齿轮传动-失效形式

第7章齿轮传动教学目标：了解齿轮传动的失效形式及设计准则；了解齿轮材料及选用原则；能够计算齿轮传动的计算载荷；能够进行标准直齿圆柱齿轮的受力分析。教学重点:1.齿轮传动的失效形式及设计准则；2.标准直齿圆柱齿轮的受力分析。教学难点：标准直齿圆柱齿轮的受力分析。一、齿轮传动的特点（1）适用的圆周速度和功率范围广；（2）传动效率高；（3）传动比稳定；（4）工作可靠,寿命较长；（5）可实现任意轴之间的传动。2、缺点：（1）要求较高的制造和安装精度，成本高；（2）不适宜于远距离两轴之间的传动。第一节概述1、优点：二、齿轮传动的分类按齿轮类型分：直齿圆柱齿轮传动斜齿圆柱齿轮传动锥齿轮传动按装置形式分：开式传动、半开式传动、闭式传动。按使用情况分：动力齿轮─以动力传输为主，常为高速重载或低速重载传动。传动齿轮─以运动准确为主，一般为轻载高精度传动。按齿面硬度分：软齿面齿轮（齿面硬度≤350HBS或38HRS）硬齿面齿轮（齿面硬度＞350HBS或38HRS）1.轮齿折断第二节齿轮传动的失效形式及设计准则一、齿轮的失效形式1.轮齿折断：折断发生在齿根处1）过载折断（淬火钢和铸铁齿轮常见的失效形式）；2）疲劳折断。采取措施：1）材料及热处理；2）增大模数；3）增大齿根圆角半径消除刀痕；4）喷丸、滚压处理；5）增大轴及支承刚度。2.齿面点蚀：轮齿接触表面在变化的接触应力作用下，由于疲劳而产生的麻点剥蚀损伤现象，开始是针尖大小麻点，逐渐扩展连成片状。点蚀一般首先出现在齿根靠近节线处，再向其它部位扩展。主要措施：提高齿面硬度；降低齿面粗糙度；增大润滑油粘度；采用合理变位。形成原因：轮齿在节圆附近一对齿受力，载荷大；滑动速度低形成油膜条件差；接触疲劳产生麻点。3.齿面磨损主要措施：采用闭式传动；提高齿面硬度；降低齿面粗糙度；采用清洁的润滑油。原因：相对滑动；润滑不良；存在杂质。4.齿面胶合：齿面粘连后撕脱防止胶合的措施：提高齿面硬度；降低齿面粗糙度；增大润滑油粘度；限制油温。原因：高速重载；滑动速度大；散热不良；齿面金属熔化粘连后撕脱——热胶合低速重载，由于齿面间油膜破坏，也会出现胶合——冷胶合5.塑性变形措施：提高齿面硬度；增大润滑油粘度。原因：重载，齿面软二.齿轮传动设计准则1、对于闭式齿轮传动：对高速重载齿轮传动，除以上两设计准则外，还应按齿面抗胶合能力的准则进行设计。1）软齿面（≤350HBS）齿轮主要失效形式是齿面点蚀，故可按齿面接触疲劳强度设计计算，按齿根弯曲疲劳强度校核.2）硬齿面（350HBS）或铸铁齿轮，由于抗点蚀能力较高，轮齿折断的可能性较大，故可按齿根弯曲疲劳强度设计计算，按齿面接触疲劳强度校核。2、对于开式齿轮传动，齿面磨损为其主要失效形式，故通常按照齿根弯曲疲劳强度进行设计计算，确定齿轮的模数，考虑磨损因素，再将模数增大10%——20%。齿面要硬、齿芯要韧，即:(1)齿面应有足够的硬度，以抵抗齿面磨损、点蚀、胶合以及塑性变形等；(2)齿芯应有足够的强度和较好的韧性，以抵抗齿根折断和冲击载荷；(3)应有良好的加工工艺性能及热处理性能，使之便于加工且便于提高其力学性能。一、齿轮材料的基本要求第三节齿轮的材料及其选用原则1．锻钢锻钢因具有强度高、韧性好、便于制造、便于热处理等优点，大多数齿轮都用锻钢制造。(1)软齿面齿轮：齿面硬度350HBS，常用中碳钢和中碳合金钢，如45钢．40Cr，35SiMn等材料，进行调质或正火处理。这种齿轮适用于强度、精度要求不高的场合，轮坯经过热处理后加工，生产便利、成本较低。(2)硬齿面齿轮:硬齿面齿轮的齿面硬度大于350HBS，常用的材料为中碳钢或中碳合金钢经表面淬火或渗碳淬火处理。加工后进行热处理,若变形过大,则需精加工。二、齿轮的常用材料2．铸钢当齿轮的尺寸较大(大于400一600mm)而不便于锻造时，可用铸造方法制成铸钢齿坯，再进行正火处理以细化晶粒。3．铸铁低速、轻载场合的齿轮可以制成铸铁齿坯。当尺寸大于500mmm时可制成轮辐式齿轮。在确定大、小齿轮硬度时应注意使小齿轮的齿面硬度比大齿轮的齿面硬度高20一50HBS，这是因为小齿轮轮齿啮合次数比大齿轮多，且小齿轮齿根较薄．为使两齿轮的轮齿接近等强度，小齿轮的齿面要比大齿轮的齿面硬一些。补充：机械制造常用材料一、常用材料钢常用金属材料铸铁有色金属合金——含碳量2%——含碳量≤2%铁碳合金非金属材料橡胶塑料等1、钢：按化学成分：碳素钢按含碳量：低碳钢0.25%合金钢中碳钢0.25%~0.5%高碳钢0.5%按质量：普通钢优质钢按用途：结构钢特殊钢按冶炼时脱氧程度和钢锭中气孔存在情况：镇静钢沸腾钢（1）普通碳素结构钢Q235-A、F，MPas235（2）优质碳素结构钢25、35、45、60--平均含碳量（3）合金结构钢25Cr2MoV（4）铸钢ZG235-450、ZG35SiMn特点：钢具有高的强度、韧性和塑性。可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。选用原则：优选碳素钢，其次是硅、锰、硼、钒类合金钢。零件毛坯获取方法：锻造、冲压、焊接、铸造等。应用：应用范围极其广泛。2、铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。特点：良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零件。较好的减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）、成本低廉应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之钢的热处理是指将钢在固态下进行不同温度的加热、保温和冷却的方法，是其内部组织结构发生变化，从而达到提高零件的力学性能和改善其工艺性能的目的。温度保温加热临界温度淬火回火退火正火调质常用的热处理方法有：退火、正火、淬火、回火、调质及表面热处理等。二、钢的热处理简介1退火是将钢加热到临界温度（约723℃）以上（30-50℃），保温一段时间，然后工件随炉温缓慢冷却。消除锻造、焊接的内应力，降低硬度，改善切削加工性能。2正火与退火相似，只是在保温后，在空气中冷却，冷却速度比退火快。作用于退火类似，但比退火经济，可作为零件的最终热处理。3淬火是将钢加热到临界温度以上，保温一段时间，而后在水、盐水或油中快速冷却。获得高强度和高硬度，提高耐磨性和耐蚀性。但产生很大内应力，降低塑性和韧性，故应回火已得到较好的综合性能。4回火是将淬火钢重新加热到临界温度以下的某一温度，保温一段时间，然后冷却。根据加热温度不同，回火可分为低温回火、中温回火和高温回火三种。低温回火的加热温度为150-250℃，适用于刀具、量具、滚动轴承等；中温回火的加热温度为300-450℃，适用于有弹性要求的零件，如弹簧；高温回火的加热温度为450-650℃，适用于各种重要的机械零件，如齿轮、轴、重要螺栓等。强、硬、韧性、塑性好高温如弹簧提高了弹性硬度有所下降中温减小内应力脆性低温650~500:.,450~350:250~150:回火5调质—淬火后高温回火。6表面热处理是强化零件表面的重要手段，常用的方法有表面淬火和化学热处理两种。1)表面淬火是将机械零件需要强化的表面迅速加热到淬火温度，随即快速将该表面冷却的热处理方法。2)化学热处理是将机械零件放在含有某种化学元素（如碳、氮等）介质中加热保温，使该元素的活性原子渗入到零件表面的热处理方法。根据渗入原始的不同，常用的化学热处理方法有渗碳(常用于低碳钢或低碳合金刚)、氮化和氰化（碳氮共渗，用于低碳钢或中碳钢）等。三、材料的选用原则：（1）使用要求：工作和受载情况工作情况：介质、温度、摩擦性质受载情况：载荷大小、应力种类（2）工艺要求：锻造性能焊接性能切削加工性能热处理性能（3）经济性铸造性能三、齿轮材料的选择原则1）齿轮材料必须满足工作条件的要求。2）应考虑齿轮尺寸大小、毛坯成型方法、热处理、制造工艺。3）正火碳钢，不论毛坯的制作方法如何，只能用于制作在载荷平稳或轻度冲击下工作的齿轮；调质碳钢可用于中等冲击载荷下工作的齿轮。4）合金钢常用于制作高速、重载并在冲击载荷下工作的齿轮。5）飞行器中的齿轮传动，要求齿轮尺寸尽可能小，应采用表面硬化处理的高强度合金钢。（1）、传递的准确性—Ⅰ（从动转动一周的转角误差不超过许用值）（2）、传动的平稳性—Ⅱ（瞬时传动比i不超过许用值）（3）、载荷分布的均匀性—Ⅲ（接触面上载荷分布均匀）1、精度要求齿轮的精度2、精度等级齿轮精度规定了1～12的12个等级，其中，1级精度最高，12级精度最低。表齿轮传动的功能要求与齿轮精度项目的主要关系功能要求精度项目运动精度平稳性精度接触精度ppkiirFFFFF齿距累积总公差，齿距累积极限偏差，切向综合总公差，径向综合总公差，径向跳动公差afHptiFfffff齿廓总公差，齿廓形状公差，齿廓倾斜极限偏差，单个齿距极限偏差，一齿切向综合公差，一齿径向综合公差fHFff螺旋线总公差，螺旋线形状公差，螺旋线倾斜极限偏差3、精度标注方法8—7—7—GMJB179-81齿厚下偏差齿厚上偏差第III公差组的精度等级第II公差组的精度等级第I公差组的精度等级