第11章齒輪傳動計劃學時：6h制作人：馬兆允基本要求及重點、難點11.9齒輪的失效形式11.10齒輪的材料及選擇原則11.4齒輪傳動精度及其選擇11.11直齒輪的受力分析11.12標準斜齒圓柱齒輪傳動11.13標準直齒圓錐齒輪傳動11.14齒輪的結構設計11.15齒輪傳動的潤滑和效率《CH齒輪傳動設計》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!基本要求:1）掌握齒輪傳動的分類及應用。2）掌握齒輪的失效形式。3）了解齒輪的材料及傳動精度。4）掌握直齒圓柱齒輪的受力分析。5）了解齒輪傳動的強度問題。6）了解齒輪結構及其傳動的潤滑。重點：1）齒輪傳動的分類及應用。2）齒輪的失效形式。3）直齒圓柱齒輪的受力分析。難點：1）齒輪的失效形式。2）直齒圓柱齒輪的受力分析。

作業(yè):《CH齒輪傳動設計》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁!

齒輪傳動是機械傳動中最主要的一類傳動之一，它不僅用來傳遞運動，而且還要傳遞動力。

齒輪傳動應滿足：運轉平穩(wěn)、準確，無沖擊、振動、噪音，這就需要設計合理的齒廓（滿足齒廓嚙合基本定律、正確傳動條件、連續(xù)傳動條件）和適選加工精度；同時，還必須具有足夠的承載能力。

齒輪傳動的主要特點有：效率高（一級可達99%）、結構緊湊、工作可靠、壽命長及傳動比穩(wěn)定的優(yōu)點；盡管其制造及安裝精度要求高、價格較貴，且不適于傳動距離過大的場合，但絲毫不影響它的使用，因此它的型式很多，應用廣泛。《CH齒輪傳動設計》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁!11.1齒輪傳動的分類

1．按工作條件分

①閉式傳動——

齒輪密封在剛性的箱體內。它潤滑條件最好，多用于重要場合的傳動。

②開式傳動——

傳動沒有防塵罩或機殼，齒輪完全暴露在外。這種傳動不僅外界雜物極易侵入，而且潤滑不良，工作條件不好，齒輪易磨損。只宜用于低速傳動。

③半開式傳動——介于前兩者之間，大多是齒輪侵入油池，上面裝護罩。《CH齒輪傳動設計》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁!11.9齒輪的失效形式及設計準則

齒輪傳動的失效主要是輪齒的失效。

11.9.1齒輪傳動的失效形式

1．過載折斷

輪齒因短時意外的嚴重過載而引起的突然折斷。這主要發(fā)生于脆性材料（如淬火鋼或鑄鐵）。

《CH齒輪傳動設計》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁!齒面失效

1．齒面磨損當嚙合齒面間落入磨料性物質（如砂粒、鐵屑等）時，輪齒工作表面被逐漸磨損，使齒輪失去原有的漸開線曲面形狀，同時輪齒變薄而導致傳動失效。齒面磨損是開式齒輪傳動的主要失效形式之一。改用閉式傳動是避免齒面磨損最有效的辦法。

《CH齒輪傳動設計》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!當齒輪在靠近節(jié)線處嚙合時，由于相對滑動速度低，形成油膜條件差，摩擦力較大，特別是直齒輪傳動，通常這時只有一對齒嚙合，輪齒受力也最大，因此，點蝕首先出現(xiàn)在靠近節(jié)線的齒根面上。齒面抗點蝕能力主要與齒面硬度有關，齒面硬度越高，抗點蝕能力越強。齒面點蝕是閉式軟齒傳動的主要失效形式，在開式齒輪傳動中，由于齒面磨損較快，點蝕還來不及出現(xiàn)或擴展即被磨掉，所以看不到點蝕出現(xiàn)。《CH齒輪傳動設計》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!4．齒面塑性變形在重載下，較軟的齒面上可能沿摩擦力方向產生局部的塑性變形，使齒輪失去正確的齒廓。這種損壞常出現(xiàn)在過載嚴重和啟動頻繁的傳動中。提高齒面硬度、采用粘度較高的潤滑油是減小齒面塑性變形的有效方法。主動輪上的塑性變形從動輪上的塑性變形《CH齒輪傳動設計》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!11.10齒輪的材料及選擇原則

表16.1常用的齒輪材料

設計齒輪傳動時，應使齒面具有較高的抗磨損、抗點蝕、抗膠合、抗塑性變形及抗折斷的能力。基本要求：齒面要硬，齒芯要韌。

1．對齒輪材料性能的基本要求2．常用的齒輪材料

常用的齒輪材料是各種牌號的優(yōu)質碳素鋼、合金結構鋼、鑄鐵和鑄鋼等。《CH齒輪傳動設計》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!3．齒輪材料的選擇原則

①閉式軟齒面齒輪傳動常用的材料有35，45，40Gr和35SiMn經調質或正火處理。由于小齒輪輪齒工作次數(shù)較多，可使其齒面硬度比大齒輪的高出25~50HBS。此類材料的特點是制造方便，多用于對強度、速度和精度要求不高的一般機械傳動中。②閉式硬齒面齒輪傳動常用的材料有20，20Gr，20GrMnTi表面滲碳淬火和45，40Gr表面淬火或整體淬火，一般齒面硬度為45~65HRC。此類材料的特點是制造較復雜，精度要求高，多用于高速、重載及精密機械中。

③當齒輪尺寸較大（如直徑大于400~600mm）而輪坯不易鍛造時，可采用鑄鋼；開式低速傳動可采用灰口鑄鐵；球墨鑄鐵有時可代替鑄鋼。

《CH齒輪傳動設計》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁!

一對標準直齒圓柱齒輪按標準中心距安裝，其齒廓在節(jié)點C接觸，當忽略嚙合面間的摩擦力時，可將沿嚙合線作用在齒面上的法向力Fn分解為兩個相互垂直的分力：圓周力Ft與徑向力Fr。

1）力的大小《CH齒輪傳動設計》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!2．計算載荷

名義載荷——沿嚙合線作用在齒面上的法向力Fn，理論上Fn應沿齒寬均勻分布。

計算載荷——由于軸和軸承的變形、傳動裝置的制造和安裝誤差等原因，載荷分布并不均勻，而出現(xiàn)載荷集中現(xiàn)象。軸和軸承的剛度越小、齒寬越寬，載荷集中越嚴重。齒輪制造誤差及輪齒變形等原因，還會引起附加動載荷。精度越低、圓周速度越高，附加動載荷就越大。加之各種原動機和工作機的特性不同，也會使載荷實際大小發(fā)生變化。因此，計算齒輪強度時，通常用計算載荷Fca=KFn代替名義載荷，以考慮載荷集中和附加動載荷的影響。K為載荷系數(shù).

原

動

機工

作

機

的

載

荷

特

性均

勻中等沖擊大的沖擊電

動

機1~1.21.2~1.61.6~1.8多缸內燃機1.2~1.61.6~1.81.9~2.1單缸內燃機1.6~1.81.8~2.02.2~2.4《CH齒輪傳動設計》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁!

②齒根處的危險截面用30o切線法確定，即作與輪齒對稱中心線成30o夾角并與齒輪圓角相切的斜線，而認為兩切點連線是危險截面位置。

③危險截面上的破壞應力等于危險點的彎曲應力，忽略壓應力和剪應力。《CH齒輪傳動設計》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!齒形系數(shù)因hF和SF均與模數(shù)成正比，故對標準齒輪，值僅取決于齒數(shù)的大小而與模數(shù)無關。《CH齒輪傳動設計》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!由于齒數(shù)的增加會使重合度增加，使傳動更平穩(wěn)，因此在滿足彎曲強度的條件下，可適當?shù)倪x取較多的齒數(shù)。許用彎曲應力——試驗齒輪的齒根彎曲疲勞極限，按書中圖10.8查取。該圖為齒輪在單側工作時測得的，對于長期雙側工作的齒輪傳動，齒根彎曲應力為對稱循環(huán)變應力，應將圖中數(shù)據(jù)乘以0.7。SF——輪齒彎曲疲勞安全系數(shù)

安全系數(shù)軟齒面硬齒面重要傳動、滲碳淬火齒輪或鑄造齒輪

SF1.3~1.41.4~1.61.6~2.2

SH1.0~1.11.1~1.21.3《CH齒輪傳動設計》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁!綜合曲率的變化規(guī)律《CH齒輪傳動設計》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁!實驗表明，齒根部分靠近節(jié)線處最易發(fā)生點蝕，可取節(jié)點處的接觸應力為計算依據(jù)。標準齒輪傳動節(jié)點處的齒廓曲率半徑齒輪在節(jié)點處的綜合曲率在節(jié)點處一般只有一對齒嚙合，即載荷由一對齒承擔《CH齒輪傳動設計》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁!結論當一對齒輪的材料、傳動比及齒寬系數(shù)一定時，由齒面接觸強度決定的承載能力僅與中心距或齒輪分度圓直徑有關，而與模數(shù)沒有直接關系。注意問題1）對于一對相互嚙合的齒輪，在接觸線處的接觸應力是相等的，即因此強度條件取決于許用接觸應力2）若配對齒輪材料為鋼對鑄鐵或鑄鐵對鑄鐵，則應將公式中的系數(shù)335分別改為285和250。《CH齒輪傳動設計》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁!11.12標準斜齒圓柱齒輪傳動11.12.5輪齒上的作用力

在忽略摩擦力時法向力可分解為圓周力、徑向力和軸向力。1．力的大小

《CH齒輪傳動設計》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁!斜齒圓柱齒輪的受力分析（受力方向）圓周力：主動輪與轉向相反；從動輪與轉向相同。徑向力：指向圓心。軸向力：可用左、右手判斷。《CH齒輪傳動設計》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁!斜齒圓柱齒輪傳動的受力分析(螺旋角選擇）

n《CH齒輪傳動設計》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁!彎曲疲勞強度計算時應注意的問題2．斜齒輪的齒面接觸強度驗算公式設計公式引入齒寬系數(shù)

表11.12《CH齒輪傳動設計》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁!11.13標準直齒圓錐齒輪傳動11.13.4輪齒上的作用力

兩軸正交的直齒圓錐齒輪傳動，當忽略摩擦力時，法向力可分解為三個分力：1．力的大小

《CH齒輪傳動設計》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁!2直齒圓錐齒輪的強度計算1．直齒圓錐齒輪傳動的彎曲強度條件

直齒圓錐齒輪傳動的強度計算可依據(jù)其齒寬中點的當量齒輪，套用直齒圓柱齒輪的強度計算公式得到。驗算公式設計公式引入齒寬系數(shù)

《CH齒輪傳動設計》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第24頁!11.14齒輪的結構設計對于直徑較小的鋼制齒輪，當齒根圓直徑與軸徑接近時，可將齒輪和軸做成一體，稱為齒輪軸。如果齒輪的直徑比軸的直徑大得多，則應把齒輪和軸分開制造。齒輪軸

鋼制圓柱齒輪鋼制圓錐齒輪

《CH齒輪傳動設計》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第25頁!組合結構齒輪

對于尺寸很大的齒輪，為節(jié)約貴重鋼材，常采用齒圈套裝于輪芯上的組合結構。齒圈用較好的鋼，輪芯用鑄鐵或鑄剛，兩者用過盈聯(lián)接，在配合接縫上加裝4~8緊定螺釘。單件生產的大齒輪，可采用焊接結構《CH齒輪傳動設計》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第26頁!在多級齒輪傳動中，當幾個大齒輪直徑不相等時，可借帶油輪將油帶到未浸入油池內的齒齒輪的齒面上。當12m/s時，不宜采用油池潤滑，這是因為：①圓周速度過高，齒輪上的油大多被甩出去卻不能到達嚙合區(qū)；②攪油過于激烈，使油的溫升增加，并降低其潤滑性能；③會攪起箱底沉淀的雜質，加劇齒輪的磨損。故此時最好采用噴油潤滑，用油泵將潤滑油直接噴到嚙合區(qū)。《CH齒輪傳動設計》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第27頁!QVER11.15.2效率

齒輪傳動的功率損耗主要包括：①嚙合中的摩擦損耗；②攪動潤滑油的攪油損耗；③支承軸承中的摩擦損耗。計入上述損耗后，如果齒輪采用滾動軸承支承，那么齒輪傳動的平均效率見下表。傳動裝置6級或7級精度的閉式傳動8級精度的閉式傳動開式傳動圓柱齒輪圓錐齒輪

0.980.97

0.970.96

0.950.93《CH齒輪傳動設計》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第28頁!2．按節(jié)圓上線速度的高低分

①低速傳動——

3m/s的傳動。

②中速傳動——

3m/s15m/s的傳動。

③高速傳動——15m/s的傳動。

3．按傳遞功率的大小分

①輕載傳動——

P20kW的傳動。

②中載傳動——

20kWP50kW的傳動。

③重載傳動——

P50kW的傳動。

4．按齒輪齒面硬度的軟硬分

①軟齒面?zhèn)鲃印?/p>

HBS350或HRC38的傳動。

②硬齒面?zhèn)鲃印?/p>

HBS350或HRC38的傳動。

《CH齒輪傳動設計》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第29頁!2．疲勞折斷

輪齒像一個懸臂梁，在載荷的多次重復作用下，彎曲應力超過彎曲疲勞極限時，齒根部分將產生疲勞裂紋，然后逐漸擴展，最終將引起輪齒折斷。若輪齒單側工作，其應力按脈動循環(huán)變化。若輪齒雙側工作時，則彎曲應力按對稱循環(huán)變化。

3．提高齒輪抗折斷能力的措施①用增大齒根過度圓角半徑及消除加工刀痕的方法來減小齒根應力集中；②增大軸及支承的剛性，使輪齒接觸線上受載較為均勻；③采用合理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行強化處理。《CH齒輪傳動設計》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第30頁!2．齒面點蝕齒面材料在變接觸應力（脈動循環(huán)）作用下，由于疲勞而產生的剝蝕損傷現(xiàn)象稱為齒面點蝕，又稱疲勞磨損。齒面上最初出現(xiàn)的點蝕僅為針尖大小的麻點，后逐漸擴散，甚至數(shù)點聯(lián)成一片，最后形成了明顯的齒面損傷。《CH齒輪傳動設計》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第31頁!3．齒面膠合在高速重載傳動中，常因嚙合區(qū)溫度升高而引起潤滑失效，致使兩齒面金屬直接接觸并發(fā)生粘著，當兩齒面相對運動時，較軟的齒面沿滑動方向被撕下而形成溝紋。在低速重載傳動中，由于齒面間的潤滑油膜不易形成也可能產生膠合破壞。提高齒面硬度和減小粗糙度值能增強抗膠合能力。對于低速傳動采用粘度較大的潤滑油；對于高速傳動采用含抗膠合添加劑的潤滑油也很有效。《CH齒輪傳動設計》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第32頁!11.9.2齒輪傳動的設計準則

1.閉式齒輪傳動2.開式齒輪傳動軟齒面硬齒面齒面點蝕齒根折斷齒面磨損《CH齒輪傳動設計》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第33頁!《CH齒輪傳動設計》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第34頁!11.11直齒圓柱齒輪傳動的強度計算11.11.1輪齒的受力分析及計算載荷1.輪齒上的作用力

為計算齒輪的強度，設計軸和軸承，必須對輪齒上的作用力進行分析。

《CH齒輪傳動設計》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第35頁!

2）力的方向

圓周力Ft的方向在主動輪上與運動方向相反，在從動輪上與運動方向相同；徑向力Fr的方向分別指向各自的輪心。

《CH齒輪傳動設計》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第36頁!11.11.2直齒圓柱齒輪傳動的強度計算

1.輪齒彎曲強度計算

在一般齒輪傳動中，其主要失效形式是齒面接觸疲勞點蝕和輪齒彎曲疲勞折斷。本章只介紹這兩種強度計算。

力學模型——將輪齒看成寬度為b的懸臂梁。假設條件：

①對低精度（7，8，9級）的齒輪，認為法向力Fn全部作用在一個輪齒的齒頂。

《CH齒輪傳動設計》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第37頁!齒根危險截面的彎矩危險截面的彎曲截面系數(shù)危險截面的彎曲應力《CH齒輪傳動設計》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第38頁!輪齒彎曲強度的驗算公式齒寬系數(shù)彎曲強度的設計公式推薦值：輕型減速器可取0.2~0.4；中型減速器可取0.4~0.6；重型減速器可取0.8；特殊情況下可取1~1.2。

所設計出的模數(shù)應圓整成標準值，對于傳遞動力的齒輪，其模數(shù)不宜小于1.5mm。《CH齒輪傳動設計》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第39頁!2.直齒圓柱齒輪傳動的齒面接觸強度計算

齒面疲勞點蝕與齒面接觸應力的大小有關，而齒面最大接觸應力可按兩接觸圓柱體近似的用彈性力學的赫茲公式。

式中正號用于外嚙合,負號用于內嚙合；Fn為接觸面上的法向壓力；b為初始接觸線長度；1和2分別為兩個零件初始接觸線處的曲率半徑；1和2分別為兩零件材料的泊松比；E1和E2分別為兩零件材料的彈性模量。

《CH齒輪傳動設計》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第40頁!綜合曲率半徑對接觸應力的影響《CH齒輪傳動設計》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第41頁!一對鋼制標準齒輪嚙合，可查得：引入載荷系數(shù)K

一對鋼制標準齒輪傳動的齒面接觸強度的驗算公式齒面接觸強度設計公式《CH齒輪傳動設計》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第42頁!3）許用接觸應力4）齒輪傳動設計時，應首先按主要失效形式進行強度計算，確定其主要尺寸，然后對其他失效形式進行必要的校核。閉式軟齒面?zhèn)鲃映Ｒ螨X面點蝕而失效，故通常先按齒面接觸強度設計公式確定傳動尺寸，然后驗算輪齒彎曲強度。閉式硬齒面齒輪傳動抗點蝕能力較強，故可先按彎曲強度設計公式確定模數(shù)等尺寸，然后驗算齒面接觸強度。開式齒輪傳動的主要失效形式是磨損，一般不出現(xiàn)點蝕。鑒于目前對磨損尚無成熟的計算方法，故對開式齒輪傳動通常只進行彎曲強度計算，考慮到磨損對齒厚的影響，應適當降低開式傳動的許用彎曲應力（如將閉式傳動的許用彎曲應力乘以0.7~0.8），以使計算的模數(shù)值適當增大。安全系數(shù)軟齒面硬齒面重要傳動、滲碳淬火齒輪或鑄造齒輪

SF1.3~1.41.4~1.61.6~2.2

SH1.0~1.11.1~1.21.3《CH齒輪傳動設計》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第43頁!力的方向

1）圓周力的方向在主動輪上與運動方向相反，在從動輪上與運動方向相同；2）徑向力的方向對兩輪都是指向各自的輪心；3）軸向力的方向需根據(jù)螺旋線方向和輪齒工作面而定。當主動輪的螺旋線方向為右(左)旋時也可用右(左)手螺旋定則判斷，即伸出右(左)手，四指代表主動輪的轉動方向，則拇指的指向代表該輪的軸向力的方向，從動輪的軸向力方向與主動輪的軸向力方向相反，互為作用與反作用力。《CH齒輪傳動設計》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第44頁!

受力分析（受力方向）圓周力：主動輪與轉向相反；從動輪與轉向相同。徑向力：指向圓心。軸向力：可用左、右手判斷。nnFr1Fr1Fr2Fr2Ft2Ft2Ft1Ft1Fa1Fa1Fa2Fa1《CH齒輪傳動設計》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第45頁!2斜齒圓柱齒輪的強度計算斜齒圓柱齒輪傳動的強度計算利用其當量齒輪直接套用直齒圓柱齒輪的強度計算公式進行的。但是由于斜齒輪存在螺旋角，使得其重合度較大，接觸線較長，當量齒輪的分度圓半徑也較大，因此斜齒輪的彎曲應力和接觸應力比直齒輪有所降低。

1．一對鋼制標準斜齒輪傳動的彎曲強度條件驗算公式設計公式引入齒寬系數(shù)

《CH齒輪傳動設計》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第46頁!接觸疲勞強度計算時應注意的問題1）當配對齒輪材料改變時，上兩式系數(shù)應加以修正。鋼對鑄鐵應將305乘以(285/335)；鑄鐵對鑄鐵應將305乘以(250/335)。2）求出中心距后，應圓整成0，2，5，8結尾的整數(shù)值，然后按下式調整螺旋角3）斜齒輪傳動齒面的接觸疲勞強度應同時取決于大、小齒輪，實用中斜齒輪傳動的許用接觸應力可取為當應取——較軟齒面的許用接觸應力。《CH齒輪傳動設計》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第47頁!力的方向

1）圓周力的方向在主動輪上與運動方向相反，在從動輪上與運動方向相同；2）徑向力的方向對兩輪都是垂直指向各自齒輪的軸線；3）軸向力的方向對兩齒輪均指向各自齒輪的大端；4）小齒輪上的徑向力和軸向力分別與大齒輪上的軸向力和徑向力為作用與反作用力。《CH齒輪傳動設計》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第48頁!2．一對鋼制直齒圓錐齒的齒面接觸強度條件驗算公式設計公式引入齒寬系數(shù)

若配對齒輪材料為鋼對鑄鐵或鑄鐵對鑄鐵，則應將公式中的系數(shù)335分別改為285和250。《CH齒輪傳動設計》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第49頁!實心結構齒輪腹板式或孔板式結構齒輪輪輻式結構齒輪《CH齒輪傳動設計》課件共53頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第50頁!11.15齒輪傳動的潤滑和效率11.15.1潤滑開式齒輪傳動通常采用人工定期加油潤滑。可采用潤滑油或潤滑脂。閉式齒輪傳動的潤滑方式根據(jù)齒輪的圓周速度的大小而定。當12m/s時多采用油池