓齒距不相等→i瞬≠常數(shù)→動(dòng)載荷③動(dòng)載系數(shù)取值方法一般齒輪傳動(dòng)可根據(jù)齒輪精度等級(jí)進(jìn)行選擇。降低Kv的措施：1）↑齒輪精度2）限制v3）修緣齒（齒頂修削）

3、齒向載荷分布系數(shù)K

①物理意義考慮工作載荷沿輪齒接觸線方向分布不均勻性的影響。②產(chǎn)生原因

由于軸的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形、軸承的彈性位移以、傳動(dòng)裝置的制造和安裝誤差等。③影響因素

齒輪在軸上位置的安排、軸承及支座的剛度等因素。④減小載荷分布不均的措施

增大軸、軸承及支座的剛度b)合理布置齒輪在軸上的位置d)提高齒輪傳動(dòng)的制造和安裝精度e)在一對(duì)齒輪中把一個(gè)齒輪的輪齒制作成鼓形齒等。3、齒間載荷分配系數(shù)K

①物理意義考慮同時(shí)嚙合的各齒對(duì)間載荷分配不均勻性的影響；②產(chǎn)生原因

∵1＜εα＜2，當(dāng)雙對(duì)齒嚙合時(shí)，在理想狀態(tài)下，載荷應(yīng)平均分配在兩對(duì)齒上。但實(shí)際上，由于齒輪制造的誤差和輪齒受力后變形，造成載荷在各齒對(duì)之間的分配時(shí)不均勻的。③主要影響因素1）受載后輪齒變形；2）輪齒制造誤差（特別是基節(jié)偏差）；3）齒廓修形（修緣量）；4）磨合效果。④取值方法表4-54.5.2齒根彎曲強(qiáng)度計(jì)算4.6.1斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)受力分析4.5直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算4.5.1齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算4.5.3直齒圓柱齒輪的參數(shù)、精度選擇和許用應(yīng)力4.6斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算4.6.2、3斜齒圓柱齒輪強(qiáng)度計(jì)算4.8.1齒輪傳動(dòng)的效率齒輪傳動(dòng)中的功率損失主要包括：1）嚙合中的摩擦損失；2）潤(rùn)滑油被攪動(dòng)的油阻損失；3）軸承中的摩擦損失。

4.8齒輪傳動(dòng)的效率、潤(rùn)滑及結(jié)構(gòu)

η1—嚙合中的效率損失；

η2—潤(rùn)滑油被攪動(dòng)的油阻損失；

η3—軸承中摩擦損失滿載時(shí)，采用滾動(dòng)軸承的齒輪傳動(dòng)，平均效率列于表4-12。齒輪傳動(dòng)的效率4.8.2齒輪傳動(dòng)的潤(rùn)滑一、齒輪傳動(dòng)潤(rùn)滑的目的減少摩擦磨損散熱防止銹蝕二、齒輪傳動(dòng)的潤(rùn)滑方式

人工定期潤(rùn)滑：開式、半開式、低速閉式齒輪傳動(dòng)浸油潤(rùn)滑和噴油潤(rùn)滑：中、高速閉式齒輪傳動(dòng)

三、潤(rùn)滑劑的選擇常用的潤(rùn)滑劑：潤(rùn)滑油、潤(rùn)滑脂選擇因素：轉(zhuǎn)速高低、載荷大小、環(huán)境溫度等潤(rùn)滑油粘度薦用值見表4—31.齒輪軸直徑較小的鋼質(zhì)齒輪，當(dāng)齒根圓直徑與軸徑接近時(shí)，可以將齒輪與軸做成一體，稱為齒輪軸。如果齒輪的直徑比軸徑大得多，則應(yīng)把齒輪和軸分開制造。4.8.3齒輪結(jié)構(gòu)當(dāng)圓柱齒輪：e≤2.5mn；圓錐齒輪：e≤1.6m時(shí)應(yīng)采用齒輪軸。齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要確定齒輪的輪緣、輪轂及腹板（輪輻）的結(jié)構(gòu)形式和尺寸大小。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常要考慮齒輪的幾何尺寸、材料、使用要求、工藝性及經(jīng)濟(jì)性等因素，確定適合的結(jié)構(gòu)型式，再按設(shè)計(jì)手冊(cè)薦用的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定結(jié)構(gòu)尺寸。2.實(shí)心齒輪當(dāng)齒輪的齒頂圓直徑da≤160～200mm時(shí)，可采用實(shí)心式結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)型式的齒輪常用鍛鋼制造。3.腹板式齒輪

當(dāng)齒輪的齒頂圓直徑da=200-500mm時(shí)，可采用腹板式結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的齒輪多用鍛鋼制造。4.輪輻式齒輪

當(dāng)齒輪的齒頂圓直徑da>500m