机械设计基础第第4章齿轮传动.ppt

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1、教学基本要求教学基本要求 1)1)了解了解齿轮传动齿轮传动特点、分类特点、分类；2)2)掌握掌握齿轮传动的主要齿轮传动的主要失效形式失效形式及及设计准则设计准则；3)3)了解了解常用齿轮常用齿轮材料材料及及热处理方法热处理方法；4)4)掌握掌握齿轮传动的齿轮传动的受力分析受力分析、强度计算方法强度计算方法及及主要参数的选择主要参数的选择；5)5)了解了解齿轮传动齿轮传动润滑润滑及齿轮及齿轮结构结构。重点与难点重点与难点 齿轮传动的齿轮传动的受力分析受力分析、强度计算强度计算。 机械中应用最广泛的传动形式之一。机械中应用最广泛的传动形式之一。 4.1 概概 述述4.1.1齿轮传动的特点齿轮传动的

2、特点 （1）效率效率高高; （2）结构结构紧凑紧凑;（3）工作工作可靠、可靠、寿命寿命长长;（4）传动比传动比准确、恒定准确、恒定;（5）适用的速度和功率）适用的速度和功率范围广范围广;（6）要求加工精度和安装精度较高，制造时需要专用工具）要求加工精度和安装精度较高，制造时需要专用工具和设备，因此和设备，因此成本比较高成本比较高;（7）不宜不宜在两轴中心距很大的场合使用。在两轴中心距很大的场合使用。分分类类开式传动开式传动 半开式传动半开式传动闭式传动闭式传动按按齿齿型型分分按按装置装置型式型式分分按按使用使用情况情况分分硬齿面齿轮硬齿面齿轮（齿面硬度（齿面硬度 350HBS350HBS） 直

3、齿圆柱齿轮传动直齿圆柱齿轮传动斜齿圆柱齿轮传动斜齿圆柱齿轮传动锥齿轮传动锥齿轮传动人字齿轮传动人字齿轮传动动力齿轮动力齿轮 传动齿轮传动齿轮 按按齿面齿面硬度硬度分分软齿面齿轮软齿面齿轮（齿面硬度（齿面硬度 350HBS350HBS） 半开式齿轮传动半开式齿轮传动闭式传动闭式传动单级圆柱齿轮单级圆柱齿轮蜗杆传动蜗杆传动按按齿廓齿廓曲线曲线渐开线渐开线圆弧圆弧摆线摆线按按轴的轴的布置布置分分平行轴齿轮传动平行轴齿轮传动交错轴齿轮传动交错轴齿轮传动相交轴齿轮传动相交轴齿轮传动4.1.2 齿轮传动的分类齿轮传动的分类4.2 齿轮传动的失效形式及设计准则齿轮传动的失效形式及设计准则 4.2.1齿轮传动

4、的失效形式齿轮传动的失效形式 轮齿折断轮齿折断失效形式失效形式现象：现象：整体折断整体折断局部折断局部折断提高轮齿抗折断能力的措施：提高轮齿抗折断能力的措施：1）增大）增大齿根过渡圆角齿根过渡圆角半径半径，消除消除加工加工刀痕刀痕，减小齿根应，减小齿根应力集中；力集中； 2）增大）增大轴及支承的轴及支承的刚度刚度，使轮齿接触线上受载较为均匀；，使轮齿接触线上受载较为均匀； 3）采用合适的采用合适的材料材料和和热处理热处理形式使齿面形式使齿面较硬较硬，使轮齿芯，使轮齿芯部材料具有足够的部材料具有足够的韧性韧性； 4）采用采用喷丸、滚压喷丸、滚压等工艺，对齿根表层进行强化处理。等工艺，对齿根表层进

5、行强化处理。 齿面接触疲劳齿面接触疲劳齿面点蚀齿面点蚀轮齿折断轮齿折断失效形式失效形式点蚀：点蚀：轮齿啮合过程中，接触面轮齿啮合过程中，接触面间产生接触应力（两物体相互接触时，在表面上产生间产生接触应力（两物体相互接触时，在表面上产生的局部压力称为接触应力），该应力是脉动循环变化的局部压力称为接触应力），该应力是脉动循环变化的，在此应力的反复作用下，齿面表层就会产生细微的，在此应力的反复作用下，齿面表层就会产生细微疲劳裂纹，封闭在裂纹中润滑油在压力的作用下，产疲劳裂纹，封闭在裂纹中润滑油在压力的作用下，产生楔挤作用使裂纹扩大，最后导致表层金属小片状剥生楔挤作用使裂纹扩大，最后导致表层金属小片状

6、剥落，出现凹坑，形成麻点状剥伤，称为点蚀。落，出现凹坑，形成麻点状剥伤，称为点蚀。 措施：措施： 1)提高齿面硬度提高齿面硬度2)使用粘度大的润滑油使用粘度大的润滑油点蚀点蚀收敛性点蚀收敛性点蚀扩展性点蚀扩展性点蚀齿面点蚀齿面点蚀齿面胶合齿面胶合措施：措施： 1)加抗胶合添加剂加抗胶合添加剂2)减小齿面粗糙度减小齿面粗糙度3)增加润滑油粘度增加润滑油粘度4)降低齿高，减小模数降低齿高，减小模数轮齿折断轮齿折断失效形式失效形式胶合：胶合：在高速重载传动中，常因在高速重载传动中，常因齿面间相对滑动速度比较高而产齿面间相对滑动速度比较高而产生瞬时高温而导致润滑失效，造生瞬时高温而导致润滑失效，造成齿

7、面间的粘焊现象，粘焊处被成齿面间的粘焊现象，粘焊处被撕脱后，轮齿表面沿滑动方向形撕脱后，轮齿表面沿滑动方向形成沟痕，这种现象称为齿面胶合成沟痕，这种现象称为齿面胶合齿面胶合齿面胶合齿面磨损齿面磨损措施：措施：1)减小齿面粗糙度减小齿面粗糙度2)改善润滑条件，清洁环境改善润滑条件，清洁环境磨粒磨损磨粒磨损跑合磨损跑合磨损齿面点蚀齿面点蚀轮齿折断轮齿折断失效形式失效形式3)提高齿面硬度提高齿面硬度从动齿从动齿主动齿主动齿从动齿从动齿主动齿主动齿从动齿从动齿主动齿主动齿从动齿从动齿主动齿主动齿齿面胶合齿面胶合齿面磨损齿面磨损齿面点蚀齿面点蚀轮齿折断轮齿折断失效形式失效形式齿面塑性变形齿面塑性变形表面

8、凸出表面凸出表面凹陷表面凹陷措施措施:1)提高齿面硬度提高齿面硬度2)采用黏度大的润滑油采用黏度大的润滑油4.2.2设计准则设计准则 设计准则取决于齿轮可能出现的失效形式。设计准则取决于齿轮可能出现的失效形式。n对于软齿面闭式齿轮传动：对于软齿面闭式齿轮传动：常因齿面点蚀而失效，故通常先按常因齿面点蚀而失效，故通常先按齿齿面接触疲劳强度面接触疲劳强度进行设计，然后校核进行设计，然后校核齿根弯曲疲劳强度齿根弯曲疲劳强度。n对于硬齿面闭式齿轮传动：对于硬齿面闭式齿轮传动：其齿面接触承载能力较高，故通常先其齿面接触承载能力较高，故通常先按按齿根弯曲疲劳强度齿根弯曲疲劳强度进行设计，然后校核进行设计，

9、然后校核齿面接触疲劳强度齿面接触疲劳强度。n对于开式齿轮传动：对于开式齿轮传动：按按齿根弯曲疲劳强度齿根弯曲疲劳强度进行设计，通常进行设计，通常不校核不校核齿面接触疲劳强度。计算出的模数增大齿面接触疲劳强度。计算出的模数增大10-15%。n短时过载：短时过载：除以上计算准则外，还应进行除以上计算准则外，还应进行静强度静强度计算。计算。n高速大功率：高速大功率：除以上设计准则外，还应进行除以上设计准则外，还应进行散热能力散热能力计算。计算。4.3 齿轮常用材料齿轮常用材料4.3.1 常用的齿轮材料常用的齿轮材料 齿轮的齿体应有较高的齿轮的齿体应有较高的抗折断能力抗折断能力，齿面应有较强的，齿面应

10、有较强的抗抗点蚀点蚀、抗磨损抗磨损和较高的和较高的抗胶合能力抗胶合能力，即要求：齿面硬、芯部，即要求：齿面硬、芯部韧韧加工工艺性能及热处理性能良好。加工工艺性能及热处理性能良好。 常用齿常用齿轮材料轮材料锻钢锻钢 铸钢铸钢 铸铁铸铁常作为常作为低速低速、轻载轻载、不太重要不太重要的场合的齿轮材料；的场合的齿轮材料；适用于适用于高速高速、轻载轻载、且要求降、且要求降低噪声低噪声的场合。的场合。 非金属材料非金属材料 钢材的韧性好，耐冲击，通过热处理和化学处理可改善钢材的韧性好，耐冲击，通过热处理和化学处理可改善材料的机械性能，最适于用来制造齿轮。材料的机械性能，最适于用来制造齿轮。 耐磨性及强度

11、较好，常用于耐磨性及强度较好，常用于大尺寸齿轮大尺寸齿轮。含碳量为含碳量为(0.150.6)%的碳素钢或合金钢。的碳素钢或合金钢。一般一般齿轮用齿轮用碳素钢碳素钢，重要重要齿轮用齿轮用合金钢合金钢。表表4-2 常用齿轮材料及其机械性能常用齿轮材料及其机械性能 材料牌号材料牌号 热处理方法热处理方法 强度极限强度极限 屈服极限屈服极限 硬度硬度 (HBS)B / MPa S / Mpa 齿芯部齿芯部 齿面齿面HT250 250 170241 HT300 300 187255 HT350 350 197269 QT500-5 500 147241 QT600-2 600 229302 ZG310-

12、570 常化常化 580 320 156217 ZG340-640 650 350 169229 45 580 290 162217 45 217255 4050HRC 40Cr 241286 4855HRC 调质后表调质后表面淬火面淬火续表续表4-2 常用齿轮材料及其机械性能常用齿轮材料及其机械性能 材料牌号材料牌号热处理方法热处理方法强度极限强度极限B / MPa屈服极限屈服极限S / Mpa硬度硬度 (HBS)齿芯部齿芯部齿面齿面ZG340640调质调质70038024126945650 36021725530CrMnSi1100310360 90035SiMn7504502172693

13、8SiMnMo70055021726940Cr70050024128620Cr渗碳后淬火渗碳后淬火65040030020CrMnTi110085030012Cr2Ni4110085032020Cr2Ni41200110035035CrAlA调质后氮化调质后氮化(氮化氮化层层0.30.5)950750255321 85HV38CrMnAlA1000850255321 85HV夹布胶木夹布胶木100 2535 4.3.2 齿轮热处理齿轮热处理n1）调质或正火调质或正火n2）整体淬火整体淬火n3）表面淬火表面淬火n4）渗碳淬火渗碳淬火n5）氮化氮化 表面硬度可达表面硬度可达（4555）HRC，承载能

14、力高，耐承载能力高，耐磨性强磨性强，适于高速齿轮传动。工艺简单，但，适于高速齿轮传动。工艺简单，但轮齿变形大轮齿变形大，芯部韧芯部韧性差性差。不适于冲击载荷。热处理后需磨齿、研齿等。不适于冲击载荷。热处理后需磨齿、研齿等精加工精加工。 正火能正火能消除内应力、细化晶粒、改善力学性能和切消除内应力、细化晶粒、改善力学性能和切削性能削性能。机械强度要求不高的齿轮可用中碳钢正火处理。大直。机械强度要求不高的齿轮可用中碳钢正火处理。大直径的齿轮可用铸钢正火处理。径的齿轮可用铸钢正火处理。 调质一般用于调质一般用于中碳钢和中碳合金钢中碳钢和中碳合金钢，如，如45、40Cr、35SiMn等。调质处理后齿面

15、等。调质处理后齿面硬度为：硬度为：220260HBS 。因为硬。因为硬度不高，故可在热处理后精切齿形，且在使用中易于跑合。度不高，故可在热处理后精切齿形，且在使用中易于跑合。1)调质调质2)正火正火3) 整体淬火整体淬火 一般用于一般用于中碳钢和中碳合金钢中碳钢和中碳合金钢，如，如45、40Cr等。等。表面淬火后表面淬火后轮齿变形小轮齿变形小，可不磨齿，硬度可达可不磨齿，硬度可达5256HRC，面硬面硬芯软芯软，能承受一定冲击载荷。，能承受一定冲击载荷。4)表面淬火表面淬火 渗碳钢为含碳量渗碳钢为含碳量0.150.25%的的低碳钢和低碳合金低碳钢和低碳合金钢钢，如，如20、20Cr等。齿面等。

16、齿面硬度达硬度达5662HRC，齿面接触强度高，齿面接触强度高，耐磨性好，齿芯韧性高耐磨性好，齿芯韧性高。常用于受冲击载荷的重要传动。通常渗。常用于受冲击载荷的重要传动。通常渗碳淬火后碳淬火后要磨齿要磨齿。 渗氮是一种化学处理。渗氮后齿面渗氮是一种化学处理。渗氮后齿面硬度可达硬度可达6062HRC。氮化处理温度低，轮齿变形小，适用于难以磨齿的。氮化处理温度低，轮齿变形小，适用于难以磨齿的场合场合，如内齿轮。材料为：，如内齿轮。材料为：38CrMoAlA.6) 渗氮渗氮 5) 渗碳淬火渗碳淬火特点及应用：特点及应用： 调质、正火处理后的硬度低，调质、正火处理后的硬度低，HBS 350，属软齿面，工属软齿面，工艺简单、艺简单、用于一般传动用于一般传动；当大小齿轮都是软齿面时，因小轮齿；当大小齿轮都是软齿面时，因小轮齿根薄，弯曲强度低，故在选材和热处理时，根薄，弯曲强度低，故在选材和热处理时，小轮比大轮硬度高小轮比大轮硬度高: : 2050HBS 表面淬火、渗碳淬火、渗氮处理后齿面表面淬火、渗碳淬火、渗氮处理后齿面硬度高硬度高，属硬齿面。，属硬齿面。其承载能力高，但一般需要磨齿。常用于其承载