齿轮常见的失效形式与设计准则

齿轮材料的热处理和化学处理 表面淬火 渗碳淬火 调质 正火 渗氮
----高频淬火、火焰淬火
热处理方法 1.表面淬火
2. 渗碳淬火 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。
• 回火将淬火后的钢/铁，在一定温度以下加热、保 温后冷却下来的金属热处理工艺。将经过淬火的 工件重新加热到低于下临界温度的适当温度，保 温一段时间后在空气或水、油等介质中冷却的金 属热处理工艺。或将淬火后的合金工件加热到适 当温度，保温若干时间，然后缓慢或快速冷却。 一般用以减低或消除淬火钢件中的内应力，或降 低其硬度和强度，以提高其延性或韧性。 • 低温回火：工件在150~250℃进行的回火 • 中温回火：工件在350～500 ℃之间进行的回火。 • 高温回火：工件在500℃以上进行的回火。
表面淬火：是将钢件的表面层淬透到一定的深度，而心 部分仍保持未淬火状态的一种局部淬火的方法。表面淬火 时通过快速加热，使刚件表面很快到淬火的温度，在热量 来不及穿到工件心部就立即冷却，实现局部淬火。 表面淬火的目的在于获得高硬度，高耐磨性的表面， 而心部仍然保持原有的良好韧性，常用于机床主轴，齿轮， 发动机的曲轴等。表面淬火采用的快速加热方法有多种， 如电感应，火焰，电接触，激光等，目前应用最广的是电 感应加热法。 感应加热表面淬火就是在一个感应线圈中通以一定 频率的交流电（有高频，中频，工频三种），使感应圈周 围产生频率相同的交变磁场，置于磁场之中的工件就会产 生与感应线圈频率相同，方向相反的感应电流，这个电流 叫涡流。由于集肤效应，涡流主要集中在工件的表层。 由 涡流所产生的电阻热使工件表层被迅速加热到淬火温度， 随即向工件喷水，将工件表层淬硬。 其加热速度极快，通常只有几秒钟。
• 正火，又称常化，是将工件加热到一定温 度并保温一段时间后，从炉中取出在空气 中或喷水、喷雾或吹风冷却的金属热处理 工艺。其目的是在于使晶粒细化和碳化物 分布均匀化，去除材料的内应力，降低材 料的硬度。 • 应力：受力物体截面上内力的集度，即单 位面积上的内力。
• 钢的淬火是将钢加热到临界温度以上温度， 保温一段时间，然后以大于临界冷却速度 的冷速快冷转变的热处理工艺。通常也将 铝合金、铜合金、钛合金、钢化玻璃等材 料的固溶处理或带有快速冷却%～4.0%），碳 主要以片状石墨形态存在，断口呈灰色， 简称灰铁。熔点低（1145～1250℃），凝 固时收缩量小，抗压强度和硬度接近碳素 钢，减震性好。由于片状石墨存在，故耐 磨性好。铸造性能和切削加工较好。用于 制造机床床身、汽缸、箱体等结构件。其 牌号以“HT”后面附两组数字。例如： HT20-40（第一数字表示最低抗拉强度，第 二组数字表示最低抗弯强度）。
硬齿面齿轮（HBS>350）（是发展趋势） 20Cr，20CrMnTi，40Cr，30CrMoAlA，表面淬火，渗碳 淬火，氮化和氰化，先切齿→表面硬化→磨齿精切齿形→5、 6级,适合于高速、重载及精密机械（如精密机床、航空发动 机等） 2、铸铁——脆、机械强度，抗冲击和耐磨性较差，但抗胶合 和点蚀能力较强，用于工作平稳、低速和小功率场合。 铸铁：灰铸铁；球墨铸铁——有较好的机械性能和耐磨性
补充知识
• 铸铁：含碳量在2%以上的铁碳合金。 • 钢：以铁为主要元素，碳含量一般在2.0%以下并 含有其他元素的金属材料 • 钢材在常温或在结晶温度以下的加工产生强烈的 塑性变形，使晶格扭曲、畸变，晶粒产生剪切、 滑移，晶粒被拉长，这些都会使表面层金属的硬 度增加，减少表面层金属变形的塑性，称为冷作 硬化。金属在冷态塑形变形中，使金属的强化指 标，如屈服点、硬度等提高，塑形指标如伸长率 降低的现象称为冷作硬化。
一般用于中碳钢和中碳合金钢，如45(含碳量表示万分之一)、 40Cr（合金含量为千分之一）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。
3.调质 调质一般用于中碳钢和中碳合金钢，如45、40Cr、 35SiMn等。调质处理后齿面硬度为： 220~260HBS 。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。
10.9 齿轮的常用材料及许用应力
10.9.3 许用应力
安全系数SN和SF
安全系数 软齿面 （HBS≤ 350） 硬齿面 （HBS> 350） 重要的传动、渗碳淬火 齿轮或铸造齿轮
SN
1.0~1.1
1.3~1.4
1.1~1.2 1.4~1.6
1.3 1.6~2.2
SF
10.9 齿轮的常用材料及许用应力
10.8 齿轮常见的失效形式与设计准则
10.8 齿轮常见的失效形式与设计准则
10.8.2 设计准则
对一般工况下的齿轮传动，其设计准则是：
保证足够的齿根弯曲疲劳强度，以免发生齿根折断。
保证足够的齿面接触疲劳强度，以免发生齿面点蚀。
对高速重载齿轮传动，除以上两设计准则外，还应按齿面抗胶合能力 的准则进行设计。 由实践得知： 1.闭式软齿面齿轮传动，以保证齿面接触疲劳强度为主(按照轮齿 齿面接触疲劳强度设计，再校核轮齿齿根的弯曲疲劳强度) 。 2.闭式硬齿面，以保证齿根弯曲疲劳强度为主（先按照轮齿齿根弯曲强度设 计，再校核轮齿齿面接触疲劳强度）。
5级
>15
>30
99%以 上
6级
≤15
≤30
用于在高速下平稳地回转、并要求有最高 99%以 的效率和低噪声的齿轮；分度机构用齿轮； 上 特别重要的飞机齿轮 用于在高速、载荷小或反转的齿轮；机床 的进给齿轮；中速减速齿轮；飞机用齿轮 对精度没有特别要求的一般机械用齿轮； 机床齿轮（分度机构除外）；普通减速箱 齿轮；特别不重要的飞机、汽车、拖拉机 用齿轮 99%以 上 99%以 上
4. 正火 正火能消除内应力、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。 5. 渗氮 渗氮是一种化学处理。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.
四、齿轮材料选用的基本原则 1) 齿轮材料必须满足工作条件的要求，如强度、寿 命、可靠性、经济性等； 2)应考虑齿轮尺寸大小，毛坯成型方法及热处理和 制造工艺； 3)正火碳钢，只能用于制作在载荷平稳或轻度冲击 下工作的齿轮；调质碳钢可用于在中等冲击载荷 下工作的齿轮； 4)合金钢常用于制作高速、重载并在冲击载荷下工 作的齿轮； 5)航空齿轮要求尺寸尽可能小，应采用表面硬化处 理的高强度合金钢； 6)钢制软齿面齿轮，其配对两轮齿面的硬度差应保 持在30~50HBS或更多。
3、非金属材料——工程塑料（ABS、尼龙）、夹布 胶木
钢的热处理
• 钢的热处理工艺包括退火、正火、淬火、回火和 表面热处理等方法。其中回火又包括高温回火、 中温回火和低温回火。 • 退火是一种金属热处理工艺，指的是将金属缓慢 加热到一定温度，保持足够时间，然后以适宜速 度冷却。目的是降低硬度，改善切削加工性；消 除残余应力，稳定尺寸，减少变形与裂纹倾向； 细化晶粒（结晶物质在生长过程中，由于受到外 界空间的限制，未能发育成具有规则形态的晶体， 而只是结晶成颗粒状，称晶粒），调整组织，消 除组织缺陷。
球墨铸铁。将灰口铸铁铁水经球化处理后获得， 析出的石墨呈球状，简称球铁。碳全部或大部分 以自由状态的球状石墨存在，断口成银灰色。比 普通灰口铸铁有较高强度、较好韧性和塑性。其 牌号以“QT”后面附两组数字表示，例如：QT455（第一组数字表示最低抗拉强度，第二组数字表 示最低延伸率）。用于制造内燃机、汽车零部件 及农机具等。
10.9 齿轮的常用材料及许用应力
10.9.1 齿轮材料的基本要求
齿轮的材料及其选择原则
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、加工工艺性能及热处理
性能良好。
10.9.2 齿轮常用材料及其热处理
钢：许多钢材经适当的热处理或表面处理，可以成为常用的齿轮材料； 铸铁：常作为低速、轻载、不太重要场合的齿轮材料；常用材料 非金属材料：适用于高速、轻载、且要求降低噪声的场合。 齿轮材料选用的基本原则 齿轮材料必须满足工作条件的要求，如强度、寿命、可靠性、经济性等； 应考虑齿轮尺寸大小，毛坯成型方法及热处理和制造工艺； 钢制软齿面齿轮，其配对两轮齿面的硬度差应保持在30~50HBS或更多 （小齿轮硬度大，大齿轮产生冷作硬化的效果）。
•
对传动性能的主要影响分别为： Ⅰ——传递运动的准确性；Ⅱ——传动 的平稳性；Ⅲ——载荷分布的均匀性。 • 常用的精度等级是5、6、7、8级。 这几级精度齿轮传动的应用范围见表
常用圆柱齿轮传动的精度等级及其应用范围
圆周速度m/s
精 度 等 级 直 齿 应 用 范 围 斜 齿 精密的分度机构用齿轮；用于高速、并对 传动平稳性和噪声有较高要求的齿轮；高 速汽轮机用齿轮；８级或９级精度齿轮的 标准齿轮 效 率
• 调质，即淬火和高温回火的综合热处理工艺 • 调质件大都在比较大的动载荷作用下工作，它们承受着拉 伸、压缩、弯曲、扭转或剪切的作用，有的表面还具有摩 擦，要求有一定的耐磨性等等。总之，零件处在各种复合 应力下工作。这类零件主要为各种机器和机构的结构件， 如轴类、连杆、螺栓、齿轮等，在机床、汽车和拖拉机等 制造工业中用得很普遍。尤其是对于重型机器制造中的大 型部件，调质处理用得更多．因此，调质处理在热处理中 占有很重要的位置。 • 在机械产品中的调质件，因其受力条件不同，对其所要求 的性能也就不完全一样。一般说来，各种调质件都应具有 优良的综合力学性能，即高强度和高韧性的适当配合，以 保证零件长期顺利工作。
齿轮材料 选择齿轮材料总体上要考虑防止产生齿面失效和轮齿折断。 基本要求：齿面要硬，齿芯要韧 常用的齿轮材料 1、钢——最常用，可通过热处理改善机械性能 （1）锻钢： 软齿面齿轮（HBS≤350）（HBS,HRC等单位为常见的硬度单位） 如45、40Cr 热处理，正火调质，加工方法，热处理后精切齿形—8、7 级，适合于对精度、强度和速度要求不高的齿轮传动 （2）铸钢——用于尺寸较大齿轮，需正火和退火以消除铸造应力。强度 稍低