第10章鏈傳動機械設計基礎01概述02滾子鏈和鏈輪目錄CONTENTS03鏈傳動的運動特性和主要參數04鏈傳動的布置、張緊及潤滑概述0110.1.1鏈傳動的組成、特點和應用

鏈傳動由主動鏈輪、從動輪和繞在鏈輪上的鏈條

及機架組鏈成，如圖所示。工作時，通過鏈條與鏈輪輪齒的嚙合來傳遞運動和動力。圖所示為變速車上的鏈傳動。10.1.1鏈傳動的組成、特點和應用1）鏈傳動是有中間撓性件的嚙合傳動，與帶傳動相比，無彈性伸長和打滑現象，故能保證準確的平均傳動比，傳動效率較高，結構緊湊，傳遞功率大，張緊力比帶傳動小。

一般鏈傳動的應用范圍為：傳遞功率P≤100kW,鏈速v≤15m/s，傳動比i≤7，中心距a≤5～6m，效率η=0.92～0.97。

2）與齒輪傳動相比，鏈傳動結構簡單，加工成本低，安裝精度要求低，適用于較大中心距的傳動，能在高溫、多塵、油污等惡劣的環境中工作。

3）鏈傳動的瞬時傳動比不恒定，傳動平穩性較差，有沖擊和噪聲。10.1.2鏈傳動的類型按用途不同，鏈可分為：傳動鏈、輸送鏈和起重鏈。

輸送鏈和起重鏈主要用在運輸和起重機械中，一般機械傳動中常用的是傳動鏈。傳動鏈分為：齒形鏈和和短節距精密滾子鏈（簡稱滾子鏈）。齒形鏈滾子鏈

滾子鏈特點：結構簡單，成本較低，生產量大，從低速到較高速、從輕載到重載都適用，在傳動鏈中占有主要地位。滾子鏈和鏈輪0210.2.1滾子鏈的結構

滾子鏈是由內鏈板、外鏈板、銷軸、套筒及滾子五部分組成，如圖所示。

滾子鏈的結構

鏈板制成“

8”字形，目的是使各截面強度接近相等，且能減輕重量及運動時的慣性。10.2.1滾子鏈的結構當傳遞較大的動力時，可采用雙排鏈，如圖所示，或多排鏈。多排鏈由幾排普通單排鏈用銷軸聯成。10.2.1滾子鏈的結構鏈條上相鄰兩銷軸中心的距離

p稱為節距，它是鏈條的主要參數。鏈條長度常用節數表示，節數一般取為偶數。a）開口銷b）彈簧卡c）過渡鏈節接頭處可用開口銷（圖a）或彈簧卡（圖b）鎖緊。當鏈節為奇數時，需用過渡鏈節（圖c）才能構成環狀。滾子鏈連接形式10.2.2滾子鏈的標準

由于鏈節數常取偶數，為使鏈條與鏈輪的輪齒磨損均勻，鏈輪齒數一般應取與鏈節數互為質數的奇數。鏈傳動的標注示例如下：10.2.3鏈輪1鏈輪的尺寸參數10.2.3鏈輪1鏈輪的尺寸參數10.2.3滾輪2鏈輪的齒形

（l）鏈輪的齒形

鏈輪的齒形應保證鏈輪與鏈條接觸良好、受力均勻，鏈節能順利地進入和退出與輪齒的嚙合，GB/T1243-2006規定了鏈輪端面齒形。鏈輪的結構實心式孔板式組合式

（2）鏈輪的結構

鏈輪的結構見圖，小直徑鏈輪可制成實心式，中等直徑可制成孔板式，直徑較大時可用組合式結構。10.2.3滾輪3鏈輪的結構

大直徑的鏈輪常制成組合式。小直徑鋼制鏈輪可制成整體式；中等直徑鑄造鏈輪可制成腹板式；整體式腹板式組合式

焊接一體式10.2.3滾輪4鏈輪的材料

鏈輪的材料

鏈輪材料應保證其有足夠的強度和良好的耐腐蝕性，多用碳素結構鋼或合金鋼，可根據鏈速高低選擇不同材料。

常用碳素鋼、合金鋼、灰鑄鐵等材料；小功率高速鏈輪也可用夾布膠木。齒面通常應熱處理，使其達到一定硬度。由于小鏈輪嚙合次數多，磨損和沖擊也較嚴重，所用材料常優于大鏈輪。

鏈傳動的運動特性和主要參數0310.3.1鏈傳動的運動特性θ鏈條的平均線速度平均傳動比為

d12ω1β分度圓瞬時線速度

鏈條的瞬時線速度沿AB方向，νAB180?z1180?z1β為相位角

鏈輪每轉過一齒，鏈速時快時慢變化一次。由此可知，當鏈輪等速回轉時，瞬時鏈速和順時傳動比都作周期性變化。鏈條進入鏈輪后形成折線，因此鏈傳動相當于一對多邊形輪之間的傳動。d1其大小為ω1式中，n1n2位主從動鏈輪轉速（r/min）；z1z2為主從動鏈輪齒數；p為節距。10.3.1鏈傳動的運動特性

鏈傳動運動不均勻性的特征，是由于繞在鏈輪上的鏈條形成了正多邊形這一特點所造成，故稱為鏈傳動的多邊形效應，這是鏈傳動的固有特性。多邊形效應給鏈傳動帶來的影響：①導致鏈條和從動鏈輪上產生動載荷；②在鏈條嚙入鏈輪的瞬間，引起鏈節與鏈輪輪齒以一定的相對速度發生嚙合碰撞，并產生附加動載荷；③鏈條周期性的橫向運動導致鏈條產生顫動，這也是鏈傳動產生動載荷的主要原因之一。10.3.1鏈傳動主要參數的選擇1滾子鏈的傳動比及鏈輪齒數(1)滾子鏈的傳動比通常小于6，推薦i=2～3.5。若傳動比過大，則鏈條在小鏈輪上的包角過小，小鏈輪同時參與嚙合的齒數就會過少，從而使鏈齒磨損加快;且傳動比過大，還會使傳動裝置外形尺寸加大。(2）鏈輪齒數﹐為使鏈傳動的運動平穩，小鏈輪齒數不宜過少，對于滾子鏈，可按鏈速選取小鏈輪齒數z1，然后按傳動比確定大鏈輪齒數z2，z2=iz1，一般z2不宜大于120，過多易發生跳齒和脫鏈現象。一般鏈節數為偶數，而鏈輪齒數最好選取奇數，這樣可使磨損軾均勻。10.3.1鏈傳動主要參數的選擇2中心距若鏈傳動中心距過小，則小鏈輪上的包角也小，同時參與嚙合的鏈輪齒數也少;若中心距過大，則易使鏈條抖動。一般可取中心距α=(30~50)p，最大取αmax=80p。10.3.1鏈傳動主要參數的選擇3鏈的節距鏈的節距是鏈傳動中最重要的參數，鏈的節距越大，其承載能力越高，但傳動的不均勻性、附加載荷和沖擊也越大。因此，設計時應盡可能選用較小的節距，高速重載時可選用小節距多排鏈。鏈條長度用鏈節數表示，按帶長的計算公式可導出式中，Lp為鏈節數;α為中心距;p為節距;z1、z2為主從動鏈輪齒數；由此算出的鏈的節數，須圓整為整數，最好取為偶數。鏈傳動的布置、張緊及潤滑0410.4.1鏈傳動的布置

鏈傳動的合理布置應從以下幾方面考慮：

（1）當a=（30~50）p、i=2~3時，兩輪中心連線最好成水平，或與水平面成＜60°的傾角。松邊在上面或在下面均可，但在下面較好。10.4.1鏈傳動的布置（2）當a＜30p、i＞2，且兩輪軸線不在同一水平面時，松邊應在下面，否則松邊下垂量增大后，鏈條易與鏈輪卡死。

（3）當a＞60p、i＜1.5

，且兩輪軸線在同一水平面上時，松邊應在下面，否則松邊下垂量增大后，鏈條松邊會與緊邊相碰。

10.4.1鏈傳動的布置

（4）當a、i為任意值，且兩輪中心連線成鉛垂時，鏈的下垂量集中在下端，將減少下鏈輪的有效嚙合齒數，降低承載能力。

應采用措施：①中心距可調；②設張緊裝置；③上下輪左右錯開。10.4.2鏈傳動的張緊常用的張緊方法有：①調整中心距；②將鏈條拆掉1~2個鏈節以回復鏈條原有長度。

③中心距不可調時，可采用張緊裝置。10.4.3鏈傳動的潤滑人工定期潤滑滴油潤滑油浴潤滑鏈傳動有良好的潤滑時，可以減輕磨損，延長使用壽命。表9-10推薦了幾種不同工作條件下的潤滑方式，供設計時選用。推薦采用全損耗系統用油的牌號為：L—AN46、L—AN68、L—AN100。10.4.3鏈傳動的潤滑濺油潤滑壓力潤滑第11章齒輪傳動機械設計基礎01齒輪傳動的失效形式和設計準則02齒輪常用的材料及熱處理目錄CONTENTS03直齒圓柱齒輪傳動的受力分析和計算載荷04直齒圓柱齒輪傳動強度計算05直齒圓柱齒輪傳動強度計算06平行軸斜齒圓柱齒輪傳動的受力分析和強度計算07直齒錐齒輪傳動的受力分析和強度計算齒輪傳動的失效形式和設計準則0111.1.1齒輪傳動的失效形式1輪齒折斷齒根疲勞斷裂齒輪軸輪齒折斷齒輪工作時，輪齒根部將產生相當大的交變彎曲應力，在載荷多次作用下，當應力值超過彎曲疲勞極限時，將產生疲勞裂紋，如圖所示。隨著裂紋的不斷擴展，最終將引起輪齒折斷，這種折斷稱為彎曲疲勞折斷。圖為齒輪軸實物輪齒折斷的失效情況。為提高齒輪抗折斷的能力，可采用提高材料的疲勞強度和輪齒心部的韌性、加大齒根圓角半徑、提高齒面制造精度、增大模數以加大齒根厚度、進行齒面噴丸處理等方法來實現。11.1.1齒輪傳動的失效形式2齒面疲勞點蝕

斜齒輪的點蝕齒面在接觸應力長時間地反復作用下，表層出現裂紋，裂紋的擴展，導致齒面金屬以甲殼狀的小微粒剝落，形成麻點，這種現象稱為齒面點蝕。閉式齒輪傳動的主要失效形式是齒面點蝕。為防止過早出現疲勞點蝕，可采用增大齒輪直徑、提高齒面硬度、降低齒面的表面粗糙度值和增加潤滑油的粘度等方法。11.1.1齒輪傳動的失效形式3齒面黏著（膠合）齒輪的膠合由于齒面間壓力很大，相對滑動時的摩擦使齒面工作區的局部瞬時溫度很高，造成齒面金屬直接接觸并相互粘連。當兩齒面相對滑動時，較軟齒面的金屬沿滑動方向被撕下而形成溝紋狀，這種現象稱為膠合。為防止膠合的產生，可采用良好的潤滑方式、限制油溫和采用抗膠合添加劑的合成潤滑油等方法；也可采用不同材料制造配對齒輪，或一對齒輪采用同種材料不同硬度的方法。11.1.1齒輪傳動的失效形式4齒面磨損輪齒磨損由于嚙合齒面間的相對滑動，引起齒面的摩擦磨損。開式齒輪傳動的主要失效形式是磨損，圖示為輪齒磨損的實際失效情況為防止過快磨損，可采用保證工作環境清潔、定期更換潤滑油、提高齒面硬度、加大模數以增大齒厚等方法。11.1.1齒輪傳動的失效形式5齒面塑性變性

齒面塑性變形在過大的應力作用下，輪齒材料因屈服而產生塑性變形，致使嚙合不平穩，因此噪聲和振動增大，破壞了齒輪的正常嚙合傳動。這種失效常發生在有大的過載、頻繁起動和齒面硬度較低的齒輪上。圖為齒面塑性變形的機理，11.1.1齒輪傳動的失效形式5齒面塑性變性圖2齒面凸起塑性變形圖1為主動輪齒面下凹的實際失效情況，圖2為從動輪齒面凸起的實際失效情況。為防止齒面塑性變形，可通過提高齒面硬度或采用較高粘度的潤滑油等方法來解決。圖1齒面下凹塑性變形11.1.2齒輪傳動的設計準則輪齒的失效形式很多，但對某些具體情況而言，它們并不可能同時發生，所以必須進行具體分析，針對其主要失效形式確立相應的設計準則。對于閉式齒輪傳動：對軟齒面（硬度小于350HBW）的齒輪，其主要失效形式是齒面點蝕，故通常按齒面接觸疲勞強度進行設計，然后再按彎曲疲勞強度進行校核；

對硬齒面（硬度大于350HBW）的齒輪，其主要失效形式是輪齒折斷，此時可按齒根彎曲疲勞強度進行設計，然后再按齒面接觸疲勞強度進行校核。11.1.2齒輪傳動的設計準則對于開式齒輪傳動，其主要失效形式是齒面磨損。由于目前對齒面磨損尚無行之有效的計算方法和設計數據，故通常只按輪齒折斷進行齒根彎曲疲勞強度設計，考慮磨損因素，適當增大模數10%～20%。齒輪常用的材料及熱處理0211.2.1齒輪傳動對材料的基本要求（1）齒面要有足夠的強度和耐磨性。（2）齒心要有足夠的強度和較好的韌性。（3）材料應具有良好的加工性能及熱處理性能。11.2.2常用材料及熱處理的選擇1鋼齒輪常用鋼材為優質碳素結構鋼、合金結構鋼和鑄鋼，一般多用鍛件或軋制鋼材。較大直徑（d>400mm）的齒輪不宜鍛造，需采用鑄鋼，如ZG340-640等，因鑄鋼收縮率大、內應力大，故加工前應進行正火或回火處理。齒輪按照不同熱處理方法所獲得的齒面硬度的高低，分為軟齒面齒輪和硬齒面齒輪兩類。(1）軟齒面齒輪―齒面硬度≤350HBW，熱處理后切齒。常用材料為45鋼、50鋼等正火處理，或45鋼、40Cr、35SiMn等做調質處理。為了使大、小齒輪的壽命相近，建議小齒輪的齒面硬度比大齒輪高30~50HBW。這類齒輪常用于對強度與精度要求不高的傳動中。(2）硬齒面齒輪﹐齒面硬度>350HBW，一般用鍛鋼經正火或調質后切齒，再做表面硬化處理，最后進行磨齒等精加工。表面硬化的方法可采用表面淬火、滲碳淬火、滲氮等。硬齒面齒輪常用的材料為40Cr、20Cr、20CrMnTi、38CrMoAIA等。這類齒輪由于齒面硬度高，且承載能力高于軟齒面齒輪，常用于高速、重載、精密的傳動中。11.2.2常用材料及熱處理的選擇2鑄鐵鑄鐵的抗彎和耐沖擊性能較差，但價格低廉、澆鑄簡單、加工方便。主要用于低速、工況平穩、傳遞功率不大和對尺寸、質量無嚴格要求的開式齒輪傳動。常用材料有HT300、HT350、QT500-7等。11.2.2常用材料及熱處理的選擇3非金屬材料對高速、小功率、精度不高及要求低噪聲的齒輪傳動，常采用非金屬材料（如夾布膠木、尼龍等)做小齒輪，大齒輪仍用鋼或鑄鐵制造。設計時應根據工作條件、尺寸大小、毛坯制造及熱處理方法等因素綜合考慮后選用。直齒圓柱齒輪傳動的受力分析和計算載荷0311.3.1齒輪受力分析11.3.1齒輪受力分析式中T1——小齒輪上的轉矩(N.mm)，T1=9.55×106；d1——小齒輪分度圓直徑(mm)；α——壓力角，

α=20°；P——傳遞的功率(kW)；n1——小齒輪的轉速(r／min)。

如圖6-26所示，圓周力的方向在主動輪上與嚙合點運動方向相反，在從動輪上與嚙合點運動方向相同。徑向力的方向，分別由嚙合點指向各自的軸心。11.3.2計算載荷名義載荷——齒輪受力分析中計算出的法向力Fn

。在齒輪工作能力計算時引入載荷系數K，用計算載荷Fnc代替名義載荷Fn，以考慮實際載荷的影響。計算載荷：載荷系數K的值，查表。注：1．直齒、圓周速度高、精度低、齒寬系數大、齒輪在兩軸承間不對稱布置，取大值。

2．斜齒、圓周速度低、精度高、齒寬系數小、齒輪在兩軸承間對稱布置，取小值。直齒圓柱齒輪傳動強度計算0411.4.1齒面接觸疲勞強度計算

b——輪齒寬度，mm；

u——齒數比，u=z2/z1(大輪與小輪齒數之比)；

d1——小齒輪分度圓直徑，mm；根據彈性力學赫茲公式，可得齒面接觸疲勞強度計算式，即：ψd——齒寬系數，ψd=b/d1；

ZE——材料的彈性系數；

[σH]——齒輪材料許用接觸應力，MPa；“＋”、“－”——外、內嚙合。11.4.1齒面接觸疲勞強度計算根據彈性力學赫茲公式，可得齒面接觸疲勞強度計算式，即：運用上述公式時，應注意以下幾點：①σH1=σH2，[σH]1≠[σH]2，故將較小值代入公式進行計算。②當齒輪材料、傳遞轉矩T1、齒寬b、齒數比u確定后，齒面接觸疲勞強度取決于小齒輪分度圓直徑d1。11.4.2齒根彎曲疲勞強度計算

目的：使齒根彎曲應力σF不超過許用值[σF]，以避免輪齒疲勞折斷。11.4.2齒根彎曲疲勞強度計算

m——齒輪的模數，mm；

z1——小齒輪齒數；根據懸臂梁彎曲強度計算方法，可得齒根彎曲疲勞強度計算公式，即：[σF]——材料許用彎曲應力，MPa；

YFS——復合齒形系數（見表6-12）；反映輪齒形狀和齒根處應力集中及壓應力、切應力等的影響。對于標準齒輪，YFS僅取決于齒數。11.4.2齒根彎曲疲勞強度計算運用上述公式時，應注意以下幾點：①兩齒輪的齒根彎曲應力會因齒數不等而不同；兩輪材料的許用彎曲應力一般也不同。應取YFS1/[σF]1和YFS2/[σF]2中的較大者代入公式計算。②當齒輪材料、傳遞轉矩T1、齒寬b、齒數z1確定后，齒根彎曲疲勞強度取決于齒輪的模數m

。計算所得的模數m應取標準值。直齒圓柱齒輪傳動強度計算0511.5直齒圓柱齒輪傳動強度計算1直齒圓柱齒輪主要參數的確定(1)小齒輪齒數z1

對于軟齒面閉式傳動，在滿足彎曲疲勞強度前提下，宜采用較多齒數，一般取z1≥20～40。對于硬齒面閉式傳動及開式傳動，為保證輪齒有足夠的彎曲強度并使結構緊湊，宜適當減少齒數，以便增大模數。一般取z1=17～20，允許輪齒有少量根切或齒輪為手動時，z1可少至14。11.5直齒圓柱齒輪傳動強度計算1直齒圓柱齒輪主要參數的確定模數m的最小允許值應根據抗彎曲疲勞強度確定。在此前提下，宜取較小模數。(2)模數m齒輪傳動的模數一般可按經驗公式m=（0.007~0.02）a（a為中心距，mm）估算。軟齒面、載荷平穩時取小值；反之取大值。為防止輪齒因過載而折斷，傳遞動力的齒輪應保證模數m≥2mm，特殊情況下允許m＝1.5mm。11.5直齒圓柱齒輪傳動強度計算1直齒圓柱齒輪主要參數的確定(3)齒寬系數ψd

齒寬系數ψd越大，輪齒越寬，承載能力越強；

但輪齒過寬，會使載荷沿齒向分布嚴重不均。一般機械，ψd

由表取值。11.5.1直齒圓柱齒輪傳動強度計算2直齒圓柱齒輪傳動的設計步驟(1)閉式軟齒面齒輪傳動（硬度≤350HBW)1）選擇齒輪材料、熱處理方式、精度等級，計算許用應力。2)合理選擇齒輪參數，按齒面接觸疲勞強度設計公式算出小齒3)計算齒輪的主要尺寸。4)校核所設計的齒輪的齒根彎曲疲勞強度。5)確定齒輪傳動的結構尺寸。6）繪制齒輪的零件圖。11.5.1直齒圓柱齒輪傳動強度計算2直齒圓柱齒輪傳動的設計步驟(2)閉式硬齒面齒輪傳動（硬度>350HBw)1)選擇齒輪材料、熱處理方式及精度等級。2)合理選擇齒輪參數，按齒根彎曲疲勞強度設計公式求出模數m，并按標準對模數進卜圓整。3)計算齒輪的主要尺寸。4)校核所設計的齒輪的齒面接觸疲勞強度。5)確定齒輪傳動的結構尺寸。6）繪制齒輪的零件圖。11.5.1直齒圓柱齒輪傳動強度計算2直齒圓柱齒輪傳動的設計步驟(3)開式齒輪傳動1)選擇齒輪材料、熱處理方式及精度等級，常選鋼與鑄鐵配對。2）合理選擇齒輪參數，按齒根彎曲疲勞強度設計公式求出模數m，并加大10%~20%，復標準模數。3)計算齒輪的主要尺寸。4)確定齒輪傳動的結構尺寸。5)繪制齒輪的零件圖。平行軸斜齒圓柱齒輪傳動的受力分析和強度計算0611.6.1斜齒圓柱齒輪的受力分析1作用力大小斜齒圓柱齒輪受力分析

圖所示為斜齒圓柱齒輪傳動的受力情況，若不計摩擦力，按分度圓上受力進行計算，以主動小齒輪為研究對象，作用于齒寬中點處的法向力垂直于齒面。為了便于分析計算，把分解為互相垂直的三個分力：圓周力徑向力

軸向力11.6.1斜齒圓柱齒輪的受力分析1作用力大小式中

T1——主動輪所受的轉矩（N?mm)；d1——主動輪分度圓直徑(mm)；

αn——法向(面)壓力角，αn=20°；

β——螺旋角。根據作用與反作用定律可知，兩輪所受法向力及其分力圓周力、徑向力、軸向力大小分別相等，方向分別相反。主動輪和從動輪所受的圓周力、徑向力的方向，與直齒圓柱齒輪傳動情況相同。其所受軸向力的方向決定于輪齒螺旋線方向和齒輪的轉向，可用下面方法確定：11.6.1斜齒圓柱齒輪的受力分析2作用力方向根據主動輪輪齒螺旋線方向對應用左手或右手，主動輪的轉向對應四指彎曲方向，則大拇指所指方向即為主動輪所受軸向力Fx1的方向，如圖所示。從動輪所受軸向力方向由作用力與反作用力關系確定。斜齒圓柱齒輪傳動主動輪軸向力方向判定11.6.1斜齒圓柱齒輪的受力分析2作用力方向輪齒受力分析（平面表示各力的方法）z2Ft2Ft1Fx1Fx2Fr2Fr1n1z1×．n2·表示力的方向穿出平面表示力的方向進入平面×11.6.2斜齒圓柱齒輪的強度計算1齒面接觸疲勞強度計算

斜齒輪的齒面接觸疲勞強度計算與直齒輪基本相似。對于一對鋼制齒輪，其簡化接觸強度校核公式為簡化接觸強度設計公式則為式中，當配對齒輪材料不是鋼對鋼時，常數590可根據配對材料系數ZE修正為590ZE/189.8。

11.6.2斜齒圓柱齒輪的強度計算2齒根彎曲疲勞強度計算斜齒圓柱齒輪的齒根彎曲強度，按其法面上的當量直齒圓柱齒輪計算。對一對鋼制的標準斜齒輪傳動，其簡化彎曲強度校核公式為

式中mn——為法向模數(mm)；

YFS——為符合齒形系數，應根據當量齒數（zv=z/cos3β）由圖6-28查取；[σF]——為許用彎曲應力，與直齒圓柱齒輪傳動的計算方法相同。

11.6.3斜齒圓柱齒輪主要參數的