机械设计课件-齿轮传动

§10-2 齿轮传动的失 效形式及设计准则
§10-2
齿轮传动的失效形式及设计准则
一、失效形式（五种）： ※（了解发生部位、原因、防止措施）
1.轮齿折断：轮齿：悬臂梁
(1)部位：根部 受周期性弯曲变应力
单向传动：脉动 双向传动：对称
(2)类型及原因 ①疲劳折断：变应力、应力集中。 ②过载折断：过载折断、冲击、磨损。 ③局部折断：斜齿轮、制造、安装误差 (3)防止措施 ①减小应力集中：圆角、光洁度 ②根部强化处理 ③增大支承刚度 ④轮齿芯部韧性

2
※公式分析※： ⑴接触强度的主要影响因素 :d1(或a) 接触强度: H ≤ []H 使接触强度↑
H
↓
: d1 ↑(或a ↑)，b适当
⑵ZE ↑: ↑传动平稳;m↓减少切削量; 减少滑动速度，减少磨损与胶合 闭式：Z1= 20～40 开式：Z1= 17～20 齿轮传动配对，[ ] H 小 者更危险！！
2.齿宽系数d
b d ，b d1
承载能力↑
载荷分布不均匀
适当取(0.2,0.25,0.3,0.4,0.5,0.6,0.8,1.0,1.2)
二、许用应力
K N lim S
S：
1. 安全系数
不导致严重后果：SH = 1 导致严重后果： SF = 1.25～1.5
2. 寿命系数 KN： 循环次数：N = 60njLh 弯曲疲劳寿命系数 KFN，图10-18 接触疲劳寿命系数 KHN，图10-19
基本要求：齿面要硬，齿芯要韧。 一、 钢 1. 锻钢(尽量采用):含碳量(0.15～0.6)%的碳钢或 合金钢 ①一般应用：中速、中载、中等精度 软齿面，精度：7级、8级
45、40Cr等调质、常化(正火)处理 HBS =30～50 (等强度)
②重要应用：高速、重载、精密 硬齿面，硬度相同 40Cr 等表面淬火 35CrAlA 氮化 38CrMoAlA 20Cr,20CrMnTi 等渗碳淬火
⑷ 两轮弯曲强度要分别计算 原因：①Z1 ≠ Z2，则 YFa≠YFa ②材料不同，则
F
1
F2
F
校核：
1
KFt YFa1 YSa1 F1 bm
F F
2
YFa2 YSa2 YFa1YSa1
1
F2

设计：
YFa1 YSa1 F 1
3
(mm)
m=4 z=16
m=2 z=16
m=1 z=16
※公式分析※ (1)
1 F bm b受K限制不能太大， 弯曲强度主要取决于 ， m m ，弯曲强度
⑵ YFa 只与轮齿的齿廓形状有关，而与齿的大小 (模数)无关， YFa小则抗弯曲强度高，表10-5。 ⑶ 应力校正系数YSa为考虑齿根过渡圆角所引起的 应力集中影响，表10-5。
齿形系数：YSa
KFtYFaYSa F F0 YSa F bm
设齿宽系数： b d1 , m d1 Z1
2T 1 F t d 1
⑴校核公式
2 KT1YFaYSa F F 3 2 d m Z1
⑵设计公式
(MPa)
2 KT YF YS 1 a a m 2 F z d 1
σHlim(N/mm) σHlim(N/mm)
200 100
球墨铸铁
普通碳素 200 钢正火
100 铸钢正火 0 100
0 100
灰铸铁
200 500 300 HBS 200 HBS 500 合金钢 渗碳淬火 σHlim(N/mm) 400 300
σHlim(N/mm)
300
300
300 合金钢调质 优质碳素钢 调质或正火 200 合金铸 钢调质 100 铸钢调质 0 100
4、齿面胶合：高速、重载、润滑不良
（1）部位：齿面沿相对滑动方向，胶合线。
（2）原因： ①瞬时温度高，产生“咬焊”， 并沿相对滑动方向撕破。 ②冷胶合：低速、重载的重型 齿轮传动。 （3）防止措施： 采用抗胶合油，加极压添加剂。
5、 塑性变形：硬度低
（1）类型 ①滚压塑变：摩擦力作用，沿 滑动速度方向产生塑性变形
200
300 HBS
σHlim(N/mm)
400 300 200
渗氮钢氮化
调质钢 表面淬火 40 50
调质钢氮化
60 HRC
200
30 40 50 60 HRC
三、精度选择 1.齿轮精度等级范围6~9级，表10-8 2.精度选择 根据Pca和 V 查图10-22
例10-1
已知：P1、n1、u、Lh、工作条件 解：1.选定齿轮类型、精度等级、 材料及齿数 2.计算方法选择
2.铸钢：大齿轮
ZG310-570 ZG340-640
退火、 常化
二、铸铁：低速、轻载、工作平稳 灰铸铁：HT250, HT300, HT350 球墨铸铁：QT500-5, QT600-2 三、非金属材料：高速，轻载，精度不高。（能实现无 噪音啮合） 小齿轮：夹布塑胶、尼龙 大齿轮：钢或铸铁
§10-4齿轮传动的计算 载荷
3.齿根弯曲疲劳强度设计
mt 3
2 K tT1 YFaYSa 2 d Z1 F

Kt 1.2 ~ 1.4, 取1.3
d 0.7 ~ 1.15(非对称布置)，取0.9
Z1 20 ~ 40(闭式)，取24
YFa1YSa1 YFa2 YSa2 max , F2 F1
§10-4齿轮传动的计算载荷
齿面接触线上的平均载荷：
Fn p L
计算载荷：考虑原动机、工L K K A KV K K
1.使用系数 KA：外部附加动载荷（原动机、工作机的变化）
载荷状况 均匀平稳 轻微冲击 中等冲击 严重冲击 工作机器 … … … …
②硬齿面组合：HB＞350HBS 主要为疲劳折断失效，按齿根弯曲疲劳强度设计，按 齿面接触疲劳强度校核。 注意：硬度一样
二：开式（半开式）传动
失效形式为磨损后轮齿折断，不会发生齿面点 蚀。 则仅按齿根弯曲疲劳强度计算。并使模数 m 10%～15%，以补偿磨损量。
§10-3齿轮的材料
§10-3齿轮的材料
②降低圆周速度（减小直径）
③齿顶修缘
KV根据精度等级，圆周速度v
3.齿间载荷分配系数 K
原因：多对齿啮合，由于齿距误差及弹性变形，造成载荷不是均匀分配的。
4.齿向载荷分布系数 K ⑴原因： ①轴承非对称布置
②轴、轴承变形 ③齿轮制造、安装误差
⑵减轻措施: ①对称布置，避免悬臂布置 ②增大轴、轴承刚度 ③限制齿轮速度 ④齿轮修缘(鼓形齿)
1—调质钢；球墨铸铁（珠光体、贝氏体）；珠光体可锻铸铁 2—渗碳淬火的渗碳钢；全齿廓火焰或感应淬火的钢、球墨铸铁 3—渗氮的渗氮钢；球墨铸铁（铁素体）；灰铸铁；结构钢。 4—氮碳共渗的调质钢、渗碳钢。 弯曲疲劳寿命系数 (当N>Nc时，可根据经验在网纹区内取 值)
1— 允许一定点蚀时的结构钢；调质钢；球墨铸铁（珠光体、贝氏体）；珠光体可锻铸铁；渗碳淬火的渗碳钢 2— 结构钢；调质钢；渗碳淬火钢；火焰或感应淬火的钢、球墨铸铁；球墨铸铁（珠光体、贝氏体）；珠光体可锻铸 3— 灰铸铁；球墨铸铁（铁素体）；渗氮的渗氮钢；调质钢、渗碳钢 4— 氮碳共渗的调质钢、渗碳钢 接触疲劳寿命系数 (当N>Nc时，可根据经验在网纹区内取 值)
2T1 圆周力： F Ft2 t1 d1
方向 径向力： 主动轮：与n1反向
从动轮：与n1同向
主反从同
Fr1 Ft1 tg Fr2
方向：指向各自轮心
二、齿根弯曲疲劳强度计算 1.理论依据：悬臂梁 2.强度条件： 一般按照全部载荷作用于齿顶来计算齿根 的弯曲强度。
理论弯曲应力：
3. 极限应力 lim 弯曲疲劳强度极限 FE=
Flim，图10-20
接触疲劳强度极限 Hlim，
图10-21
ML :材料和热处理质量的最低要求 MQ :材料和热处理质量的中等要求 ME :材料和热处理质量的最高要求
※※取值： MQ偏下，超出范围将MQ线延长
齿轮的弯曲疲劳极限σHlim
②锤击塑变：过大冲击产生塑性变形
（2）防止措施 ①提高识别硬度和光洁度 ②采用粘度高的润滑油，加极压添加剂
二、设计准则：目前成熟的有两种： 1、齿根弯曲疲劳强度：针对轮齿疲劳折断 2、齿面接触疲劳强度：针对齿面疲劳点蚀
设计准则： 一：闭式传动： ①软齿面组合（软硬齿面组合） HB≤350HBS 主要为点蚀失效，按齿面接触疲劳强度设计，按齿根 弯曲疲劳强度校核 注意：两齿硬度差HBS =30～50
查表10-6
ZE
1
2 1 12 1 2 E E 1 2
⑴校核公式
H 2.5 Z E
⑵设计公式
3
KFt u 1 H bd1 u
d1 2.32
KT1 u 1 Z E d u H
2、齿面磨损：开式
（1）部位：工作面
（2）原因： ①润滑不良、 ②磨料落入工作面
（3）防止措施： ①改开式为闭式 ②改善润滑条件 ③提高齿面硬度和光洁度
3、齿面点蚀：闭式、润滑良好
（1）部位：节线处靠近根部
（2）原因： ①一对齿啮合 ②相对滑动速度低、不易形成油膜
（3）防止措施： ①合理润滑 ②提高齿面硬度
原动机
… 1.0 1.25 1.5 1.75 … 1.1 1.35 1.6 1.85 … 1.25 1.5 1.75 2.0 … 1.5 1.75 2.0 2.25
2.动载系数 Kv ⑴原因：