齿轮(精品 值得参考)

第4章齿轮传动基本要求及重点、难点：齿轮传动的失效形式和设计准则。齿轮常用材料及热处理形式。齿轮传动的计算载荷。齿轮传动的受力分析，齿轮传动的承载能力计算。齿轮的结构。齿轮传动的设计（材料、热处理、精度、主要参数的选择与确定、几何尺寸计算、结构、齿轮公差等）。基本要求:1)掌握齿轮传动的失效形式及其机理、失效部位，以及针对不同失效形式的设计计算准则。2)掌握选用齿轮材料及热处理方式的基本要求。3)理解计算载荷的定义及载荷系数的物理意义、影响因素及减小载荷系数的措施。4)熟练掌握齿轮传动的受力分析方法——包括假设条件、力的作用点、各分力大小的计算与各分力方向的判断。5)掌握直齿圆柱齿轮传动的齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度计算的力学模型、理论依据、力作用点及计算点（或截面）、应力的类型及变化特性，掌握强度计算公式中各参数的物理意义及其对应力（或强度）的影响，掌握斜齿圆柱齿轮传动强度计算的特点。6)掌握齿轮传动的设计方法与步骤（包括材料、热处理方式和精度选择、参数选择和结构设计）。重点与难点：4.1概述一、齿轮传动的类型齿轮图片矿石球磨机内啮合齿轮传动圆锥齿轮传动人字齿轮传动斜齿轮传动1．按照两轴相对位置和齿的螺旋方向分类；2．按照齿轮的工作条件的不同可分为：闭式传动（如汽车变速箱、机床主轴箱齿轮，减速器齿轮）、开式传动（如水泥搅拌机齿轮、卷扬机齿轮）和半开式传动；3．按照齿轮齿面硬度的不同，齿轮传动可分为软齿面传动(≤350HBw)和硬齿面传动(350HBw)；4．齿轮传动还可以根据其传动比i是否恒定，可以分为圆形齿轮传动（i恒定即定比传动）和非圆形齿轮传动（i是变化的即变比传动）；本章只介绍圆形齿轮传动。5．按照齿轮节圆线速度的高低可分为：低速传动中速传动高速传动3/vmssmvsm/15/36．按照齿轮传递的功率大小可分为：轻载传动；中载传动；重载传动smv/15二、齿轮传动的特点：三、齿轮传动应满足的基本要求1.传动准确平稳(provisionofangularvelocityratiosthatareexactlyconstant)即要求其瞬时传动比i恒定不变，以免齿轮传动在工作的过程中产生冲击、振动和噪声。2.承载能力高(highercapacity)即要求齿轮传动尺寸小，重量轻，传递较大的动力，且有较长的安全使用寿命。满足齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度。4.2齿轮传动的失效形式及设计准则齿轮传动因其润滑方式不同，材料及热处理方式不同，齿轮传动的载荷和速度范围不同，即工作条件及齿面硬度的不同，所表现出的主要失效形式也不同。下面分别讨论各种主要的失效形式：失效部位:一般情况下，齿轮传动的失效部位主要集中在轮齿（带传动的失效部位是带，链传动的失效部位是链条）。一、失效形式1.轮齿折断(ToothFracture)轮齿折断分类及产生的原因过载折断折断分类疲劳折断疲劳折断产生原因：①齿根处弯曲应力较大；②齿根处过渡圆弧处有应力集中，当轮齿重复受载后，弯曲变应力的作用，齿根处产生疲劳裂纹，并逐步扩展，致使轮齿疲劳折断。过载折断产生原因：①突然过载或者强烈冲击；②模数太小，齿根厚度太小，材料太脆。全齿折断：直齿轮局部折断：斜齿轮接触线倾斜、齿宽方向接触不良折断形式在斜齿圆柱齿轮传动中，轮齿工作面上的接触线为一斜线，轮齿受载后，如有载荷集中时，就会发生局部折断。若制造及安装不良或轴的弯曲变形过大，轮齿局部受载过大时，即使是直齿圆柱齿轮，也会发生局部折断。产生的部位：通常发生在轮齿的根部。因轮齿受力似悬臂梁受力情况，齿的根部应力最大且有应力集中。轮齿折断是一种最危险的失效形式，应避免其发生。轮齿折断实例防止或减轻的途径：设计保证sF≤[sF]增大齿根圆角半径适当降低齿根圆角表面粗糙度齿根处采用强化措施(如喷丸处理)避免出现热处理裂纹减轻加工损伤，如磨削烧伤、滚切拉伤增大轴及轴承的刚性，使齿轮接触线上受载均匀采用合理的热处理方法，齿芯有足够的韧性2.齿面点蚀(SurfacePitting)齿面点蚀的概念：齿轮工作时，齿面受脉动循环变应力的作用。在这种变应力的作用之下，齿面首先产生疲劳裂纹，然后齿面金属小块剥落，形成小凹坑。这种小凹坑不断增多或扩展成大凹坑，这种现象称为齿面点蚀。①齿面接触应力太大；②当出现裂纹时，油渗入裂纹产生楔裂作用。产生原因：产生的部位：实践表明齿面点蚀首先出现在节线附近的齿根表面处。因节线附近相对滑动速度低，不易形成油膜，齿啮合对数少。主动被动注意的问题：1）润滑油的品质对齿面点蚀有重要影响。粘度低的润滑油加快裂纹的扩展。收敛性点蚀扩展性点蚀点蚀a.闭式软齿面齿轮出现的是收敛性点蚀b.闭式硬齿面齿轮不太容易出现疲劳点蚀，但一经发生就将形成扩展性点蚀c.开式齿轮传动一般看不到点蚀现象2）点蚀实例防止或减轻的途径：设计保证sHsH]提高齿面硬度降低齿面粗糙度采用合理的变位，大的变位系数和xS=x1+x2可以增大综合曲率半径增大润滑油粘度减小动载荷3.齿面磨损(Tooth-faceWear)齿面磨损磨粒磨损：硬颗粒进入啮合面研磨磨损：齿面相互摩擦齿面磨损产生的严重后果是：齿廓失去正确形状，侧隙增大，冲击与噪声变得更为明显，甚至折断轮齿。磨损是开式齿轮传动的主要失效形式。砂粒、金属微粒进入啮合齿面，产生磨粒磨损。产生原因：齿面磨损实例跑合：闭式齿轮传动在开始运转期间，由于齿面粗糙而压强很大，因此也发生齿面研磨磨损；运转一段时间之后，齿面粗糙度降低，压强减小，加上润滑条件的改善，磨损现象逐渐减少，这一过程称为磨合（跑合）。跑合无害有益，但应及时更换箱体内的润滑油，以免出现磨粒磨损。防止或减轻的途径：采用硬齿面或采用闭式齿轮传动降低表面粗糙度值减低滑动系数注意润滑油的清洁加防护装置4.齿面胶合(Tooth-faceScuffing)在高速重载的齿轮传动中，由于齿面间压力大，相对滑动速度高，因而发热量大，使啮合区温度增高而引起润滑失效，相啮合两齿面金属直接接触并在瞬间相互粘连，齿轮继续转动时，较弱齿面上的金属沿滑动方向被撕出沟纹这种现象称为齿面胶合。在低速重载传动中，也可能出现胶合。温度过高，引起油膜破裂热胶合：高速重载，齿面间摩擦力，发热量大；冷胶合：低速重载，速度过低，不易产生油膜。产生原因：产生的部位：在齿顶及齿根处，相对滑动速度较大，因此胶合沟纹首先出现在齿顶面及齿根面啮合处。齿面胶合实例防止或减轻的途径：采用角度变位齿轮传动以降低滑动系数采用较小模数，降低相对滑动速度选用抗胶合能力强的润滑剂（极压润滑剂）选用粘度较大的润滑油选择抗胶合好的齿轮副材料材料相同时，使大、小齿轮保持适当硬度差提高齿面硬度和降低表面粗糙度值使用前进行跑合5.塑性变形(PlasticDistortion)齿面较软的齿轮在载荷及摩擦力较大时，轮齿表面金属可能产生塑性流动，从而失去原来的正确齿形，这种现象称为轮齿的塑性变形。产生原因：①齿面太软；②载荷太大。产生的场合：低速重载和起动、过载频繁的齿轮传动。变形与摩擦力方向的关系塑性变形实例防止或减轻的途径：适当提高润滑油的粘度适当提高齿面硬度小结被动相对滑动方向主动主动被动弯曲折断磨损塑性变形。。。。。。。。。。现象与原因？改进措施？点蚀胶合二、计算准则齿轮的计算准则取决于齿轮可能出现的失效形式。一对实际啮合齿轮不可能同时产生以上5种失效形式，在具体工作条件下，主要以以上5种失效形式的一种或两种。确定轮齿究竟产生哪种失效，主要取决于齿轮齿面硬度和具体工作条件。计算准则：对于软齿面闭式齿轮传动：常因齿面点蚀而失效，故通常先按齿面接触疲劳强度进行设计，然后校核齿根弯曲疲劳强度。对于硬齿面闭式齿轮传动：其齿面接触承载能力较高，故通常先按齿根弯曲疲劳强度进行设计，然后校核齿面接触疲劳强度。开式齿轮传动主要失效形式为：齿面磨损、轮齿折断对于开式齿轮传动：按齿根弯曲疲劳强度进行设计，不需要校核齿面接触疲劳强度。设计准则：高速重载：胶合重载软齿：塑性变形短时过载：除以上计算准则外，还应进行静强度计算。高速大功率：除以上设计准则外，还应进行抗胶合计算。4.3齿轮的常用材料一、对材料的基本要求：基本要求：选取材料及热处理方法应考虑下列要求：1）齿面应有足够的硬度，以保证其抗点蚀和抗磨损的能力；2）轮齿要有足够的强度（对受冲击载荷的齿轮，芯部还应有足够的韧性）以保证其抗折断的能力；3）根据摩擦学的观点，大、小齿轮的齿面硬度应有一定的硬度差（HBW1-HBW2=25~50）或采用不同牌号的材料，有利于其抗胶合能力的提高；4）工艺性及经济性要满足要求。常用的齿轮材料是各种牌号的优质碳素钢、合金结构钢、铸铁和铸钢等。表4-2列出了常用的齿轮材料及其热处理后的硬度。二、常用材料1）闭式软齿面齿轮传动常用的材料有35，45，40Gr和35SiMn经调质或正火处理。此类材料的特点是制造方便，多用于对强度、速度和精度要求不高的一般机械传动中。2）闭式硬齿面齿轮传动常用的材料有20，20Gr，20GrMnTi表面渗碳淬火和45，40Gr表面淬火或整体淬火，一般齿面硬度为45～65HRC。通常两齿轮轮齿采用相同的齿面硬度。此类材料的特点是制造较复杂，精度要求高，多用于高速、重载及精密机械中。3）当齿轮尺寸较大（如直径大于400～600mm）而轮坯不易锻造时，可采用铸钢；开式低速传动可采用灰口铸铁；球墨铸铁有时可代替铸钢。三、热处理方式1）整体淬火2）表面淬火3）渗碳淬火4）调质和正火处理5）氮化及氰化处理1）整体淬火适用场合：需低温回火消除内应力，不适用于承受冲击载荷的齿轮效果：处理后，齿面硬度HRC≥50，但轮齿变形大，需磨削或研磨后处理常用材料：45、40Cr等2）表面淬火适用场合：承受中等冲击载荷的齿轮需进行表面淬火处理效果：芯部未淬硬，故有一定的冲击韧性，齿面硬度HRC≥45~55，且齿面接触强度高、耐磨性好。淬火后齿形变化不大，可不磨齿常用材料：45、40Cr等3）渗碳淬火适用场合：冲击载荷很大，需采用渗碳淬火齿轮效果：齿面硬度可达HRC≥56~62，强度高，耐磨性好，轮芯具有较高的冲击韧性，但易变形，一般要磨齿常用材料：20Cr、20CrMnTi等4）调质和正火处理适用场合：不需要高硬度的一般齿轮传动可采用该方法效果：硬度不高HBW≤300，可先热处理后切齿。这类齿轮在使用中易跑合、工艺过程简单常用材料：调质（中碳钢、中碳合金钢）正火（Q275、Q295、中碳钢）5）氮化及氰化处理适用场合：处理后有很高的硬度和强度，但硬化层较薄较脆，不宜承受冲击载荷效果：变形小，不需进行磨齿加工常用材料：渗氮（42CrMo、38CrMoAl）小结：调质和正火处理，属软齿面齿轮传动表面淬火、渗碳淬火及氮化处理等，属硬齿面齿轮传动四、材料的选择原则（1）齿轮材料必须满足工作条件的要求。工作条件的要求是选择齿轮材料时首先应考虑的因素。（2）应考虑齿轮尺寸的大小、毛坯成型方法及热处理和制造工艺。（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，不能承受大的冲击载荷；调质碳钢可用于制作在中等冲击载荷下工作的齿轮；合金钢常用于制作高速、重载并在冲击载荷下工作的齿轮，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。（4）考虑配对两齿轮的齿面硬度组合，对金属制的软齿面齿轮，配对两轮齿面的硬度差应保持（25～50）HBW或更多。当小齿轮与大齿轮的齿面具有较大的硬度差，且速度又较高时，在运转过程中较硬的小齿轮齿面对较软的大齿轮齿面，会起较显著的冷作硬化效应，从而提高了大齿轮齿面的疲劳极限。齿面硬度匹配1．软齿面传动时：HBW小=HBW大+(30~50)HBW小HBW大对大齿轮冷作硬化2．硬齿面传动时：HBW小≈HBW大4.4直齿圆柱齿轮传动的受力分析为了计算轮齿的强度、设计轴和轴承，需先分析轮齿上的作用力。一、直齿圆柱齿轮传动的受力分析研究的对象：一对标准安装的标准直齿圆柱齿轮。假设