机械设计课件第10章齿轮传动

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齿面接触疲劳
一、轮齿的失效形式 轮齿折断 齿面点蚀 失效形式
§10-2 轮齿的失效形式及设计准则
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齿面胶合
高速重载传动中，常因啮合区温 度升高而引起润滑失效，致使齿 面金属直接接触而相互粘连。当 齿面向对滑动时，较软的齿面沿 滑动方向被撕下而形成沟纹。
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作者： 潘存云教授 作者： 潘
齿面胶合
胶合：相啮合齿面的金属，在一定压 力下直接接触而相互粘连。当齿 面相对滑动时，较软的齿面沿滑 动方向被撕下而形成沟纹。 产生原因：温度过高，引起油膜破裂 热胶合：高速重载，齿面间摩擦力， 发热量大； 冷胶合：低速重载，速度过低，不易 产生油膜。 防止或改善措施： ①对于低速重载，可提高油的粘度 ②对高速重载，可采用抗胶合能力强 的油； ③采用抗胶合能力强的材料及合理配 对齿轮； 2013-10-13 机械设计 ④提高齿面硬度。
作者： 潘
表10-1 常用齿轮材料及其机械性能
材料牌号 HT250 HT300 HT350 QT500-5 强度极限 屈服极限 硬度 HBS 热处理方法 σB / MPa σS / MPa 齿芯部 齿面 250 300 350 500 常化 170~241 187~255 197~269 147~241 320 350 290
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常用材料
（1）钢：45、40Cr、40CrNi、ZG310─570、ZG340—640等。 （2）铸铁：HT250、HT300、HT350、QT500—5、 QT600—2、ZG310-570 （3）非金属材料：例如夹布塑胶、尼龙等。
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§10-1 概述
作用： 不仅用来传递运动、而且还要传递动力。 要求： 运转平稳、足够的承载能力。 直齿圆柱齿轮传动 按类 斜齿圆柱齿轮传 型分 锥齿轮传动 人字齿轮传动 开式传动 裸露、灰尘、易磨损，适于低速传动。 按装置 半开式传动 有简单防护罩，大齿轮浸入油池，润 分 滑得到改善、适于非重要应用； 型式分 类 闭式传动 全封闭、润滑良好、适于重要应用。 按使用 动力齿轮 以动力传输为主，常为高速重载或低速重载传动。 情况分 传动齿轮 以运动准确为主，一般为轻载高精度传动。 按齿面 硬齿面齿轮（齿面硬度≤350HBS） 机械设计 硬度分 软齿面齿轮（齿面硬度＞350HBS）
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一、轮齿的失效形式 轮齿折断 齿面点蚀 失效形式 齿面胶合
§10-2 轮齿的失效形式及设计准则
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跑合磨损、磨粒磨损。
齿面磨损
跑合磨损 磨粒磨损
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齿面磨损
磨料磨损和跑合磨损 磨料磨损是开式齿轮传动的主要失 效形式。 产生原因：砂粒、金属微粒进入啮 合齿面，产生磨料磨损。 防止或改善措施： ①增大齿面硬度； ②采用闭式传动或加防护罩； ③改善润滑条件。
含碳量为0.15 % ~0.6%的碳素钢或合金。 锻钢 一般用齿轮用碳素钢，重要齿轮用合金钢。
常用齿 轮材料
铸钢 耐磨性及强度较好，常用于大尺寸齿轮。 铸铁 常作为低速、轻载、不太重要的场合的齿
轮材料； 适用于高速、轻载、且要求降低 非金属材料 机械设计 噪声的场合。
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一、轮齿的失效形式 轮齿折断 失效形式
§10-2 轮齿的失效形式及设计准则
一般发生在齿根处，严重 过载突然断裂、疲劳折断。
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轮齿折断
一般发生在齿根处，疲劳折断、 严重过载突然断裂、局部折断 。 1）疲劳折断 产生原因： ①齿根处弯曲应力较大； ②齿根处过渡圆弧处有应力集中 ，当轮齿重复受载后，齿根处 产生疲劳裂纹，并逐步扩展， 致使轮齿疲劳折断。 防止措施： ①增大齿根圆角半径，x ↑ ， 齿面精度↑，以降低应力集中 ②采用热处理提高材料的冲击韧 性；
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续表10-1 常用齿轮材料及其机械性能
材料牌号 ZG340~640 45 30CrMnSi 35SiMn 38SiMnMo 40Cr 20Cr 20CrMnTi 12Cr2Ni4 强度极限 屈服极限 硬度 HBS 热处理方法 σB / MPa σS / MPa 齿芯部 齿面 调质 700 650 1100 750 700 700 650 1100 1100 380 360 900 450 550 500 400 850 850 241~269 217~255 310~360 潘存云教授研制 217~269 217~269 241~286 300 300 320
潘存云教授研制 229~302 156~217
QT600-2 ZG310-570
ZG340-640 45 45 40Cr
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600 580
650 580
169~229 162~217
217~255 40~50HRC 48~55HRC 241~286
调质后表 面淬火
齿面接触疲劳
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齿面点蚀
在闭式齿轮传动中，常发生点蚀。软 齿面闭式齿轮传动常因点蚀而失效 。 开式齿轮传动不易发生。 点蚀：齿面材料在变化着的接触应力 作用下，由于疲劳而产生的麻点状 损伤现象。 产生原因： ①齿面接触应力太大； ②当出现裂纹时，油渗入裂纹产生楔 裂作用。 防止措施： ①提高齿面硬度； ②增大齿廓曲率半径ρ（减小接触应 力）； ③增大油的粘度（有利于油膜的形成 2013-10-13 ，使两齿面隔开，粘度高的油不易 机械设计 渗入裂纹）。
无论是平均值还是瞬时值。这也是齿轮传动获得广泛应用的原因之一；
▲ 制造及安装精度要求高，价格较贵。与带传动、链传动相比
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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以及压力角a、 机械设计 齿高系数h*a、径向间隙系数c*。
3、计算理论
弯曲疲劳强度：悬臂梁理论 接触疲劳强度：Hertz（赫芝）理论
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§10-3 齿轮材料及选用准则
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 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。
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齿轮传动的特点： ▲ 传动效率高 η可达99％；在常用的机械传动中，齿轮传动的效率为最高； ▲ 结构紧凑;与带传动、链传动相比，在同样的使用条件下，齿轮传动所需的空间一般较小； ▲ 工作可靠，寿命长；与各类传动相比 ▲ 传动比稳定;
2013-10-13 ③从设计上， σF≤[σF]。 机械设计
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2）过载折断（或剪断） 产生原因： ①突然过载或者强烈冲击； ②模数太小，齿根厚度太小，材 料太脆。 防止措施： ①仔细操作； ②适当增大模数； ③采用热处理提高材料的冲击韧 性。 3）局部折断
局部折断
在斜齿圆柱齿轮传动中，轮齿工作面上的接触线为一斜线， 轮齿受载后，如有载荷集中时，就会发生局部折断。若制造 及安装不良或轴的弯曲变形过大，轮齿局部受载过大时，即 使是直齿圆柱齿轮，也会发生局部折断。 2013-10-13 机械设计
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一、轮齿的失效形式 轮齿折断 齿面点蚀 失效形式 齿面胶合
§10-2 轮齿的失效形式及设计准则
主动齿 主动齿
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齿面磨损 齿面塑性变形
表面凸出
从动齿
表面凹陷
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渗碳后淬火
20Cr2Ni4 35CrAlA 调质后氮化(氮 38CrMnAlA 化层δ>0.3~0.5) 夹布胶木 中国地质大学专用 2013-10-13中国地质大学专用
1200 1100 950 750 1000 850 机械设计 100
350
255~321 255~321 > 85HV > 85HV
一、轮齿的失效形式 轮齿折断 齿面点蚀 失效形式
§10-2 轮齿的失效形式及设计准则
齿面接触应力按脉动循环变 化当超过疲劳极限时，表面 产生微裂纹、高压油挤压使 裂纹扩展、微粒剥落。点蚀 首先出现在节线处，齿面越 硬，抗点蚀能力越强。软齿 面闭式齿轮传动常因点蚀而 失效。
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▲闭式硬齿面或开式齿轮传动，以保证齿根弯曲疲劳 强度为主
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1、设计准则
防止点蚀：接触疲劳强度准则，σH≤[σH]； 防止折断：齿根弯曲疲劳强度准则， σF≤[σF]。
2、计算特点
（1）闭式软齿面钢齿：以接触疲劳强度准则为主； （2）闭式硬齿面钢齿或铸铁：以弯曲疲劳强度准则为 主； （3）开式传动：以弯曲疲劳强度准则为主，考虑磨损 的影响适当增大模数。（10～15%）
25~35
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三、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
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1.表面淬火 一般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。 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 机械设计 载荷的重要传动。通常渗碳淬火后要磨齿。
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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。
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. 机械设计
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二、齿轮的设计准则 ▲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
由工程实践得知： ▲闭式软齿面齿轮传动，以保证齿面接触疲劳强度为主
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塑性变形
塑性变形：齿面材料因屈服产生 塑性流动而形成齿面塑性变形 。 产生原因： ①齿面太软； ②载荷太大。 防止措施： ①提高齿面硬度； 表面凸出 ②提高油的粘度。
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表面凹陷
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小结：一对实际啮合齿轮不可能同时产生以上5种失效形式 ，在具体工作条件下，主要以以上5种失效形式的一种或 两种。主要失效形式： 开式传动：齿面磨损、轮齿折断； 闭式传动：软齿面（HBS≤350）钢齿，点蚀； 硬齿面钢齿或铸铁，轮齿折断。 高速重载：胶合 重载软齿：塑性变形