① 按齿面接触的疲劳强度设计

① 按齿面接触的疲劳强度设计

齿轮是一种常见的传动装置，不仅广泛应用于机床、汽车、船舶、飞机等工业领域，也被用于农业机械和家用电器等领域。齿轮的设计需要综合考虑多种因素，其中疲劳强度是一项重要的考虑因素。本文主要讨论按齿面接触的疲劳强度设计。

1. 齿轮疲劳破坏的原因

齿轮在长时间使用过程中，可能会发生疲劳破坏，主要原因有以下三点。

1.1 循环载荷作用

循环载荷是齿轮疲劳破坏的主要原因之一。齿轮在运行过程中，由于受到循环载荷的作用，导致齿表表面和内部产生裂纹，最终导致齿轮疲劳破坏。

1.2 齿面接触疲劳

齿轮在运行过程中，齿面之间不断摩擦接触，产生接触疲劳。长时间的齿面摩擦作用会导致齿面磨损和裂纹，从而加速齿轮的疲劳破坏。

1.3 齿轮微小杂质

齿轮制造过程中，可能会留下一些微小的杂质，这些杂质会影响齿轮的强度和寿命。在齿轮运转过程中，这些杂质可能被挤入齿轮表面和内部，从而导致齿轮疲劳破坏。

2. 按齿面接触的疲劳强度指标

2.1 等效应力法

等效应力法基于最大主应力和平均应力在作用方向上的不同，通过等效应力来判断齿轮的疲劳寿命。等效应力法是一种基于静态强度计算经验公式修正的方法，适用于齿轮低速、半精度、低载荷情况下的疲劳寿命预测。等效应力法无法同时考虑多种载荷作用下的疲劳寿命，无法准确反映实际疲劳寿命。

2.2 AGMA方法

AGMA方法是由美国齿轮制造商协会（AGMA）提出的一种疲劳分析方法。通过综合考虑齿轮中各种载荷的作用，将其合成为一个等效载荷，然后根据这个等效载荷计算齿轮的疲劳寿命。AGMA方法具有比等效应力法更高的精度和适用范围，适用于不同载荷作用下的齿轮疲劳分析。

3. 基于齿面接触的疲劳强度设计

3.1 齿轮材料的选择

齿轮材料的选择与齿轮的设计和使用相关联。通常情况下，齿轮材料需要具有高强度、高韧性和高疲劳强度等特性。传统的齿轮材料有合金钢、碳素钢和铸铁等，而现代材料则

有硬质合金、陶瓷和高分子材料等。同时需要考虑的是，齿轮材料的选择还应考虑到齿轮

生产成本、机械加工性能和耐热性能等方面。

3.2 齿面接触疲劳强度的计算

齿轮的疲劳强度计算需要考虑到载荷作用、齿面接触、材料性能和设计参数等多个因素。按照齿面接触进行疲劳强度设计的关键在于确定载荷作用于齿面的方式和大小。

按照AGMA方法进行疲劳强度设计，其主要计算步骤包括以下几个方面：

1) 计算齿轮的传动比和转矩大小。

2) 根据设计的齿轮尺寸、齿数和齿轮得分，计算齿轮几何参数。

3) 分析齿轮传动时的载荷情况，包括齿轮齿面的弹性接触所产生的正常力、切向力，以及轴向力。

4) 计算载荷作用于齿轮齿面并考虑载荷的变化，得到等效载荷。

5) 根据等效载荷和材料性能参数，计算齿轮的疲劳强度，并进行寿命预测。

3.3 齿形修正

在进行齿轮设计时，为了减少载荷集中和齿面接触不利影响，一般会采用齿形修正来

增加齿面接触范围、改善接触应力分布和减轻齿面弯曲应力等不利影响。齿形修正是在齿

轮制造过程中通过对齿形尺寸进行修正，来改善齿轮接触疲劳强度。

3.4 加工工艺

加工工艺对齿轮的质量和寿命有直接影响。加工工艺优化可以提高齿轮的表面质量，

减小表面粗糙度和磨损，从而提高齿轮的疲劳强度和寿命。

4. 结论

齿轮疲劳强度是齿轮设计中需要综合考虑的重要因素之一，采用适当的计算方法和齿

形修正，可以显著提高齿轮的疲劳强度和寿命。在齿轮设计和制造中，需要综合考虑多种

因素，如材料、加工工艺、载荷作用和齿形修正等，以确保齿轮的寿命和安全性。随着新

材料和新技术的不断发展，齿轮设计和制造工艺也将不断得到改进和优化，从而进一步提

高齿轮疲劳强度和寿命。

5. 齿面接触疲劳强度设计的应用

齿面接触疲劳强度设计广泛应用于机械传动系统中，如减速器、传动轴、变速箱、传

动链等。运用合理的齿轮材料和优化的齿轮设计，可以提高齿轮在长时间运行下的疲劳强

度和寿命。

传动系统中的齿轮设计需要综合考虑多种因素，例如载荷、齿数、齿轮大小和材料等。齿面接触疲劳强度设计能够分析载荷作用下齿轮表面的接触点位置和应力分布，准确评估

齿轮的疲劳强度和寿命。

在实际应用中，齿轮设计还需要结合实际情况进行调整，例如在农业机械领域中，齿

轮应考虑到环境中的灰尘和泥土的侵蚀，需要不定期进行清洁，并添加防腐剂和润滑油来

保护齿轮。

在齿轮的使用中，还应注意保证齿轮传动的平稳性和减小冲击和振动，提高整个传动

系统的可靠性和稳定性。

6. 结论

按齿面接触的疲劳强度设计是齿轮设计和制造工艺中需要综合考虑的重要因素之一，

运用合理的计算方法和齿形修正技术可以显著提高齿轮的疲劳强度和寿命。在齿轮制造和

使用中，应注意保证齿轮质量、降低齿面接触疲劳的发生，并提高整个传动系统的可靠性

和稳定性。

未来，随着科学技术的进一步发展，新材料和新工艺技术的应用将会在齿轮设计和制

造中发挥更为重要的作用，进一步提高齿轮的疲劳强度和寿命，满足机械传动系统中的更

为高效、精确、稳定等要求。