第十章 齿轮传动教案

第十章齿轮传动（7学时）

一、教学目标及基本要求

1. 了解齿轮的特点、类型及主要参数、齿轮的失效形式、齿轮所用的材料及采用的热处理方法、齿轮传动中的计算载荷、齿轮传动的润滑和效率、齿轮传动的设计准则。

2. 掌握圆柱直齿、斜齿、锥齿轮传动的受力分析，各分力的方向判断。

3. 掌握直齿、斜齿圆柱齿轮传动的设计，齿轮的结构设计。

二、教学内容

§10-1概述

§10-2齿轮传动的失效形式及设计准则

§10-3齿轮的材料及其选择原则

§10-4齿轮传动的计算载荷

§10-5标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算

§10-6齿轮传动的设计参数、许用应力与精度选择

§10-7标准斜齿圆柱齿轮传动的强度计算

§10-8标准锥齿轮传动的强度计算

§10-9变位齿轮传动强度计算概述

§10-10齿轮的结构设计

§10-11齿轮传动的润滑

三、教学内容的重点和难点

重点：标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算

难点：针对不同的失效形式确定设计准则，不同的失效形式恰当地选用相应的设计数据。

四、教学方式与手段及教学过程中应注意的问题

充分利用多媒体教学手段，围绕教学基本要求进行教学。在教学过程中，注意突出重点，多采用启发式教学以及教师和学生的互动。

五、详细教学内容

§10-1 概述

齿轮传动在机械领域中应用范围十分广泛。随着科技的进步，齿轮传动的精度和强度已经大幅度地提高，据现有文献，齿轮传动的传递功率可达十万千瓦，圆周速度可达300m/s，直径可达152.3m。接下来，我们按照惯例，先来看一下齿轮传动的特点及类型。

一、齿轮传动的特点及类型

1.齿轮传动的特点：

1）效率高：可高达99％，在常用的机械传动中，其效率最高；

2）结构紧凑：在相同条件下，齿轮传动所需的空间一般较小；

3）工作可靠，寿命长；

4）传动比恒定；

5）传递的功率和圆周速度的范围广。

缺点：1）制造及安装精度要求高、成本高；2）不适宜远距离两轴间的传动等。

2.类型

按轴的布置：平行轴齿轮传动（圆柱齿轮）、相交轴齿轮传动（锥齿轮）、交错轴齿轮传动按齿向：直齿、斜齿、人字齿

按齿廓：渐开线、摆线、圆弧

按工作条件：闭式、开式、半开式

按齿面硬度：软齿面齿轮（齿面硬度≤350HBS）、硬齿面齿轮（齿面硬度＞350HBS）

3.基本问题：

1）传动平稳：即要求瞬时传动比i 恒定。

2）足够的承载能力：即要求在预期的使用期限内不失效。

二、齿轮传动的主要参数

1）模数m

2）传动比i 和齿数比u 。 主

从主从从主＝d d z z n n i ==齿数比：112>=z z u 3）中心距a

4）齿宽b 和齿宽系数 齿宽系数：1d b d =φ或a

b a =φ，齿宽：1d b d φ=或a b a φ= 大轮齿宽：b b =2（圆整），小轮齿宽：m m 105(21）～+=b b 如图所示。

三、齿轮的精度等级

国标中对圆柱齿轮和锥齿轮都规定了十二个精度等级，常用 5～9 级。

根据传动的用途、使用条件和齿轮的圆周速度等选择精度等级。

齿轮精度分为：

第一公差组：－－控制运动的准确性。

第二公差组：－－控制传动的平稳性。

第三公差组：－－控制载荷分布的均匀性。

§10-2 齿轮传动的失效形式及设计准则

一、失效形式

齿轮传动的失效主要是轮齿的失效，常见的失效形式有：

1. 轮齿折断：疲劳折断和过载折断（属于静强度破坏）

2．齿面磨损：使轮齿变薄，最后导致轮齿折断。

3. 齿面点蚀：多发生在轮齿的节线附近靠近齿根的一侧。

注：由于磨损的比点蚀的形成快，故开式传动中见不到点蚀现象。

4．齿面胶合：是在重载条件下产生的粘着磨损现象。分为冷胶和、热胶合

5．塑性变形：是重载软齿面，在摩擦力作用下引起的材料塑性流动。主动轮的轮齿上在节线处被碾出沟槽，从动轮的轮齿上在节线处被挤出脊棱。

普通闭式传动的主要失效形式为：轮齿的疲劳折断和点蚀

普通开式传动的主要失效形式为：轮齿的疲劳折断和磨粒磨损

二、设计准则

为防止轮齿的疲劳折断，需计算齿根弯曲疲劳强度。为防止齿面点蚀，需计算齿面接触疲劳强度。对一般工况下的普通齿轮传动，其设计准则为：

1. 闭式传动

软齿面：按齿面接触疲劳强度进行设计计算（确定齿轮的参数和尺寸），然后校核齿根弯曲疲劳强度。硬齿面：按齿根弯曲疲劳强度进行设计计算（确定齿轮的参数和尺寸），然后校核齿面接触疲劳强度

2. 开式传动：只计算齿根弯曲疲劳强度，适当加大模数（预留磨损量）。

注：对高速重载传动，还应按齿面抗胶合能力进行计算。

§10-3 齿轮的材料及其选择

齿轮材料及其热处理方法的选择，应根据齿轮传动的载荷大小与性质、工作环境条件、结构尺寸和经济性等多方面的要求来确定。基本的要求是使齿轮具有一定的抗点蚀、抗疲劳折断、抗磨损、抗胶合、抗塑性变形等能力。总之，齿轮材料性能的要求是：齿面硬、芯部韧。

一、常用的齿轮材料

最常用的材料是钢，其次是铸铁，还有非金属材料。

锻钢：

由于锻钢的力学综合性能好，它是最常用的齿轮材料。常用含碳量为0.15%~0.6%的碳钢或者合金钢，适用于中小直径的齿轮。

铸钢：直径较大的齿轮采用，其毛坯要进行正火处理以消除残余应力和硬度不均匀的现象。

铸铁：普通灰铸铁的铸造性能和切削性能好、性质较脆，抗点蚀及抗胶合能力强，但是抗冲击及韧性差，弯曲强度低、常用于低速、轻载、小功率的场合；球墨铸铁的力学性能和抗冲击性能远高于灰铸铁。

非金属材料：如尼龙、塑料等。适用于高速、轻载、且要求降低噪音的场合。非金属材料的导热性差，使用时应注意润滑和散热。

齿轮的毛坯：锻造（适用于中、小尺寸的齿轮）、铸造（适用于形状复杂、尺寸大的齿轮）

二、常用的热处理方法

调质、正火：——获得软齿面，强度低，工艺简单。

正火：正火能消除内应力、细化晶粒、改善力学性能。强度要求不高和不很重要的齿轮，可用中碳钢或中碳合金钢正火处理。大直径的齿轮可用铸钢正火处理。

调质：调质后齿面硬度不高，易于跑合，可精切成形，力学综合性能较好。对中速、中等平稳载荷的齿轮，可采用中碳钢或中碳合金钢调质处理。

整体淬火、表面淬火、表面渗碳淬火、渗氮等：——获得硬齿面，强度高。

整体淬火：整体淬火后再低温回火，这种热处理工艺较简单，但轮齿变形较大，质量不易保证，心部韧性较低，不适于承受冲击载荷，热处理后必须进行磨齿、研齿等精加工。中碳钢或中碳合金钢可采用这种热处理。

表面淬火：表面淬火后再低温回火，由于心部韧性高，接触强度高，耐磨性能好，能承受中等冲击载荷。因为只在表面加热，轮齿变形不大，一般不需要最后磨齿，如果硬化层较深，