齿轮传动-失效形式
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2)化学热处理是将机械零件放在含有某种化学元素（如 碳、氮等）介质中加热保温，使该元素的活性原子渗 入到零件表面的热处理方法。根据渗入原始的不同， 常用的化学热处理方法有渗碳(常用于低碳钢或低碳合 金刚)、氮化和氰化（碳氮共渗，用于低碳钢或中碳钢） 等。
三、材料的选用原则：
（1）使用要求：工作和受载情况 工作情况：介质、温度、摩擦性质 受载情况：载荷大小、应力种类
1、优点： （1）适用的圆周速度和功率范围广； （2）传动效率高； （3）传动比稳定； （4）工作可靠,寿命较长； （5）可实现任意轴之间的传动。
2、缺点：（1）要求较高的制造和安装精度，成本高； （2）不适宜于远距离两轴之间的传动。
二、齿轮传动的分类
按齿轮类型分：直齿圆柱齿轮传动 锥齿轮传动
斜齿圆柱齿轮传动
1．锻钢 锻钢因具有强度高、韧性好、便于制造、便于热处
理等优点，大多数齿轮都用锻钢制造。
(1)软齿面齿轮：齿面硬度<350HBS，常用中碳钢和中 碳合金钢，如45钢．40Cr，35SiMn等材料，进行调质或 正火处理。这种齿轮适用于强度、精度要求不高的场合， 轮坯经过热处理后加工，生产便利、成本较低。
按装置形式分：开式传动、半开式传动、闭式传动。
按使用情况分：动力齿轮─以动力传输为主，常为高速重载 或低速重载传动。
传动齿轮─以运动准确为主，一般为轻载高精度传动。
按齿面硬度分：软齿面齿轮（齿面硬度≤350HBS或38HRS） 硬齿面齿轮（齿面硬度＞350HBS或38HRS）
第二节 齿轮传动的失效形式及设计准则 一、齿轮的失效形式
第7章 齿轮传动
教学目标：了解齿轮传动的失效形式及设计准则； 了解齿轮材料及选用原则； 能够计算齿轮传动的计算载荷； 能够进行标准直齿圆柱齿轮的受力分析。
教学重点: 1.齿轮传动的失效形式及设计准则； 2.标准直齿圆柱齿轮的受力分析。
教学难点：标准直齿圆柱齿轮的受力分析。
第一节 概述
一、齿轮传动的特点
2．铸钢 当齿轮的尺寸较大(大于400一600mm)而不便于锻造时，可
用铸造方法制成铸钢齿坯，再进行正火处理以细化晶粒。 3．铸铁
低速、轻载场合的齿轮可以制成铸铁齿坯。当尺寸大于 500mmm时可制成轮辐式齿轮。
补充：机械制造常用材料
一、常用材料 常用金属材料
钢 ——含碳量≤ 2%
铸铁 ——含碳量>2% 有色金属合金
2、铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。 特点：良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零件。 较好的减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）、成本低廉
应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之
二、钢的热处理简介
钢的热处理是指将钢在固态下进行不同温度的加热、 保温和冷却的方法，是其内部组织结构发生变化， 从而达到提高零件的力学性能和改善其工艺性能的 目的。
2）硬齿面（>350HBS）或铸铁齿轮，由于抗点蚀能力 较高，轮齿折断的可能性较大，故可按齿根弯曲疲劳强度设 计计算，按齿面接触疲劳强度校核。
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。
2、对于开式齿轮传动，齿面磨损为其主要失效形式， 故通常按照齿根弯曲疲劳强度进行设计计算，确定齿轮的 模数，考虑磨损因素，再将模数增大10%——20%。
（2）工艺要求： （3）经济性
铸造性能 锻造性能 焊接性能 切削加工性能 热处理性能
三、齿轮材料的选择原则
1）齿轮材料必须满足工作条件的要求。
2）应考虑齿轮尺寸大小、毛坯成型方法、热处理、制造工艺。 3）正火碳钢，不论毛坯的制作方法如何，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。
常用的热处理方法有：退火、正火、淬火、回火、调 质及表面热处理等。
温
保温
度
退火
加 热
临界温度
淬
火
回
火
正火 调质
1 退火 是将钢加热到临界温度（约723℃）以上（3050℃），保温一段时间，然后工件随炉温缓慢冷却。 消除锻造、焊接的内应力，降低硬度，改善切削加工 性能。
2 正火 与退火相似，只是在保温后，在空气中冷却，冷 却速度比退火快。作用于退火类似，但比退火经济， 可作为零件的最终热处理。
表 齿轮传动的功能要求与齿轮精度项目的主要关系
功能要求
精度项目
运动精度
齿廓总公差Fa，齿廓形状公差f f，齿廓倾斜极限偏差fH， 单个齿距极限偏差 f pt，一齿切向综合公差fi， 一齿径向综合公差f
平稳性精度 齿距累积总公差Fp，齿距累积极限偏差 Fpk，切向综合总公差Fi，
径向综合总公差Fi， 径向跳动公差Fr
形成原因： 轮齿在节圆附近一对齿受力，载荷大；滑动速度低 形成油膜条件差；接触疲劳产生麻点 。 主要措施：提高齿面硬度；降 低齿面粗糙度；增大润滑油粘 度；采用合理变位。
3.齿面磨损 原因：相对滑动；润滑不良；存在杂质。
主要措施：采用闭式传动；提高齿面硬度；降低齿面 粗糙度；采用清洁的润滑油。
4.齿面胶合：齿面粘连后撕脱 原因：高速重载；滑动速度大；散热不良；齿面金 属熔化粘连后撕脱——热胶合 低速重载，由于齿面间油膜破坏，也会出现胶合— —冷胶合
铁碳合金
非金属材料
橡胶 塑料等
1、钢： 按化学成分：碳素钢 合金钢
按含碳量：低碳钢<0.25% 中碳钢0.25%~0.5% 高碳钢>0.5%
按质量：普通钢 优质钢
按用途：结构钢 特殊钢
按冶炼时脱氧程度和钢锭中气孔存在情况：镇静钢 沸腾钢
（1）普通碳素结构钢
Q235-A、F， s 235 MPa
接触精度
螺旋线总公差F，螺旋线形状公差f f ，螺旋线倾斜极限偏差 fH
3、精度标注方法
8—7—7—G M JB179-81
齿厚下偏差 齿厚上偏差 第III公差组的精度等级 第II公差组的精度等级 第I公差组的精度等级
第三节 齿轮的材料及其选用原则
一、齿轮材料的基本要求
齿面要硬、齿芯要韧，即:
(1)齿面应有足够的硬度，以抵抗齿面磨损、点蚀、 胶合以及塑性变形等； (2)齿芯应有足够的强度和较好的韧性，以抵抗齿 根折断和冲击载荷； (3)应有良好的加工工艺性能及热处理性能，使之 便于加工且便于提高其力学性能。
二、齿轮的常用材料
1.轮齿折断
1.轮齿折断：折断发生在齿根处
1）过载折断（淬火钢和铸铁齿轮常 见的失效形式）；
2）疲劳折断。
采取措施： 1）材料及热处理； 2）增大模数； 3）增大齿根圆角半径消除刀痕； 4）喷丸、滚压处理； 5）增大轴及支承刚度。
2.齿面点蚀：轮齿接触表面在变化的接触应力作用下，由于疲 劳而产生的麻点剥蚀损伤现象，开始是针尖大小麻点，逐渐扩 展连成片状。点蚀一般首先出现在齿根靠近节线处，再向其它 部位扩展。
3 淬火 是将钢加热到临界温度以上，保温一段时间，而 后在水、盐水或油中快速冷却。获得高强度和高硬度， 提高耐磨性和耐蚀性。但产生很大内应力，降低塑性 和韧性，故应回火已得到较好的综合性能。
4 回火 是将淬火钢重新加热到临界温度以下的某一温度， 保温一段时间，然后冷却。根据加热温度不同，回火可 分为低温回火、中温回火和高温回火三种。低温回火的 加热温度为150-250℃，适用于刀具、量具、滚动轴承等； 中温回火的加热温度为300-450℃，适用于有弹性要求的 零件，如弹簧；高温回火的加热温度为450-650℃，适用 于各种重要的机械零件，如齿轮、轴、重要螺栓等。
（2）优质碳素结构钢 25、35、45、60--平均含碳量
（3）合金结构钢
25Cr2MoV
（4）铸钢
ZG235-450、ZG35SiMn
特点：钢具有高的强度、韧性和塑性。可用热处理方法改 善其力学性能和加工性能。
零件毛坯获取方法：锻造、冲压、焊接、铸造等。 应用：应用范围极其广泛。 选用原则：
优选碳素钢，其次是硅、锰、硼、钒类合金钢。
(2)硬齿面齿轮: 硬齿面齿轮的齿面硬度大于350HBS， 常用的材料为中碳钢或中碳合金钢经表面淬火或渗碳淬火 处理。加工后进行热处理,若变形过大,则需精加工。
在确定大、小齿轮硬度时应注意使小齿轮的齿面硬度比大 齿轮的齿面硬度高20一50HBS，这是因为小齿轮轮齿啮合次 数比大齿轮多，且小齿轮齿根较薄．为使两齿轮的轮齿接近等 强度，小齿轮的齿面要比大齿轮的齿面硬一些。
防止胶合的措施：提高齿面硬度；降低齿面粗糙度； 增大润滑油粘度；限制油温。
5.塑性变形 原因：重载，齿面软
措施：提高齿面硬度；增大润滑油粘度。
二.齿轮传动设计准则ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1、对于闭式齿轮传动：
1）软齿面（≤350HBS）齿轮主要失效形式是齿面点蚀，故 可按齿面接触疲劳强度设计计算，按齿根弯曲疲劳强度校核.
5）飞行器中的齿轮传动，要求齿轮尺寸尽可能小，应采用表 面硬化处理的高强度合金钢。
齿轮的精度
1、精度要求 （1）、传递的准确性—Ⅰ（从动转动一周的转角误
差不超过许用值）
（2）、传动的平稳性—Ⅱ（瞬时传动比i不超过许用
值）
（3）、载荷分布的均匀性— Ⅲ（接触面上载荷分 布均匀）
2、精度等级
齿轮精度规定了1～12的12个等级，其中，1级精度最 高，12级精度最低。
低温 :150 ~ 250减小内应力脆性 回火 中温 : 350 ~ 450硬度有所下降,提高了弹性.如弹簧
高温 : 500 ~ 650强、硬、韧性、塑性好
5 调质—淬火后高温回火。
6 表面热处理
是强化零件表面的重要手段，常用的方法有表面淬火和 化学热处理两种。
1)表面淬火是将机械零件需要强化的表面迅速加热到淬 火温度，随即快速将该表面冷却的热处理方法。
三、材料的选用原则：
（1）使用要求：工作和受载情况 工作情况：介质、温度、摩擦性质 受载情况：载荷大小、应力种类
1、优点： （1）适用的圆周速度和功率范围广； （2）传动效率高； （3）传动比稳定； （4）工作可靠,寿命较长； （5）可实现任意轴之间的传动。
2、缺点：（1）要求较高的制造和安装精度，成本高； （2）不适宜于远距离两轴之间的传动。
二、齿轮传动的分类
按齿轮类型分：直齿圆柱齿轮传动 锥齿轮传动
斜齿圆柱齿轮传动
1．锻钢 锻钢因具有强度高、韧性好、便于制造、便于热处
理等优点，大多数齿轮都用锻钢制造。
(1)软齿面齿轮：齿面硬度<350HBS，常用中碳钢和中 碳合金钢，如45钢．40Cr，35SiMn等材料，进行调质或 正火处理。这种齿轮适用于强度、精度要求不高的场合， 轮坯经过热处理后加工，生产便利、成本较低。
按装置形式分：开式传动、半开式传动、闭式传动。
按使用情况分：动力齿轮─以动力传输为主，常为高速重载 或低速重载传动。
传动齿轮─以运动准确为主，一般为轻载高精度传动。
按齿面硬度分：软齿面齿轮（齿面硬度≤350HBS或38HRS） 硬齿面齿轮（齿面硬度＞350HBS或38HRS）
第二节 齿轮传动的失效形式及设计准则 一、齿轮的失效形式
第7章 齿轮传动
教学目标：了解齿轮传动的失效形式及设计准则； 了解齿轮材料及选用原则； 能够计算齿轮传动的计算载荷； 能够进行标准直齿圆柱齿轮的受力分析。
教学重点: 1.齿轮传动的失效形式及设计准则； 2.标准直齿圆柱齿轮的受力分析。
教学难点：标准直齿圆柱齿轮的受力分析。
第一节 概述
一、齿轮传动的特点
2．铸钢 当齿轮的尺寸较大(大于400一600mm)而不便于锻造时，可
用铸造方法制成铸钢齿坯，再进行正火处理以细化晶粒。 3．铸铁
低速、轻载场合的齿轮可以制成铸铁齿坯。当尺寸大于 500mmm时可制成轮辐式齿轮。
补充：机械制造常用材料
一、常用材料 常用金属材料
钢 ——含碳量≤ 2%
铸铁 ——含碳量>2% 有色金属合金
2、铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。 特点：良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零件。 较好的减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）、成本低廉
应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之
二、钢的热处理简介
钢的热处理是指将钢在固态下进行不同温度的加热、 保温和冷却的方法，是其内部组织结构发生变化， 从而达到提高零件的力学性能和改善其工艺性能的 目的。
2）硬齿面（>350HBS）或铸铁齿轮，由于抗点蚀能力 较高，轮齿折断的可能性较大，故可按齿根弯曲疲劳强度设 计计算，按齿面接触疲劳强度校核。
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。
2、对于开式齿轮传动，齿面磨损为其主要失效形式， 故通常按照齿根弯曲疲劳强度进行设计计算，确定齿轮的 模数，考虑磨损因素，再将模数增大10%——20%。
（2）工艺要求： （3）经济性
铸造性能 锻造性能 焊接性能 切削加工性能 热处理性能
三、齿轮材料的选择原则
1）齿轮材料必须满足工作条件的要求。
2）应考虑齿轮尺寸大小、毛坯成型方法、热处理、制造工艺。 3）正火碳钢，不论毛坯的制作方法如何，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。
常用的热处理方法有：退火、正火、淬火、回火、调 质及表面热处理等。
温
保温
度
退火
加 热
临界温度
淬
火
回
火
正火 调质
1 退火 是将钢加热到临界温度（约723℃）以上（3050℃），保温一段时间，然后工件随炉温缓慢冷却。 消除锻造、焊接的内应力，降低硬度，改善切削加工 性能。
2 正火 与退火相似，只是在保温后，在空气中冷却，冷 却速度比退火快。作用于退火类似，但比退火经济， 可作为零件的最终热处理。
表 齿轮传动的功能要求与齿轮精度项目的主要关系
功能要求
精度项目
运动精度
齿廓总公差Fa，齿廓形状公差f f，齿廓倾斜极限偏差fH， 单个齿距极限偏差 f pt，一齿切向综合公差fi， 一齿径向综合公差f
平稳性精度 齿距累积总公差Fp，齿距累积极限偏差 Fpk，切向综合总公差Fi，
径向综合总公差Fi， 径向跳动公差Fr
形成原因： 轮齿在节圆附近一对齿受力，载荷大；滑动速度低 形成油膜条件差；接触疲劳产生麻点 。 主要措施：提高齿面硬度；降 低齿面粗糙度；增大润滑油粘 度；采用合理变位。
3.齿面磨损 原因：相对滑动；润滑不良；存在杂质。
主要措施：采用闭式传动；提高齿面硬度；降低齿面 粗糙度；采用清洁的润滑油。
4.齿面胶合：齿面粘连后撕脱 原因：高速重载；滑动速度大；散热不良；齿面金 属熔化粘连后撕脱——热胶合 低速重载，由于齿面间油膜破坏，也会出现胶合— —冷胶合
铁碳合金
非金属材料
橡胶 塑料等
1、钢： 按化学成分：碳素钢 合金钢
按含碳量：低碳钢<0.25% 中碳钢0.25%~0.5% 高碳钢>0.5%
按质量：普通钢 优质钢
按用途：结构钢 特殊钢
按冶炼时脱氧程度和钢锭中气孔存在情况：镇静钢 沸腾钢
（1）普通碳素结构钢
Q235-A、F， s 235 MPa
接触精度
螺旋线总公差F，螺旋线形状公差f f ，螺旋线倾斜极限偏差 fH
3、精度标注方法
8—7—7—G M JB179-81
齿厚下偏差 齿厚上偏差 第III公差组的精度等级 第II公差组的精度等级 第I公差组的精度等级
第三节 齿轮的材料及其选用原则
一、齿轮材料的基本要求
齿面要硬、齿芯要韧，即:
(1)齿面应有足够的硬度，以抵抗齿面磨损、点蚀、 胶合以及塑性变形等； (2)齿芯应有足够的强度和较好的韧性，以抵抗齿 根折断和冲击载荷； (3)应有良好的加工工艺性能及热处理性能，使之 便于加工且便于提高其力学性能。
二、齿轮的常用材料
1.轮齿折断
1.轮齿折断：折断发生在齿根处
1）过载折断（淬火钢和铸铁齿轮常 见的失效形式）；
2）疲劳折断。
采取措施： 1）材料及热处理； 2）增大模数； 3）增大齿根圆角半径消除刀痕； 4）喷丸、滚压处理； 5）增大轴及支承刚度。
2.齿面点蚀：轮齿接触表面在变化的接触应力作用下，由于疲 劳而产生的麻点剥蚀损伤现象，开始是针尖大小麻点，逐渐扩 展连成片状。点蚀一般首先出现在齿根靠近节线处，再向其它 部位扩展。
3 淬火 是将钢加热到临界温度以上，保温一段时间，而 后在水、盐水或油中快速冷却。获得高强度和高硬度， 提高耐磨性和耐蚀性。但产生很大内应力，降低塑性 和韧性，故应回火已得到较好的综合性能。
4 回火 是将淬火钢重新加热到临界温度以下的某一温度， 保温一段时间，然后冷却。根据加热温度不同，回火可 分为低温回火、中温回火和高温回火三种。低温回火的 加热温度为150-250℃，适用于刀具、量具、滚动轴承等； 中温回火的加热温度为300-450℃，适用于有弹性要求的 零件，如弹簧；高温回火的加热温度为450-650℃，适用 于各种重要的机械零件，如齿轮、轴、重要螺栓等。
（2）优质碳素结构钢 25、35、45、60--平均含碳量
（3）合金结构钢
25Cr2MoV
（4）铸钢
ZG235-450、ZG35SiMn
特点：钢具有高的强度、韧性和塑性。可用热处理方法改 善其力学性能和加工性能。
零件毛坯获取方法：锻造、冲压、焊接、铸造等。 应用：应用范围极其广泛。 选用原则：
优选碳素钢，其次是硅、锰、硼、钒类合金钢。
(2)硬齿面齿轮: 硬齿面齿轮的齿面硬度大于350HBS， 常用的材料为中碳钢或中碳合金钢经表面淬火或渗碳淬火 处理。加工后进行热处理,若变形过大,则需精加工。
在确定大、小齿轮硬度时应注意使小齿轮的齿面硬度比大 齿轮的齿面硬度高20一50HBS，这是因为小齿轮轮齿啮合次 数比大齿轮多，且小齿轮齿根较薄．为使两齿轮的轮齿接近等 强度，小齿轮的齿面要比大齿轮的齿面硬一些。
防止胶合的措施：提高齿面硬度；降低齿面粗糙度； 增大润滑油粘度；限制油温。
5.塑性变形 原因：重载，齿面软
措施：提高齿面硬度；增大润滑油粘度。
二.齿轮传动设计准则ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1、对于闭式齿轮传动：
1）软齿面（≤350HBS）齿轮主要失效形式是齿面点蚀，故 可按齿面接触疲劳强度设计计算，按齿根弯曲疲劳强度校核.
5）飞行器中的齿轮传动，要求齿轮尺寸尽可能小，应采用表 面硬化处理的高强度合金钢。
齿轮的精度
1、精度要求 （1）、传递的准确性—Ⅰ（从动转动一周的转角误
差不超过许用值）
（2）、传动的平稳性—Ⅱ（瞬时传动比i不超过许用
值）
（3）、载荷分布的均匀性— Ⅲ（接触面上载荷分 布均匀）
2、精度等级
齿轮精度规定了1～12的12个等级，其中，1级精度最 高，12级精度最低。
低温 :150 ~ 250减小内应力脆性 回火 中温 : 350 ~ 450硬度有所下降,提高了弹性.如弹簧
高温 : 500 ~ 650强、硬、韧性、塑性好
5 调质—淬火后高温回火。
6 表面热处理
是强化零件表面的重要手段，常用的方法有表面淬火和 化学热处理两种。
1)表面淬火是将机械零件需要强化的表面迅速加热到淬 火温度，随即快速将该表面冷却的热处理方法。