齿轮传动设计(很实用的!!)

锻钢 中碳合金钢
35SiMn、40MnB、40Cr等
低碳合金钢
20Cr、20CrMnTi等
铸钢 铸铁
ZG310-570、ZG340-640等 HT350、QT600-3等
如何选材？
塑料、夹布胶木等
考虑工作条件、载荷性质、 经济性、制造方法等
《机械设计》
§3-3 齿轮材料、热处理及精度
二、热处理(heat treatment)
§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 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
金属 材料
非金属 材料
45钢
最常用，经济、货源充足
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
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
闭式齿轮
齿轮完全封闭，润滑条件好
半开式齿轮 有简单的防护罩
《机械设计》
§ 3-1 齿轮传动概述
— 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
P
硬度检测方法： 布氏硬度法（HBS） 洛氏硬度法（HRC）
D
d
软齿面 硬齿面
齿面硬度 ≤ 3百度文库0HBS
《机械设计》
§3-2 齿轮传动的失效形式和设计准则
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
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
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
表面淬火
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
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
疲劳折断是闭 式硬齿面的主 要失效形式！
《机械设计》
§3-2 齿轮传动的失效形式和设计准则
2、疲劳点蚀(Fatigue pitting)
产生机理：齿面受交变的接触应力
或 ≤ 38HRC
齿面硬度 ＞ 350HBS
或 ＞ 38HRC
P
120o
h
《机械设计》
§ 3-1 齿轮传动概述
§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
初始疲劳裂纹
裂纹不断扩展
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
产生初始疲劳裂纹
润滑油进入裂纹并产生挤压
注意：
表层金属剥落 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》
§3-3 齿轮材料、热处理及精度
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
第3章 齿轮传动设计
§3-1 概 述
优点：
◆ 传动效率高
缺点：
◆ 工作可靠、寿命长
◆ 制造成本高
◆ 传动比准确
◆ 精度低时振动和噪声较大
◆ 结构紧凑
◆ 不宜用于轴间距离较大的传动
◆ 功率和速度适用范围很广
《机械设计》
§ 3-1 齿轮传动概述
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
硬齿面
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
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.
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
《机械设计》
§3-2 齿轮传动的失效形式和设计准则
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）