第03章 齿轮传动设计(很实用的!!)

第03章 齿轮传动设计

第3章

齿轮传动设计

§3-1 概 述

优点：◆ ◆ ◆ ◆ ◆ 传动效率高 ◆ 工作可靠、寿命长 ◆ 传动比准确 ◆ 结构紧凑 功率和速度适用范围很广

缺点：制造成本高 精度低时振动和噪声较大 不宜用于轴间距离较大的传动

《机械设计》

§ 3-1 齿轮传动概述

第03章 齿轮传动设计

学习本章的目的本章学习的根本目的是掌握齿轮传动的设计方法，也 就是要能够根据齿轮工作条件的要求，能设计出传动可靠 的齿轮

设计齿轮——设计确定齿轮的主要参数以及结构形式主要参数有：模数m、齿数z、螺旋角β以及齿宽b、中心距a、 直径(分度圆、齿顶圆、齿根圆)、变位系数、力的大小

《机械设计》

§ 3-1 齿轮传动概述

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齿轮类型： — 外形及轴线： — 根据装置形式： 开式齿轮齿轮完全外露，润滑条件差，易磨 损，用于低速简易设备的传动中 齿轮完全封闭，润滑条件好

闭式齿轮

半开式齿轮

有简单的防护罩

《机械设计》

§ 3-1 齿轮传动概述

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— 根据齿面硬度(hardness): 硬度：金属抵抗其它更硬物体压入其表面的能力 硬度越高，耐磨性越好 硬度检测方法：D

P

布氏硬度法(HBS) 洛氏硬度法(HRC) 软齿面 硬齿面

d

齿面硬度 ≤ 350HBS或 ≤ 38HRC

P

齿面硬度 > 350HBS或 > 38HRC120o

h

《机械设计》

§ 3-1 齿轮传动概述

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§3-2

齿轮传动的失效形式和设计准则

一、齿轮传动的失效形式1、轮齿折断(Tooth breakage) ◆ 疲劳折断齿根受弯曲应力 裂纹不断扩展 初始疲劳裂纹 轮齿折断

◆ 过载折断 短时过载或严重冲击 静强度不够 全齿折断— 齿宽较小的齿轮 局部折断— 斜齿轮或齿宽较大的直齿轮 措施：增大模数(主要方法)、增大齿根 过渡圆角半径、增加刚度(使载荷分布均 匀)、采用合适的热处理(增加芯部的韧 性)、提高齿面精度、正变位等《机械设计》

疲劳折断是闭 式硬齿面的主 要失效形式！

§3-2 齿轮传动的失效形式和设计准则

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2、疲劳点蚀(Fatigue pitting) 产生机理： 齿面受交变的接触应力 产生初始疲劳裂纹 润滑油进入裂纹并产生挤压 表层金属剥落

注意：

麻点状凹坑

◆ 凹坑先出现在节线附近的齿根表面上，再向其它部位扩展◆ 其形成与润滑油的存在密切相关 ◆ 常发生于闭式软齿面(HBS≤350)传动中 ◆ 开式传动中一般不会出现点蚀现象 (磨损较快) 措施： 提高齿面硬度和质量、增大直径 (主要方法)等《机械设计》 §3-2 齿轮传动的失效形式和设计准则

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3、齿面胶合 产生机理： 高速重载 摩擦热使油膜破裂 齿面金属直接接触并粘接 齿面相对滑动 较软齿面金属沿滑动方向被撕落

热胶合

低速重载

不易形成油膜

表面膜被刺破而粘着

现象

:齿面上相对滑动方向形成伤痕 措施：采用异种金属、降低齿高、提高齿面硬度

冷胶合

(配对齿轮采用异种金属时，其抗胶合能力比同种金属强)《机械设计》 §3-2 齿轮传动的失效形式和设计准则

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4、齿面磨损 磨损后齿廓形状破坏，齿厚减薄 是开式传动的主要失效形式 措施：改善润滑和密封条件 5、齿面塑性变形 机理：若齿面材料较软 且载荷及摩擦力很大齿面金属会沿摩擦力的方向流动

现象： 主动轮在节线附近形成凹沟；从动轮则形成凸棱

措施：提高齿面硬度，采用油性好的润滑油《机械设计》 §3-2 齿轮传动的失效形式和设计准则

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二、齿轮传动的设计准则(design criteria) 主要针对轮齿疲劳折断和齿面疲劳点蚀这两种失效形式齿轮工作时，要保证足够的齿根弯曲疲劳强度和齿面接触疲劳强度

1、闭式软齿面 主要失效：疲劳点蚀 先按sH≤sHP算出齿轮主要尺寸， 再校核sF≤sFP按接触疲劳强度设计， 校核弯曲疲劳强度

2、闭式硬齿面 主要失效：轮齿折断 先按sF≤sFP算出齿轮的主要尺寸， 再校核sH≤sHP按弯曲疲劳强度设计，校核接触疲劳强度

3、开式齿轮主要是：齿面磨损 其次是：轮齿折断 按弯曲疲劳强度设计，不需校核接触疲劳强度 把模数增大10%左右考虑磨损的影响《机械设计》 §3-2 齿轮传动的失效形式和设计准则

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§3-3

齿轮材料、热处理及精度

一、对齿轮材料性能的要求齿轮的齿体应有较高的抗折断能力，齿面应有较强的抗点蚀、 抗磨损和较高的抗胶合能力，即要求：齿面硬、芯部韧

二、常用齿轮材料45钢

钢材韧性好，耐冲击，可通过热处理和化学处 理来改善其机械性能，最适于用来制造齿轮最常用，经济、货源充足 35SiMn、40MnB、40Cr等 20Cr、20CrMnTi等 如何选材？考虑工作条件、载荷性质、 经济性、制造方法等§3-3 齿轮材料、热处理及精度

锻钢金属 材料 非金属 材料《机械设计》

中碳合金钢 低碳合金钢

铸钢

ZG310-570、ZG340-640等 HT350、QT600-3等 塑料、夹布胶木等

铸铁

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二、热处理(heat treatment)调 质 软齿面 正 火用于中碳或中碳合金钢，如45、40Cr、35SiMn等。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 能消除内应力、细化晶粒、改善力学性能和切削性能。机 械强度要求不高的齿轮可用中碳钢正火处理。大直径的齿 轮可用铸钢正火处理 用于中碳钢和中碳合金钢，如45、40Cr等。表面淬火后轮 齿变形小，可不磨齿，硬度可达52~56HRC,面硬芯软， 能承受一定冲击载荷 渗碳钢为含碳量0.15 % ~0.25%的低碳钢和低碳合金钢， 如20、20Cr等。齿面硬度达56~62HRC,齿面接触强度高， 耐磨性好，齿芯

韧性高。常用于受冲击载荷的重要传动。 通常渗碳淬火后要磨齿

表面淬火

硬齿面

渗碳淬火

表面氮化

一种化学处理方法。渗氮后齿面硬度可达60~62HRC。氮 化处理温度低，轮齿变形小，适用于难以磨齿的场合，如 内齿轮。材料为：38CrMoAlA.§3-3 齿轮材料、热处理及精度

《机械设计》

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特点及应用： 调质、正火处理后的硬度低，HBS ≤ 350,属软齿面，工 艺简单、用于一般传动

注意：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，小轮比大轮硬度高: 30~50HBS 表面淬火、渗碳淬火、渗氮处理后齿面硬度高，属硬齿 面。其承载能力高，但一般需要磨齿。常用于结构紧凑 的场合

《机械设计》

§3-3 齿轮材料、热处理及精度

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三、齿轮传动的精度(accuracy) GB10095-88将齿轮精度分为三个公差组：第Ⅰ公差组 - 反映运动精度，即运动的准确性 第Ⅱ公差组 - 反映工作平稳性精度 第Ⅲ公差组 - 反映接触精度，载荷分布的均匀性

每个公差组有13个等级，0级最高，12级最低常用6~9级，且三个公差组可取不同等级 精度标注示例： 8-8-7-FLⅠ Ⅱ Ⅲ

Ⅱ精度等级按表3-5查取齿厚下偏差代号 齿厚上偏差代号

若3项精度相同，则记为： 8-FL《机械设计》 §3-3 齿轮材料、热处理及精度

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齿轮副的侧隙：

齿厚上偏差

齿厚下偏差

《机械设计》

§3-3 齿轮材料、热处理及精度

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§3-4一、受力分析

直齿圆柱齿轮传动的强度计算设为标准齿轮，标准中心距安装，力集中作用 在齿宽中点，忽略摩擦力

b a αFn1 c Ft1 Fr1 P T1

Fn1 Fn2

Fr1

Fn1 Ft1

在节点C 处进行分 解

《机械设计》

§3-4 直齿圆柱齿轮传动的强度计算

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作用在齿轮间只有一个法向力Fn,其 方向不变 ，始终沿啮合线作用

1、力的大小 将主动轮的Fn在节点C处进行分解： 圆周力： F 2T1 2T2 F t2 t1 d1 d2 径向力： F F tan F r1 t1 r2 法向力： F Ft1 2T1 n cos d1 cos 扭 矩： T1 9.55 106《机械设计》

Fr1

Fn1

Ft1

P1 n1

N mm§3-4 直齿圆柱齿轮传动的强度计算

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2、力的方向 圆周力Ft: 沿节点处的圆周方向(即切线方向), 其指向： 主动轮上与其转向相反 从动轮上与其转向相同 径向力Fr: 沿半径方向指向各自轮心 3、力的对应关系 圆周力Ft、径向力Fr各自对应《机械设计》 §3-4 直齿圆柱齿轮传动的强度计算

Fr1 Ft2 Fr2 Ft1

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例： 主视图 左视图

n2

n2

Fr2Ft2 Ft1

2 Ft2 1

Fr2 Ft1 Fr1

n1

Fr1

n1

《机械设计》

§3-4 直齿圆柱齿轮传动的强度计算

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二、计算载荷

Ft1 名义载荷：Fn cos 载荷系数： K=KAKvK Kb

F 计算载荷： nc KFnK:载荷系数

① KA— 考虑原动机与工

作机的工作特性 振动、冲击KA见表3-1 原动机 电动机 多缸内燃机 单缸内燃机

工作机械的载荷特性均 匀 1.0 ~ 1.2 1.2 ~ 1.6 1.6 ~ 1.8 中等冲击 1.2 ~ 1.6 1.6 ~ 1.8 1.8 ~ 2.0 较大冲击 1.6 ~ 1.8 1.9 ~ 2.1 2.2 ~ 2.4

《机械设计》

§3-4 直齿圆柱齿轮传动的强度计算

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