《机械设计基础》第五版齿轮传动

1、机械设计机械设计第第4章章 齿轮传齿轮传动动机械设计机械设计第第4章章 齿轮传齿轮传动动第第4 4章章 齿轮传动齿轮传动1 1了解齿轮传动特点、分类；了解齿轮传动特点、分类；2 2掌握齿轮传动的主要失效形式及设计准则；掌握齿轮传动的主要失效形式及设计准则；3. 3. 了解常用齿轮材料及热处理方法；了解常用齿轮材料及热处理方法；4. 4. 掌握齿轮传动的受力分析、强度计算方法及主要参数的选择；掌握齿轮传动的受力分析、强度计算方法及主要参数的选择；5. 5. 了解齿轮传动润滑及齿轮结构。了解齿轮传动润滑及齿轮结构。重点与难点重点与难点 齿轮传动的受力分析、强度计算。齿轮传动的受力分析、强度计算。

2、教学基本要求教学基本要求 机械设计机械设计第第4章章 齿轮传齿轮传动动 4.1 概述概述4.1.14.1.1齿轮传动的特点齿轮传动的特点 （1 1）效率高）效率高 （2 2）结构紧凑）结构紧凑（3 3）工作可靠、寿命长）工作可靠、寿命长（4 4）传动比准确、恒定）传动比准确、恒定（5 5）适用的速度和功率范围广）适用的速度和功率范围广 （6 6）要求加工精度和安装精度较高，制造时需要）要求加工精度和安装精度较高，制造时需要专用工具和设备，因此成本比较高专用工具和设备，因此成本比较高（7 7）不宜在两轴中心距很大的场合使用。）不宜在两轴中心距很大的场合使用。机械设计机械设计第第4章章 齿轮传齿轮

3、传动动4.1.2 4.1.2 齿轮传动的分类齿轮传动的分类按齿廓曲线按齿廓曲线渐开线、圆弧、摆线渐开线、圆弧、摆线按啮合位置按啮合位置外啮合、内啮合外啮合、内啮合按齿轮外形按齿轮外形直齿、斜齿、人字齿、曲（线）齿直齿、斜齿、人字齿、曲（线）齿按两轴相互位按两轴相互位置置平行轴、相交轴、交错轴平行轴、相交轴、交错轴按工作条件分类按工作条件分类齿轮齿轮传动封闭在传动封闭在箱体内，具箱体内，具有良好的润有良好的润滑条件，能滑条件，能防尘。防尘。齿轮齿轮外露，润滑外露，润滑条件差，不条件差，不能防尘。能防尘。齿轮在护罩内，但齿轮在护罩内，但不密封，可以设置不密封，可以设置油池润滑，润滑条油池润滑，润滑

4、条件较好；亦有的仅件较好；亦有的仅把齿轮罩上，只起把齿轮罩上，只起防尘作用，润滑条防尘作用，润滑条件较差。件较差。按齿轮齿面硬按齿轮齿面硬度分类度分类齿面硬度齿面硬度350HBS的齿轮的齿轮(或或38HRC)。齿面硬度齿面硬度350HBS的齿的齿轮轮(或或38HRC)。机械设计机械设计第第4章章 齿轮传齿轮传动动4.2 4.2 齿轮传动的失效形式及设计准则齿轮传动的失效形式及设计准则 机械设计机械设计第第4章章 齿轮传齿轮传动动1 轮齿折断轮齿折断产生原因产生原因: :v齿根弯曲应力大齿根弯曲应力大v齿根应力集中齿根应力集中折断类型折断类型: : v疲劳折断疲劳折断齿根应力集中、交变载荷反复作

5、用、齿根应力集中、交变载荷反复作用、疲劳裂纹扩展疲劳裂纹扩展v突然折断突然折断脆性材料、冲击或过载脆性材料、冲击或过载v变形折断变形折断制造或安装不准确，以及轴的变形引制造或安装不准确，以及轴的变形引起起发生部位：发生部位：轮齿根部轮齿根部( (全齿折断全齿折断) )、缺角、缺角( (斜齿轮局斜齿轮局部折断部折断) )防止折断防止折断措施措施: : v增大齿根过渡圆角、消除加工刀痕增大齿根过渡圆角、消除加工刀痕减小应力集中减小应力集中 v增大轴及支承的刚性增大轴及支承的刚性, ,受载均匀受载均匀 v合适热处理合适热处理齿芯具有足够韧性、表面强化齿芯具有足够韧性、表面强化机械设计机械设计第第4章

6、章 齿轮传齿轮传动动2 2 齿面点蚀齿面点蚀产生原因产生原因: :v轮齿在节圆附近一对齿受力，载荷大轮齿在节圆附近一对齿受力，载荷大v滑动速度低形成油膜条件差滑动速度低形成油膜条件差v接触疲劳产生麻点接触疲劳产生麻点 发生部位发生部位：v偏向齿根的节线附近偏向齿根的节线附近v闭式齿轮传动的主要破坏形式闭式齿轮传动的主要破坏形式点蚀后果点蚀后果：轻者振动噪音，重者不能工作轻者振动噪音，重者不能工作防止点蚀措施防止点蚀措施：增加齿面硬度、降低粗糙度、合增加齿面硬度、降低粗糙度、合理选用润滑油粘度理选用润滑油粘度 轮齿工作面某一固定点受到近似脉轮齿工作面某一固定点受到近似脉动的变应力作用，由于疲劳而

7、产生的麻动的变应力作用，由于疲劳而产生的麻点状剥蚀损伤的现象。点状剥蚀损伤的现象。机械设计机械设计第第4章章 齿轮传齿轮传动动3 3 齿面胶合齿面胶合产生原因产生原因: :v高速重载；散热不良；高速重载；散热不良；v相对滑动速度大，致使温度高、润相对滑动速度大，致使温度高、润滑失效滑失效胶合后果胶合后果：产生振动、噪声，不能工作：产生振动、噪声，不能工作防止胶合措施防止胶合措施：减小模数、降低齿高、减小模数、降低齿高、提高齿面硬度、改善材料、加极压添加提高齿面硬度、改善材料、加极压添加剂剂 高速重载传动中，齿面间压力大，瞬时温高速重载传动中，齿面间压力大，瞬时温度高，润滑失效，齿面间会发生粘接

8、在一起的度高，润滑失效，齿面间会发生粘接在一起的现象，在轮齿表面沿滑动方向出现条状伤痕，现象，在轮齿表面沿滑动方向出现条状伤痕，称为称为胶合胶合。机械设计机械设计第第4章章 齿轮传齿轮传动动 齿面磨损齿面磨损产生原因：产生原因：v磨料磨料( (沙粒、铁屑等沙粒、铁屑等) )进入啮合进入啮合区区齿面磨损齿面磨损磨损后果磨损后果v齿形破坏、变薄引起冲击、振齿形破坏、变薄引起冲击、振动，甚至断齿动，甚至断齿v开式齿轮传动的主要失效形式开式齿轮传动的主要失效形式防止磨损：防止磨损：改善润滑、提高改善润滑、提高齿面硬度、改用闭式传动齿面硬度、改用闭式传动机械设计机械设计第第4章章 齿轮传齿轮传动动齿面塑

9、性变形齿面塑性变形产生原因产生原因: :v当轮齿材料较软，载荷及摩擦力当轮齿材料较软，载荷及摩擦力又很大时，轮齿在啮合过程中，又很大时，轮齿在啮合过程中，齿面表层的材料就会沿着摩擦力齿面表层的材料就会沿着摩擦力的方向产生塑性变形的方向产生塑性变形采取措施采取措施: : l提高轮齿齿面硬度提高轮齿齿面硬度 l采用高粘度的或加有极压添加剂的润滑油采用高粘度的或加有极压添加剂的润滑油 现象现象: 主动轮齿上所受摩擦力是背离节主动轮齿上所受摩擦力是背离节线分别朝向齿顶及齿根作用的，故产线分别朝向齿顶及齿根作用的，故产生塑性变形后，齿面沿节线处变成凹生塑性变形后，齿面沿节线处变成凹沟。从动轮齿上所受的摩

10、擦力方向则沟。从动轮齿上所受的摩擦力方向则相反，塑性变形后，齿面沿节线处形相反，塑性变形后，齿面沿节线处形成凸棱。成凸棱。机械设计机械设计第第4章章 齿轮传齿轮传动动齿轮失效小结齿轮失效小结提高轮齿对上述几种失效形式的抵抗能力，提高轮齿对上述几种失效形式的抵抗能力，除上面所说的办法外，还有减小齿面粗糙度值，除上面所说的办法外，还有减小齿面粗糙度值，适当选配主、从动齿轮的材料及硬度，进行适适当选配主、从动齿轮的材料及硬度，进行适当的磨合（跑合），以及选用合适的润滑剂及当的磨合（跑合），以及选用合适的润滑剂及润滑方法等。前已说明，轮齿的失效形式很多。润滑方法等。前已说明，轮齿的失效形式很多。除上述

11、五种主要形式外，还可能出现齿面融化、除上述五种主要形式外，还可能出现齿面融化、齿面烧伤、电蚀、异物啮入和由于不同原因产齿面烧伤、电蚀、异物啮入和由于不同原因产生的多种腐蚀和裂纹等等，可参看有关资料。生的多种腐蚀和裂纹等等，可参看有关资料。 机械设计机械设计第第4章章 齿轮传齿轮传动动4.2.2设计准则设计准则 设计齿轮时，所依据的设计准则取决于齿轮可能出设计齿轮时，所依据的设计准则取决于齿轮可能出现的失效形式。现的失效形式。1. 闭式齿轮传动闭式齿轮传动 闭式软齿面齿轮传动：闭式软齿面齿轮传动： （接触疲劳点蚀失效为主）（接触疲劳点蚀失效为主） 按齿面接触疲劳强度设计按齿面接触疲劳强度设计按齿

12、根弯曲疲劳强度校核；按齿根弯曲疲劳强度校核； 闭式硬齿面齿轮传动：闭式硬齿面齿轮传动： （弯曲疲劳折断失效为主）（弯曲疲劳折断失效为主） 按齿根弯曲疲劳强度设计按齿根弯曲疲劳强度设计按齿面接触疲劳强度校核；按齿面接触疲劳强度校核；开式齿轮传动开式齿轮传动2. 磨损失效（为条件性计算）为主磨损失效（为条件性计算）为主折断失效折断失效只按齿只按齿根弯曲疲劳强度设计，求出根弯曲疲劳强度设计，求出 m 将将 m 增大增大 5 15% ，以补，以补偿磨损的影响。偿磨损的影响。机械设计机械设计第第4章章 齿轮传齿轮传动动一、常用的齿轮材料一、常用的齿轮材料对材料的基本要求：对材料的基本要求：* *齿面有足

13、够的硬度；齿面有足够的硬度；* *轮芯有足够的强度和韧性；轮芯有足够的强度和韧性；* *具有良好的机械加工和热具有良好的机械加工和热处理工艺性；处理工艺性；* *价格低。价格低。制造齿轮常用材料：制造齿轮常用材料：钢、铸铁、有色金属、非金属材料钢、铸铁、有色金属、非金属材料详细数据见详细数据见P58P58或机械设计手册或机械设计手册4.3 4.3 齿轮常用材料齿轮常用材料机械设计机械设计第第4章章 齿轮传齿轮传动动热处理热处理：是指将钢在固态下加热、保温和冷却，以：是指将钢在固态下加热、保温和冷却，以改变钢的组织结构，获得所需要性能的一种工艺。改变钢的组织结构，获得所需要性能的一种工艺。二二

14、、齿轮热处理、齿轮热处理 v在机床制造中在机床制造中约约60-70%的零的零件要经过热处理。件要经过热处理。v在汽车、拖拉机制造业中在汽车、拖拉机制造业中需需热处理的零件达热处理的零件达70-80%。l热处理是一种重要的加工工艺，热处理是一种重要的加工工艺，在制造业被广泛应用在制造业被广泛应用。 l模具、滚动轴承模具、滚动轴承100%需经过热处理。需经过热处理。l总之，重要零件总之，重要零件都需适当热处理后才都需适当热处理后才能使用。能使用。 设备设备机械设计机械设计第第4章章 齿轮传齿轮传动动热处理方法热处理方法 表面淬火后再低温表面淬火后再低温回火回火。 特点：轮齿变形特点：轮齿变形较较大

15、，可承受中等冲击载荷，热处大，可承受中等冲击载荷，热处理后不需要精加工。理后不需要精加工。 常用材料：中碳钢、中碳合金钢常用材料：中碳钢、中碳合金钢. . 表面淬火表面淬火. . 渗碳淬火渗碳淬火 特点：轮齿变形较大，热处理后需磨齿，载荷特点：轮齿变形较大，热处理后需磨齿，载荷大时渗碳层易剥落。大时渗碳层易剥落。 常用材料：低碳钢、低碳合金钢常用材料：低碳钢、低碳合金钢高频淬火高频淬火火焰淬火火焰淬火机械设计机械设计第第4章章 齿轮传齿轮传动动正火和正火和调质调质 特点：热处理后需精加工，为了减少胶合的危险，特点：热处理后需精加工，为了减少胶合的危险，小齿轮齿面硬度应比大齿轮高数十个小齿轮齿面

16、硬度应比大齿轮高数十个HBHB单位。单位。 常用材料：中碳钢、中碳合金钢常用材料：中碳钢、中碳合金钢 特点：冲击载荷下硬化层易破碎，用于载特点：冲击载荷下硬化层易破碎，用于载荷平稳、润滑良好处。荷平稳、润滑良好处。 常用材料：内齿圈、难磨削齿轮常用材料：内齿圈、难磨削齿轮4. 4. 渗氮渗氮齿轮加工过程齿轮加工过程机械设计机械设计第第4章章 齿轮传齿轮传动动三、齿轮材料的选择原三、齿轮材料的选择原则则 参考原则：参考原则： 选择适当的热处理方法：选择适当的热处理方法： 只能用于制作在载荷平稳或轻度冲击下工作的齿轮只能用于制作在载荷平稳或轻度冲击下工作的齿轮可用于制作在中等冲击载荷下工作的齿轮。

17、可用于制作在中等冲击载荷下工作的齿轮。常用于制作高速、重载并在冲击载荷下工作的齿轮。常用于制作高速、重载并在冲击载荷下工作的齿轮。基本原则：基本原则： （1 1）必须满足工作条件的要求；）必须满足工作条件的要求；（2 2）综合考虑工艺性和经济性的要求。）综合考虑工艺性和经济性的要求。 一对齿轮的材料搭配一对齿轮的材料搭配 小齿轮的材料和热处理方法比大齿轮的强；小齿轮的材料和热处理方法比大齿轮的强； 为防止产生胶合，两轮的材料性能差别越大越好；为防止产生胶合，两轮的材料性能差别越大越好； 两轮的材料相同时，小齿轮齿面硬度应比大齿轮的高两轮的材料相同时，小齿轮齿面硬度应比大齿轮的高 303050H

18、BS 50HBS 。机械设计机械设计第第4章章 齿轮传齿轮传动动4.44.4直齿圆柱齿轮传动的受力分析及计算载荷直齿圆柱齿轮传动的受力分析及计算载荷小齿轮上的转矩：小齿轮上的转矩：mmNnPPT161611055.910P P为传递的功率（为传递的功率（KWKW）1 1-小齿轮上的角速度，小齿轮上的角速度，n n1 1-小齿轮上的转速小齿轮上的转速d d1 1-小齿轮上的分度圆直径，小齿轮上的分度圆直径，-压力角压力角一、一、轮齿的受力分析轮齿的受力分析v分析：在不计摩擦力的情分析：在不计摩擦力的情况下，沿啮合线作用在齿况下，沿啮合线作用在齿面上的法向载荷面上的法向载荷Fn垂直于垂直于齿面。齿

19、面。FnFt (圆周力圆周力) )Fr (径向力径向力) )1、 作用力的大小作用力的大小圆周力：圆周力：径向力：径向力：法向力：法向力：Ft=2T1/d1Fr=Fttan Fn=Ft/cos 机械设计机械设计第第4章章 齿轮传齿轮传动动2 2、作用力的方向、作用力的方向作用在主动轮和从动轮上作用在主动轮和从动轮上的各对力大小相等，方向的各对力大小相等，方向相反。相反。 3 3、主、从动轮受力关系、主、从动轮受力关系Ft： 主动轮上，与转向相反；主动轮上，与转向相反；从动轮上，与转向相同。从动轮上，与转向相同。Fr：分别指向各自轮心分别指向各自轮心 Fn：指向齿面指向齿面例题例题21n2n1F

20、r2Fr1Ft1Ft2n1n2机械设计机械设计第第4章章 齿轮传齿轮传动动二、计算载荷二、计算载荷 齿轮传动在实际工作时，齿轮传动在实际工作时，由于原动机和工作机的工作由于原动机和工作机的工作特性不同，会产生附加载荷。特性不同，会产生附加载荷。齿轮、轴、轴承的加工、安齿轮、轴、轴承的加工、安装误差及弹性变形会引起载装误差及弹性变形会引起载荷集中，使实际载荷增加。荷集中，使实际载荷增加。1.1.工作情况系数工作情况系数AKFnc= KFn其中：其中：K 为载荷系数，为载荷系数，按下式计算按下式计算: :K =KA Kv K K KA使用系数使用系数Kv动载系数动载系数K 齿间载荷分配系数齿间载荷

21、分配系数K 齿向载荷分布系数齿向载荷分布系数 物理意义物理意义考虑齿轮系统外部因素引起的附加动载荷的影响；考虑齿轮系统外部因素引起的附加动载荷的影响； 影响动载荷大小的因素影响动载荷大小的因素主要取决于原动机、工作机的运转特主要取决于原动机、工作机的运转特性、轴和联轴器的类型、缓冲性能等；性、轴和联轴器的类型、缓冲性能等； 取值方法取值方法参考表决定。参考表决定。机械设计机械设计第第4章章 齿轮传齿轮传动动VK2动载系数动载系数 物理意义物理意义考虑齿轮副在啮合过程中因啮合误差和考虑齿轮副在啮合过程中因啮合误差和运转速度而引起的内部附加动载荷的影响；运转速度而引起的内部附加动载荷的影响； 动载

22、荷产生的原因及影响因素动载荷产生的原因及影响因素齿轮传动的制造、安装误差及齿轮传动的制造、安装误差及受载后轮齿的变形受载后轮齿的变形基圆齿距不相等基圆齿距不相等i 瞬瞬常数常数动载荷动载荷动载系数取值方法动载系数取值方法一般齿轮传动可根据齿轮精度一般齿轮传动可根据齿轮精度等级进行选择。等级进行选择。机械设计机械设计第第4章章 齿轮传齿轮传动动降低降低K Kv v的措施：的措施：1 1）齿轮精度齿轮精度2 2）限制限制v v3 3）修缘齿修缘齿（齿顶修削）（齿顶修削）d)C1EEc)C由模数和精度等级而定r修缘高度hx=0.45m机械设计机械设计第第4章章 齿轮传齿轮传动动 3、齿向载荷分布系数

23、、齿向载荷分布系数K 物理意义物理意义考虑工作载荷沿轮齿接触线方向分布不均匀性的影响。考虑工作载荷沿轮齿接触线方向分布不均匀性的影响。产生原因产生原因由于轴的弯曲和扭转变形、轴承的弹性位移以、传动由于轴的弯曲和扭转变形、轴承的弹性位移以、传动装置的制造和安装误差等。装置的制造和安装误差等。影响因素影响因素齿轮在轴上位置的安排、轴承及支座的刚度等因素。齿轮在轴上位置的安排、轴承及支座的刚度等因素。 减小载荷分布不均的措施减小载荷分布不均的措施增大轴、轴承及支座的刚度增大轴、轴承及支座的刚度b) b) 合理布置齿轮在轴上的位置合理布置齿轮在轴上的位置d)d)提高齿轮传动的制造和安装精度提高齿轮传动

24、的制造和安装精度a)a) e)e)在一对齿轮中把一个齿轮的轮齿制作成在一对齿轮中把一个齿轮的轮齿制作成鼓形齿等。鼓形齿等。机械设计机械设计第第4章章 齿轮传齿轮传动动3、齿间载荷分配系数、齿间载荷分配系数K 物理意义物理意义考虑同时啮合的各齿对间载荷分配不均匀性的影响；考虑同时啮合的各齿对间载荷分配不均匀性的影响； 产生原因产生原因 1 1 2 2，当双对齿啮合时，在理想状态下，当双对齿啮合时，在理想状态下，载荷应平均分配在两对齿上。但实际上，由于齿轮制造的误差，载荷应平均分配在两对齿上。但实际上，由于齿轮制造的误差和轮齿受力后变形，造成载荷在各齿对之间的分配时不均匀的。和轮齿受力后变形，造成

25、载荷在各齿对之间的分配时不均匀的。主要影响因素主要影响因素1 1）受载后轮齿变形；）受载后轮齿变形；2 2）轮齿制造误差（特别是基节偏差）；）轮齿制造误差（特别是基节偏差）；3 3）齿廓修形（修缘量）；）齿廓修形（修缘量）；4 4）磨合效果。）磨合效果。取值方法取值方法 表表4-5 4-5 机械设计机械设计第第4章章 齿轮传齿轮传动动4.5.2 4.5.2 齿根弯曲强度计算齿根弯曲强度计算4.6.1 4.6.1 斜齿圆柱齿轮传动受力分析斜齿圆柱齿轮传动受力分析4.5 4.5 直齿圆柱齿轮传动的强度计算直齿圆柱齿轮传动的强度计算4.5.14.5.1齿面接触强度计算齿面接触强度计算4.5.34.5

26、.3直齿圆柱齿轮的参数、精度选择和许用应力直齿圆柱齿轮的参数、精度选择和许用应力4.6 4.6 斜齿圆柱齿轮传动的强度计算斜齿圆柱齿轮传动的强度计算4.6.24.6.2、3 3 斜齿圆柱齿轮强度计算斜齿圆柱齿轮强度计算机械设计机械设计第第4章章 齿轮传齿轮传动动4.8.1 4.8.1 齿轮传动的效率齿轮传动的效率齿轮传动中的功率损失主要包括：齿轮传动中的功率损失主要包括：1 1）啮合中的摩擦损失；）啮合中的摩擦损失；2 2）润滑油被搅动的油阻损失；）润滑油被搅动的油阻损失；3 3）轴承中的摩擦损失。）轴承中的摩擦损失。 4.8 4.8 齿轮传动的效率、润滑及结构齿轮传动的效率、润滑及结构 1

27、1啮合中的效率损失；啮合中的效率损失； 22润滑油被搅动的油阻损失；润滑油被搅动的油阻损失； 33轴承中摩擦损失轴承中摩擦损失321满载时，采用滚动轴承的齿轮传动，平均效率列于表满载时，采用滚动轴承的齿轮传动，平均效率列于表4-124-12。齿轮传动的效率齿轮传动的效率机械设计机械设计第第4章章 齿轮传齿轮传动动4.8.24.8.2齿轮传动的润滑齿轮传动的润滑 一、齿轮传动润滑的目的一、齿轮传动润滑的目的 n 减少摩擦磨损减少摩擦磨损n 散热散热n 防止锈蚀防止锈蚀二、齿轮传动的润滑方式二、齿轮传动的润滑方式 n人工定期润滑：人工定期润滑： 开式、半开式、低速闭式齿轮传动开式、半开式、低速闭式

28、齿轮传动n 浸油润滑和喷油润滑：浸油润滑和喷油润滑： 中、高速闭式齿轮传动中、高速闭式齿轮传动机械设计机械设计第第4章章 齿轮传齿轮传动动三、润滑剂的选择三、润滑剂的选择 n常用的润滑剂：润滑油、润滑脂常用的润滑剂：润滑油、润滑脂n 选择因素：转速高低、载荷大小、环境温度等选择因素：转速高低、载荷大小、环境温度等润滑油粘度荐用值见表润滑油粘度荐用值见表4343机械设计机械设计第第4章章 齿轮传齿轮传动动1. 1. 齿轮轴齿轮轴 直径较小的钢质齿轮，当齿根圆直径与直径较小的钢质齿轮，当齿根圆直径与轴径接近时，可以将齿轮与轴做成一体，称轴径接近时，可以将齿轮与轴做成一体，称为齿轮轴。如果齿轮的直径比轴径大得多，为齿轮轴。如果齿轮的直径比轴径大得多，则应把齿轮和轴分开制造。则应把齿轮