精密機械設(shè)計基礎(chǔ) 第8講 齒輪機構(gòu)及其設(shè)計

1、精 密 機 械 設(shè) 計,南京信息工程大學,齒輪機構(gòu)及其設(shè)計,內(nèi) 容 提 示,齒輪傳動的失效形式及設(shè)計準則齒輪材料及其熱處理工藝直齒圓柱齒輪傳動計算載荷與受力分析齒面接觸疲勞強度計算齒根彎曲疲勞強度計算,§8-1 齒輪傳動的失效形式及設(shè)計準則,1、輪齒折斷,齒輪傳動的失效主要發(fā)生在輪齒部分，其常見失效形式有：輪齒折斷、齒面點蝕、齒面磨損、齒面膠合和塑性變形等五種,輪齒在工作過程中，齒根部受較大的交變彎曲應(yīng)力，

2、并且齒根圓角及切削刀痕產(chǎn)生應(yīng)力集中。當齒根彎曲應(yīng)力超過材料的彎曲疲勞極限時，輪齒在受拉一側(cè)將產(chǎn)生疲勞裂紋，隨著裂紋的逐漸擴展，導(dǎo)致輪齒疲勞折斷。,局部折斷和整體折斷,,§8-1 齒輪傳動的失效形式及設(shè)計準則,d一定時，z↓，m↑，增加齒厚，提高抗彎強度；增大齒根過渡圓角半徑；提高齒輪制造精度和安裝精度；采用表面強化處理（如噴丸、碾壓）等；都可以提高輪齒的抗折斷能力。,措施:,§8-1 齒輪傳動的失效形式及設(shè)計準則,2

3、、齒面點蝕,－齒面接觸疲勞磨損,,齒輪工作時，在循環(huán)變化的接觸應(yīng)力、齒面摩擦力及潤滑劑的反復(fù)作用下，輪齒表面或次表層出現(xiàn)疲勞裂紋，裂紋逐漸擴展，導(dǎo)致齒面金屬剝落形成麻點狀凹坑。,齒面疲勞點蝕首先出現(xiàn)在齒面節(jié)線偏齒根側(cè)。這是因為節(jié)線附近齒面相對滑動速度小，油膜不宜形成，摩擦力較大；且節(jié)線處同時參與嚙合的輪齒對數(shù)少，接觸應(yīng)力大。點蝕的發(fā)展，會產(chǎn)生振動和噪聲，以至不能正常工作而失效。,§8-1 齒輪傳動的失效形式及設(shè)計準則,提高齒面

4、硬度，降低齒面粗糙度值，合理選擇潤滑油的粘度及采用正變位齒輪傳動等,點蝕實例,措施:,§8-1 齒輪傳動的失效形式及設(shè)計準則,3、齒面磨損,,由于粗糙齒面的摩擦或有砂粒、金屬屑等磨料落入齒面之間，都會引起齒面磨損。磨損引起齒廓變形和齒厚減薄，產(chǎn)生振動和噪聲，甚至因輪齒過薄而斷裂失效。,磨損是開式齒輪傳動的主要失效形式。采用閉式齒輪傳動，提高齒面硬度，降低齒面粗糙度值，注意保持潤滑油清潔等，都有利于減輕齒面磨損,措施:,

5、7;8-1 齒輪傳動的失效形式及設(shè)計準則,,4、齒面膠合,高速重載齒輪傳動，因齒面間壓力大、相對滑動速度大，在嚙合處摩擦發(fā)熱多，產(chǎn)生瞬間高溫，使油膜破裂，造成齒面金屬直接接觸并相互粘著，而后隨齒面相對運動，又將粘接金屬撕落，使齒面形成條狀溝痕，產(chǎn)生齒面熱膠合。低速重載齒輪傳動（v≤4m/s ），由于嚙合處局部壓力很高齒，使油膜破裂而粘著，產(chǎn)生齒面冷膠合。齒面膠合會引起振動和噪聲，導(dǎo)致失效。,采用正變位齒輪、減小模數(shù)及降低齒高以減小滑動速

6、度，提高齒面硬度，降低齒面粗糙度值，采用抗膠合能力強的齒輪材料，在潤滑油中加入極壓添加劑,措施:,§8-1 齒輪傳動的失效形式及設(shè)計準則,5、齒面塑性變形,用較軟齒面材料制造的齒輪，在承受重載的傳動中，由于摩擦力的作用，齒面表層材料沿摩擦力的方向發(fā)生塑性變形。主動輪齒面節(jié)線處產(chǎn)生凹坑，從動輪齒面節(jié)線處產(chǎn)生凸起。提高齒面硬度和潤滑油粘度，可以減輕或防止齒面塑性變形的產(chǎn)生。,§8-1 齒輪傳動的失效形式及設(shè)計準則,設(shè)計齒

7、輪傳動時，應(yīng)根據(jù)實際工況條件，分析主要失效形式，確定相應(yīng)的設(shè)計準則，進行設(shè)計計算。,對于閉式齒輪傳動，主要失效形式是齒面疲勞點蝕、彎曲疲勞折斷及膠合。目前一般齒輪傳動，只按齒面接觸疲勞強度和齒根彎曲疲勞強度兩準則進行設(shè)計計算。對于高速大功率的齒輪傳動，還應(yīng)按齒面抗膠合能力的準則進行計算。,開式齒輪傳動的主要失效形式是磨損及彎曲疲勞折斷，目前對磨損尚無成熟的設(shè)計計算方法，故通常按齒根彎曲疲勞強度進行設(shè)計計算，并將模數(shù)增大10%-20%，以

8、考慮磨損的影響。,§8-2 齒輪材料及其熱處理工藝,齒輪材料對齒輪的承載能力和結(jié)構(gòu)尺寸影響很大，合理選擇齒輪材料是設(shè)計重要內(nèi)容之一。選擇齒輪材料應(yīng)考慮如下要求：齒面應(yīng)有足夠的硬度，保證齒面抗點蝕、抗磨損、抗膠合和抗塑性變形的能力；輪齒芯部應(yīng)有足夠的強度和韌性，保證齒根抗彎曲能力；此外，還應(yīng)具有良好的機械加工和熱處理工藝性；以及經(jīng)濟性等要求。,§8-2 齒輪材料及其熱處理工藝,制造齒輪材料以鍛鋼（包括軋制鋼材）為主，其

9、次是鑄鋼、鑄鐵，還有有色金屬和非金屬材料等。,鋼制軟齒面齒輪要求小齒輪硬度大于大齒輪30-50 HBS,原因：1）小齒輪齒根強度較弱,2）小齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)較多,3)當大小齒輪有較大硬度差時，較硬的小齒輪會對較軟的大齒輪齒面產(chǎn)生冷作硬化的作用，可提高大齒輪的接觸疲勞強度,§8-3 直齒圓柱齒輪傳動計算載荷與受力分析,轉(zhuǎn)矩T1由主動齒輪傳給從動齒輪。忽略齒面間的摩擦力，輪齒間法向力Fn的方向始終沿嚙合線。法向力Fn在節(jié)點處可分

10、解為兩個相互垂直的分力：切于分度圓的圓周力Ft和沿半徑方向的徑向力Fr。,,,§8-3 直齒圓柱齒輪傳動計算載荷與受力分析,名義載荷－Fn是用齒輪傳遞的名義轉(zhuǎn)矩求得的載荷,計算載荷－由于載荷沿接觸線不是均勻分布的，在某些地方大于、某些地方小于名義載荷，造成所謂載荷集中。常用載荷集中系數(shù)表示。由于齒輪制造不精確，致使轉(zhuǎn)動不平穩(wěn)，引起附加的動載荷，常用動載荷系數(shù)表示其影響。在計算齒輪傳動的強度時，用載荷系數(shù)對名義載荷進行修正，名義

11、載荷與載荷系數(shù)的乘積稱為計算載荷。,,Kv-動載荷系數(shù)　Kβ-載荷集中系數(shù),§8-3 直齒圓柱齒輪傳動計算載荷與受力分析,,動載荷系數(shù)Kv,－考慮齒輪副自身嚙合誤差引起的內(nèi)部附加動載荷的影響系數(shù)。,齒輪制造產(chǎn)生的基節(jié)誤差和齒形誤差；在嚙合傳動中，同時參加嚙合輪齒的對數(shù)及位置在循環(huán)變化，輪齒嚙合剛度也隨之變化；輪齒受載變形；齒輪支承件的彈性變形等,§8-3 直齒圓柱齒輪傳動計算載荷與受力分析,載荷集中系數(shù)Kβ,

12、－考慮沿齒寬方向載荷分布不均勻?qū)X輪強度影響的系數(shù),主要是由于齒輪的制造和安裝誤差；輪齒、軸系部件和箱體的變形；齒寬及齒面硬度等,§8-4 齒面接觸疲勞強度計算,,接觸應(yīng)力,§8-4 齒面接觸疲勞強度計算,§8-4 齒面接觸疲勞強度計算,其中,§8-4 齒面接觸疲勞強度計算,注意: 在進行齒面接觸強度計算時，應(yīng)代入較小的值進行計算,§8-5 齒根彎曲疲勞強度計算,,§8-5 齒