齿轮传动机构设计及强度校核

齿轮传动机构设计及强度校核

一、概述

1.优点：传动效率高；工作可靠、寿命长；传动比准确；结构紧凑；功率和速度适用范围很广。

2.缺点：制造成本高；精度低时振动和噪声较大；不宜用于轴间距离较大的传动。

3.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。

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

—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，耐磨性越好硬度检测方法：布氏硬度法（HBS）洛氏硬度法（HRC）

软齿面齿面硬度≤350HBS 或≤38HRC

硬齿面齿面硬度＞350HBS或＞38HRC

二．齿轮传动的失效形式和设计准则

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

2）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

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。

备注：疲劳折断是闭式硬齿面的主要失效形式！

疲劳折断

产生机理：齿面受交变的接触应力-齿面受交变的接触应力-润滑油进入裂纹并产生挤压-表层金属剥落-麻点状凹坑

注意：

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。

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。

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（配对齿轮采用异种金属时，其抗胶合能力比同种金属强）

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。

齿面磨损

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。

齿面塑性变形

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，即按接触疲劳强度设计，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。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

三．齿轮材料、热处理及精度

1.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

2、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。

3、热处理(heat treatment)

软齿面

调质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

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

硬齿面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

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.

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。

4.齿轮传动的精度(accuracy)

GB10095-88将齿轮精度分为三个公差组：

第Ⅰ公差组 － 反映运动精度，即运动的准确性；第Ⅱ公差组 － 反映工作平稳性精度； 第Ⅲ公差组 － 反映接触精度，载荷分布的均匀性；第Ⅲ公差组 － 反映接触精度，载荷分布的均匀性。

常用6～9级，且三个公差组可取不同等级；若3项精度相同，则记为： 8－FL 精度标注示例：

8－8－

7－FL

齿轮副的侧隙：

5.直齿圆柱齿轮传动的强度计算

受力分析：设为标准齿轮，标准中心距安装，力集中作用在齿宽中点，忽略摩擦力。

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

齿厚上偏差代号