第十一章 齿轮传动38308共68页文档
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在主动轮上与运动方向相反， 在从轮上与运动方向相同。 径向力Fr的方向：
对两轮都是由作用点指向轮心。
2、计算载荷
计算载荷： Fc KF （K为载荷系数）
原动机 电动机
均匀 1～1.2
工作机的载荷特性
中等冲击
大的冲击
1.2～1.6
1.6～1.8
多缸内燃机 单缸内燃机
1.2～1.6 1.6～1.8
11.1 齿轮的失效形式和设计准则
按齿轮的工作条件不同，齿轮传动分为： 源自文库式传动、闭式传动。
按齿面硬度不同，齿轮传动分为： 软齿面齿轮传动、硬齿面齿轮传动。
主要失效形式有： 轮齿折断、齿面点蚀、齿面磨损、齿面胶 合、轮齿塑性变形。
一、齿轮的失效形式
1、轮齿折断
(1) 机理
轮齿在啮合传动时，其 受力情况相当于悬臂梁 ，在其齿根部分有弯曲 应力，且有应力集中。
(3) 防止措施 1) 提高齿面硬度 2) 提高加工精度，降低表面粗糙度； 3) 选用黏度大的润滑油
3 、齿面磨损
(1) 机理 一对轮齿在啮合时，除在节点处是纯滚动外，在其 他地方齿面间均有相对滑动，当有磨粒进入时或有 突起部分时，就会引起齿面材料的损失。
(2) 部位 轮齿表面
*开式齿轮常发生齿面磨损
（2）用于制造硬齿面齿轮
常用材料：
20Cr、20CrMnTi 表面渗碳后磨齿；45、40Cr。
常用热处理方式：
1）整体淬火+ 低温回火后磨齿、研齿。但心部 韧性不好，不适于承受冲击载荷。 2）表面淬火+ 低温回火。心部韧性较高，适于 承受中等冲击载荷。
适用场合：
硬齿面齿轮常用于高速、重载及精度要求高的 齿轮传动，成本高、但承载能力也高。
(1) 机理
轮齿啮合相当于一对轴 线平行的圆柱滚子接触 ，接触处有接触应力， 在r=0的变应力反复作 用下，在齿面形成凹坑 ——“点蚀”
(2) 部位 出现在齿面节线附近的齿根部分
因为：1) 节线处是单对齿啮合，受力最大， 2) 滑动速度小，不易形成油膜，摩擦力大 3) 油易进入裂纹，使裂纹扩张。
*闭式软齿面轮齿常发生齿面疲劳点蚀
其它常用材料
1、铸钢 齿轮尺寸较大或结构复杂，且受力较 大时采用。
2、铸铁 用于低速、轻载、冲击小等不重要的 齿轮传动。
11.2.2 齿轮传动的精度
齿轮在制造和安装过程中，不可 避免的要产生误差。
国家标准对齿轮及齿轮副规定13 个精度等级，第0级最高，12级 最低，常用的是6～9级。
齿轮传动精度等级的选择及应用
防止措施 (1) 提高齿面硬度； (2) 增大润滑油的粘度；
二、设计准则
对于软齿面闭式齿轮传动： 常因齿面点蚀而失效，故通常先按齿面接触疲劳 强度进行设计，然后校核齿根弯曲疲劳强度。
对于硬齿面闭式齿轮传动： 其齿面接触承载能力较高，故通常先按齿根弯曲 疲劳强度进行设计，然后校核齿面接触疲劳强度。
FNt ；
c os
T1—小齿轮上的 转矩（N.mm)
d1—小齿轮分度 圆直径（mm)
α—分度圆压力角
小齿轮上的转矩：T1
9.5
5106
P1 n1
式中：P1—小齿轮传递的功率 KW n1—小齿轮的转速 r/min
直齿圆柱齿轮受力方向的分析
特点：作用于主、从动轮上的
各对力均大小相等，方向相反, 即：Ft1=－Ft2 ;Fr1=－Fr2。 圆周力Ft的方向 ：
(3) 防止措施 (1) 提高齿面硬度和降低表面粗糙度； (2) 减少磨损； (3) 选黏度大的润滑油； (4) 选抗胶合能力好的配合材料； (5) 采用极压润滑油(油膜强度高)
5 、塑性变形
齿体塑性变形——突然过载引起的 齿面塑性变形——在摩擦力的作用下，软齿面材料 产生塑性变形
*重载或频繁启动的软齿面齿轮常发生塑性变形
开式齿轮传动： 其主要失效形式是齿面磨损，而且在轮齿磨薄后往 往会发生轮齿折断。故目前多是按齿根弯曲疲劳 强度进行设计，并考虑磨损的影响将模数适当增 大。（通常增大10%～15%）
11.2 齿轮材料、热处理和精度等级
1、对齿轮材料的要求：
齿轮材料应具有足够的抗折断、抗点 蚀、抗胶合及耐磨损等能力。
11.3 直齿圆柱齿轮的强度计算
一、受力分析和计算载荷
1、受力分析
如果略去摩擦力， 把沿着齿宽的分布 力，看成在节点的 集中力。则沿啮合
线方向的法向力Fn
可分解为两个分力：
圆周力Ft和径向力Fr。
力的分解及计算式
圆周力： 径向力：
Ft
Fr
2TN1 ； Fdt 1tNa；n
法向力： 式中：
Fn
d
N C 2 sin
2
2
2
令 uz2/z1d2/d1，得：
1 1 2 (d d) u 1 2
2 1dd 2s i1n uds in
2、齿轮常用材料：
优质的碳素钢、合金结构钢、铸钢和 铸铁等。
（1）用于制造软齿面齿轮
对强度、速度及精度要求一般的齿轮： 常用材料45、40Cr、35SiMn、 38SiMnMo，正火或调质后切齿。
齿面硬度： 小齿轮的齿面硬度=大齿轮的齿面硬度 +（30～50)HBS；
常用热处理方法： 一般小齿轮采用调质处理，大齿轮正火 处理。
1.6～1.8 1.8～2.0
1.9～2.1 2.2～2.4
二、齿面接触疲劳强度计算
齿面最大接触应力 可用赫兹公式计算：
H
11
F
n.
1
2
b
1 2 1
1 2
2
E
E
1
2
式中+号用于外啮合， -号用于内啮合。
节点处的参数
通常按节点计算接触应力， 节点处的齿廓曲率半径：
N
C
d 1
sin
1
1
2
(3) 防止措施 (1) 采用闭式传动； (2) 提高齿面硬度； (3) 改善润滑与密封条件。
4、 齿面胶合
(1) 机理
两齿面金属直接接触并粘结，在相对运动时发生材 料转移，在齿面形成相对运动方向的伤痕。 材料软的吃亏
(2) 部位
齿面相对滑动速度大的地方，沟纹或 突起沿相对运动方向
*高速重载、低速重载润滑差的齿轮传动常 发生齿面胶合
(2) 部位
轮齿折断发生在轮齿根部(直齿)， 也可能局部折断(斜齿轮)
*闭式硬齿面轮齿常发生轮齿折断
(3) 防止措施
1) 增大齿根圆角半径，减小应力集中； 2) 提高齿轮的制造安装精度，减小疲劳
裂纹源; 3) 正确选择材料及热处理方式; 4) 对齿根部分进行强化处理，如喷丸、
碾压等。
2、 齿面疲劳点蚀
对两轮都是由作用点指向轮心。
2、计算载荷
计算载荷： Fc KF （K为载荷系数）
原动机 电动机
均匀 1～1.2
工作机的载荷特性
中等冲击
大的冲击
1.2～1.6
1.6～1.8
多缸内燃机 单缸内燃机
1.2～1.6 1.6～1.8
11.1 齿轮的失效形式和设计准则
按齿轮的工作条件不同，齿轮传动分为： 源自文库式传动、闭式传动。
按齿面硬度不同，齿轮传动分为： 软齿面齿轮传动、硬齿面齿轮传动。
主要失效形式有： 轮齿折断、齿面点蚀、齿面磨损、齿面胶 合、轮齿塑性变形。
一、齿轮的失效形式
1、轮齿折断
(1) 机理
轮齿在啮合传动时，其 受力情况相当于悬臂梁 ，在其齿根部分有弯曲 应力，且有应力集中。
(3) 防止措施 1) 提高齿面硬度 2) 提高加工精度，降低表面粗糙度； 3) 选用黏度大的润滑油
3 、齿面磨损
(1) 机理 一对轮齿在啮合时，除在节点处是纯滚动外，在其 他地方齿面间均有相对滑动，当有磨粒进入时或有 突起部分时，就会引起齿面材料的损失。
(2) 部位 轮齿表面
*开式齿轮常发生齿面磨损
（2）用于制造硬齿面齿轮
常用材料：
20Cr、20CrMnTi 表面渗碳后磨齿；45、40Cr。
常用热处理方式：
1）整体淬火+ 低温回火后磨齿、研齿。但心部 韧性不好，不适于承受冲击载荷。 2）表面淬火+ 低温回火。心部韧性较高，适于 承受中等冲击载荷。
适用场合：
硬齿面齿轮常用于高速、重载及精度要求高的 齿轮传动，成本高、但承载能力也高。
(1) 机理
轮齿啮合相当于一对轴 线平行的圆柱滚子接触 ，接触处有接触应力， 在r=0的变应力反复作 用下，在齿面形成凹坑 ——“点蚀”
(2) 部位 出现在齿面节线附近的齿根部分
因为：1) 节线处是单对齿啮合，受力最大， 2) 滑动速度小，不易形成油膜，摩擦力大 3) 油易进入裂纹，使裂纹扩张。
*闭式软齿面轮齿常发生齿面疲劳点蚀
其它常用材料
1、铸钢 齿轮尺寸较大或结构复杂，且受力较 大时采用。
2、铸铁 用于低速、轻载、冲击小等不重要的 齿轮传动。
11.2.2 齿轮传动的精度
齿轮在制造和安装过程中，不可 避免的要产生误差。
国家标准对齿轮及齿轮副规定13 个精度等级，第0级最高，12级 最低，常用的是6～9级。
齿轮传动精度等级的选择及应用
防止措施 (1) 提高齿面硬度； (2) 增大润滑油的粘度；
二、设计准则
对于软齿面闭式齿轮传动： 常因齿面点蚀而失效，故通常先按齿面接触疲劳 强度进行设计，然后校核齿根弯曲疲劳强度。
对于硬齿面闭式齿轮传动： 其齿面接触承载能力较高，故通常先按齿根弯曲 疲劳强度进行设计，然后校核齿面接触疲劳强度。
FNt ；
c os
T1—小齿轮上的 转矩（N.mm)
d1—小齿轮分度 圆直径（mm)
α—分度圆压力角
小齿轮上的转矩：T1
9.5
5106
P1 n1
式中：P1—小齿轮传递的功率 KW n1—小齿轮的转速 r/min
直齿圆柱齿轮受力方向的分析
特点：作用于主、从动轮上的
各对力均大小相等，方向相反, 即：Ft1=－Ft2 ;Fr1=－Fr2。 圆周力Ft的方向 ：
(3) 防止措施 (1) 提高齿面硬度和降低表面粗糙度； (2) 减少磨损； (3) 选黏度大的润滑油； (4) 选抗胶合能力好的配合材料； (5) 采用极压润滑油(油膜强度高)
5 、塑性变形
齿体塑性变形——突然过载引起的 齿面塑性变形——在摩擦力的作用下，软齿面材料 产生塑性变形
*重载或频繁启动的软齿面齿轮常发生塑性变形
开式齿轮传动： 其主要失效形式是齿面磨损，而且在轮齿磨薄后往 往会发生轮齿折断。故目前多是按齿根弯曲疲劳 强度进行设计，并考虑磨损的影响将模数适当增 大。（通常增大10%～15%）
11.2 齿轮材料、热处理和精度等级
1、对齿轮材料的要求：
齿轮材料应具有足够的抗折断、抗点 蚀、抗胶合及耐磨损等能力。
11.3 直齿圆柱齿轮的强度计算
一、受力分析和计算载荷
1、受力分析
如果略去摩擦力， 把沿着齿宽的分布 力，看成在节点的 集中力。则沿啮合
线方向的法向力Fn
可分解为两个分力：
圆周力Ft和径向力Fr。
力的分解及计算式
圆周力： 径向力：
Ft
Fr
2TN1 ； Fdt 1tNa；n
法向力： 式中：
Fn
d
N C 2 sin
2
2
2
令 uz2/z1d2/d1，得：
1 1 2 (d d) u 1 2
2 1dd 2s i1n uds in
2、齿轮常用材料：
优质的碳素钢、合金结构钢、铸钢和 铸铁等。
（1）用于制造软齿面齿轮
对强度、速度及精度要求一般的齿轮： 常用材料45、40Cr、35SiMn、 38SiMnMo，正火或调质后切齿。
齿面硬度： 小齿轮的齿面硬度=大齿轮的齿面硬度 +（30～50)HBS；
常用热处理方法： 一般小齿轮采用调质处理，大齿轮正火 处理。
1.6～1.8 1.8～2.0
1.9～2.1 2.2～2.4
二、齿面接触疲劳强度计算
齿面最大接触应力 可用赫兹公式计算：
H
11
F
n.
1
2
b
1 2 1
1 2
2
E
E
1
2
式中+号用于外啮合， -号用于内啮合。
节点处的参数
通常按节点计算接触应力， 节点处的齿廓曲率半径：
N
C
d 1
sin
1
1
2
(3) 防止措施 (1) 采用闭式传动； (2) 提高齿面硬度； (3) 改善润滑与密封条件。
4、 齿面胶合
(1) 机理
两齿面金属直接接触并粘结，在相对运动时发生材 料转移，在齿面形成相对运动方向的伤痕。 材料软的吃亏
(2) 部位
齿面相对滑动速度大的地方，沟纹或 突起沿相对运动方向
*高速重载、低速重载润滑差的齿轮传动常 发生齿面胶合
(2) 部位
轮齿折断发生在轮齿根部(直齿)， 也可能局部折断(斜齿轮)
*闭式硬齿面轮齿常发生轮齿折断
(3) 防止措施
1) 增大齿根圆角半径，减小应力集中； 2) 提高齿轮的制造安装精度，减小疲劳
裂纹源; 3) 正确选择材料及热处理方式; 4) 对齿根部分进行强化处理，如喷丸、
碾压等。
2、 齿面疲劳点蚀