机械设计基础：第6章 齿轮传动5

1、1 1、对齿轮材料性能的要求、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。面硬、芯部韧。 6.66.6 齿轮材料齿轮材料与制造与制造 常用常用齿齿轮材料轮材料锻钢锻钢 铸钢铸钢 铸铁铸铁常作为低速、轻载、不太重要的场合的齿常作为低速、轻载、不太重要的场合的齿轮材料；轮材料；适用于高速、轻载、且要求降低适用于高速、轻载、且要求降低噪声的场合。噪声的场合。 非金属材料非金属材料 2 2、常用齿轮材料、常用齿轮材料 钢材的韧性好，

2、耐冲击，通过热处理和化学处理可钢材的韧性好，耐冲击，通过热处理和化学处理可改善材料的机械性能，最适于用来制造齿轮。改善材料的机械性能，最适于用来制造齿轮。 耐磨性及强度较好，常用于大尺寸齿轮。耐磨性及强度较好，常用于大尺寸齿轮。含碳量为含碳量为(0.150.6)%(0.150.6)%的碳素钢或合金钢。的碳素钢或合金钢。一般用途齿轮用碳素钢，重要齿轮用合金钢。一般用途齿轮用碳素钢，重要齿轮用合金钢。 1锻钢锻钢锻钢因具有强度高、韧性好、便于制造、便于热处理等锻钢因具有强度高、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。优点，大多数齿轮都用锻钢制造。 软齿面齿轮和硬齿面齿轮常用的材

3、料。软齿面齿轮和硬齿面齿轮常用的材料。(1)软齿面齿轮软齿面齿轮软齿面齿轮的齿面硬度软齿面齿轮的齿面硬度350HBS，常用中碳钢和中碳，常用中碳钢和中碳合金钢，如合金钢，如45钢钢40Cr，35SiMn等材料，进行等材料，进行调质调质或或正正火火处理。这种齿轮适用于强度、精度要求不高的场合，轮处理。这种齿轮适用于强度、精度要求不高的场合，轮坯经过热处理后进行插齿或滚齿加工，生产便利、成本较坯经过热处理后进行插齿或滚齿加工，生产便利、成本较低。低。在确定大小齿轮硬度时应注意使在确定大小齿轮硬度时应注意使小齿轮小齿轮的齿面硬度比的齿面硬度比大齿轮的齿面硬度大齿轮的齿面硬度高高30一一50HBS，这

4、是，这是因为小齿轮受载因为小齿轮受载荷次数比大齿轮多，且小齿轮齿根较薄为使两齿轮的轮荷次数比大齿轮多，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。齿接近等强度，小齿轮的齿面要比大齿轮的齿面硬一些。(2)硬齿面齿轮硬齿面齿轮硬齿面齿轮的齿面硬度硬齿面齿轮的齿面硬度350HBS，常用的材料为中碳，常用的材料为中碳钢或中碳合金钢经表面钢或中碳合金钢经表面淬火淬火处理。处理。 2铸钢铸钢当齿轮的尺寸较大当齿轮的尺寸较大(大于大于400一一600mm)而而不便于锻造时可用铸造方法制成铸钢齿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。坯，再进行正火处

5、理以细化晶粒。 对于对于软齿面软齿面齿轮，常选用齿轮，常选用中碳钢和中碳合金中碳钢和中碳合金钢钢轮轮坯坯进行进行调质调质或或正火正火处理。然后进行插齿或滚处理。然后进行插齿或滚齿加工。齿加工。调质、正火处理后的硬度低，调质、正火处理后的硬度低，HBS 350HBS 350，属，属软齿面软齿面，工艺简单、用于一般传动。当大小齿，工艺简单、用于一般传动。当大小齿轮都是软齿面时，因小齿轮受载荷频繁，弯曲轮都是软齿面时，因小齿轮受载荷频繁，弯曲强度低，且小齿轮齿根较薄，为使两齿轮的轮强度低，且小齿轮齿根较薄，为使两齿轮的轮齿接近等强度，故在选材和热处理时，小轮比齿接近等强度，故在选材和热处理时，小轮比

6、大轮硬度大轮硬度高高30503050 HBS HBS适用于强度、精度要求不高的场合，成本较低。适用于强度、精度要求不高的场合，成本较低。 对于对于硬齿面硬齿面齿轮，常选用齿轮，常选用中碳钢和中碳合金中碳钢和中碳合金钢钢轮轮坯坯进行表面进行表面淬火淬火。然后进行磨齿加工。然后进行磨齿加工。适用于强度、精度要求较高的场合。适用于强度、精度要求较高的场合。 表表6-3 齿轮常用材料齿轮常用材料6.6.26.6.2 渐开线齿轮的切制原理渐开线齿轮的切制原理1.齿廓切制的基本原理齿廓切制的基本原理齿轮加齿轮加工方法工方法仿形法仿形法范成法范成法(展成法共轭法包络法)盘铣刀盘铣刀指状铣刀指状铣刀插齿插齿滚

7、齿滚齿剃齿剃齿磨齿磨齿铸造法铸造法热轧法热轧法冲压法冲压法模锻法模锻法粉末冶金法粉末冶金法切制法切制法最常用铣削铣削拉削拉削 铣刀号数铣刀号数 1 2 3 4 5 6 7 8所切齿轮齿数所切齿轮齿数 1213 1416 1720 2125 2634 3554 55134 1358把一组各号铣刀切制齿轮的齿数范围把一组各号铣刀切制齿轮的齿数范围产生齿形误差和分度误差，产生齿形误差和分度误差，精度较低，加工不连续，生精度较低，加工不连续，生产效率低。适于单件生产。产效率低。适于单件生产。一种模数只需要一把刀具一种模数只需要一把刀具连续切削，生产效率高，连续切削，生产效率高，精度高，用于批量生产。精

8、度高，用于批量生产。指状铣刀加工指状铣刀加工盘铣刀加工盘铣刀加工铣刀旋转，工件进给分度、断续切削。适用于加工大模数适用于加工大模数m20 的齿轮和人字的齿轮和人字齿轮。齿轮。由由db=mzcos可知，渐开线可知，渐开线形状随齿数变化。要想获得形状随齿数变化。要想获得精确的齿廓，加工一种齿数精确的齿廓，加工一种齿数的齿轮，就需要一把刀具。的齿轮，就需要一把刀具。这在工程上是不现实的。这在工程上是不现实的。分度分度进给进给分度分度切削切削进给进给切削切削动画齿轮插刀加工齿轮插刀加工齿轮插刀加工齿轮插刀加工齿轮插刀加工齿轮插刀加工2齿轮加工实情录象齿轮加工实情录象i=0 0 /=z/z/=z/z0

9、0让刀运动让刀运动切切削削运运动动0 0范成运动范成运动0 0共轭齿廓互为包络线共轭齿廓互为包络线齿条插刀加工齿条插刀加工进给进给切削切削让刀让刀v范成范成Vrrmz/2mz/2滚刀滚刀滚齿加工滚齿加工实例实例实例实例2进给进给进给进给0 0v0 0范成运动范成运动Vrrmz/2mz/2滚刀倾斜滚刀倾斜tt滚刀轴剖面相当于齿条相当于齿轮齿条啮合传动0 0切削切削2.用标准齿条型刀具加工标准齿轮用标准齿条型刀具加工标准齿轮标准齿条型刀具比基准齿形高标准齿条型刀具比基准齿形高出出c*m一段切出齿根一段切出齿根过渡曲线过渡曲线。 非渐开线讨论切制原理时不考虑此部分。GB1356-88规定了标准齿条规

10、定了标准齿条型刀具的基准齿形。型刀具的基准齿形。2.1标准齿条型刀具标准齿条型刀具2.2用标准齿条型刀具加工标准齿轮用标准齿条型刀具加工标准齿轮h*amh*amc*mm/2m/2=20=20c*m分度线分度线分度圆分度圆hf=(h*a+ c*)mha=h*am加工标准齿轮：加工标准齿轮：刀具分度线刚好与轮坯刀具分度线刚好与轮坯的分度圆作纯滚动。的分度圆作纯滚动。加工结果：加工结果： s se em/2顶线顶线es sha=h*amhf=(h*a+ c*)m分度圆分度圆基圆基圆. 渐开线齿廓的根切现象、最少齿数和变位齿轮渐开线齿廓的根切现象、最少齿数和变位齿轮图示现象称为轮齿的根切。图示现象称为

11、轮齿的根切。齿轮根部的渐开线齿廓齿轮根部的渐开线齿廓被刀具切去一部分的现象被刀具切去一部分的现象根切的后果：根切的后果：削弱轮齿的抗弯强度；削弱轮齿的抗弯强度；.1）产生根切的原因）产生根切的原因使重合度使重合度下降。下降。用范成法加工齿轮，当用范成法加工齿轮，当刀具齿顶线与啮合线的交点刀具齿顶线与啮合线的交点B落在极限啮合点落在极限啮合点 N的右上方的右上方，必发生，必发生根切根切。OCNrbr根切条件为：根切条件为： CBCNB动画2）渐开线齿轮不发生根切的最少齿数）渐开线齿轮不发生根切的最少齿数在齿高相同的情况下，被加工齿轮的齿数越少，越容易发生根切当被加工齿轮的模数当被加工齿轮的模数m

12、确定之后，其刀具齿顶线与啮合线的交确定之后，其刀具齿顶线与啮合线的交点点B2就唯一确定，就唯一确定，这时极限啮合点这时极限啮合点N1的位置随基圆大小变动，的位置随基圆大小变动，当当N1 、B2两点重合时，正好不根切。两点重合时，正好不根切。不根切的条件：不根切的条件：在在PN1O1 中有：中有：在在PB2B 中有：中有：代入求得：代入求得： z2 h2 ha a* */ / sin2 2 取取=20=20, h, ha a* *=1=1，得得: : z zminmin=17=17Brb N1O1Prb1N1 rb3 N1B2rh*am即：即： zminmin2 h2 ha a* */ / si

13、n2 2 P N1P B2=mzsin/2 PN1=rsinPB2=h ha a* *m/m/sin不根切不根切刚好不根切刚好不根切根切根切rPrb1N13）避免根切的措施）避免根切的措施a)减小减小h ha a* * b)加大刀具角加大刀具角 c)变位修正，刀具远离轮坯中心。变位修正，刀具远离轮坯中心。2211B2rPrb1N1B2Ft =M/rFr2Fn221Fn1Fr1正压力正压力F Fn n增大压力角后有副作用功耗功耗，这两种方法都不现实 rb2N1B2所得齿轮为所得齿轮为变位齿轮。变位齿轮。连续性、平稳性连续性、平稳性，得用非标准刀具。得用非标准刀具。得用非标准刀具得用非标准刀具。r

14、Prb1N1B2B2 变位齿轮概述变位齿轮概述标准齿轮的优点：计算简单、互换性好。标准齿轮的优点：计算简单、互换性好。缺点：缺点：当当zz zminmin时，产生根切。但实际生产中经常要用到时，产生根切。但实际生产中经常要用到zz zminmin的齿轮。的齿轮。不适合不适合 aa的场合的场合。aa时，产生过时，产生过 大侧隙大侧隙， 且且小齿轮容易坏。原因：小齿轮容易坏。原因：小，滑动系数大，齿根小，滑动系数大，齿根 薄。薄。希望两者寿命接希望两者寿命接 近近。为改善上述不足，就必须对齿 轮进行变位修正。1 1）加工齿轮时刀具的变位）加工齿轮时刀具的变位 从避免根切引入为避免根切，可径向移动刀

15、具为避免根切，可径向移动刀具 xm h*amN1B2刀具刀具中线中线称称x为径向变位系数。为径向变位系数。 齿高有变化规定规定: :远离轮坯中心时，远离轮坯中心时，x00，称正变位齿轮。，称正变位齿轮。靠近轮坯中心时，靠近轮坯中心时，x00，称负变位齿轮。，称负变位齿轮。动画动画B2xmxm发生根切时，移动刀具可避免,问题是刀具要移动多大距离才能不根切？Q2 2）最小变位系数）最小变位系数xmin当当zzz0负变位齿轮负变位齿轮 x0c.c.齿厚与齿槽宽与标准齿轮不同齿厚与齿槽宽与标准齿轮不同齿厚：齿厚： s=m/2xmtgKJI正变位：齿厚变宽，齿槽宽减薄。正变位：齿厚变宽，齿槽宽减薄。xm

16、xm刀具分度线刀具分度线刀具节线刀具节线分度圆分度圆PN1基圆基圆O1rb变位后与轮坯分度圆相切的不是刀具的分度线，而是刀具节线，刀具节线上的齿厚减小、齿槽宽增大，则轮坯分度圆上的齿厚将增大。S=S=m/2s齿槽宽：齿槽宽： e=m/2+ 2xmtg 2xmtg负变位：负变位：正好相反。正好相反。采用变位修正法加工变采用变位修正法加工变位齿轮，不仅可以避免位齿轮，不仅可以避免根切根切，而且与标准齿轮而且与标准齿轮相比，齿厚等参数发生相比，齿厚等参数发生了变化，因而，可以用了变化，因而，可以用这种方法来改善齿轮的这种方法来改善齿轮的传动质量和满足其他要传动质量和满足其他要求。且加工所用刀具与求。

17、且加工所用刀具与标准齿轮的一样，所以标准齿轮的一样，所以 变位齿轮在各类机械中变位齿轮在各类机械中获得了广泛地应用获得了广泛地应用。B2100分钟优缺点：优缺点：可采用可采用z z1 1zzminmin的小齿轮，仍不根切的小齿轮，仍不根切, ,使结构更紧凑。使结构更紧凑。改善小齿轮的磨损情况。改善小齿轮的磨损情况。相对提高承载能力，因大小齿轮强度趋于接近。相对提高承载能力，因大小齿轮强度趋于接近。缺点是：缺点是： 没有互换性，必须成对使用，没有互换性，必须成对使用，略有减小。略有减小。齿轮传动齿轮传动作用：作用： 不仅用来传递运动、而且还要传递动力。不仅用来传递运动、而且还要传递动力。要求：要

18、求： 运转平稳、足够的承载能力。运转平稳、足够的承载能力。分类分类开式传动开式传动 闭式传动闭式传动 -润滑良好、适于重要应用。润滑良好、适于重要应用。-裸露、灰尘、易磨损，适于裸露、灰尘、易磨损，适于 低速传动。低速传动。6.8 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失效实物图片失效实物图片6.86.8 齿轮传动的失效形式齿轮传动的失效形式轮齿折断轮齿折断失效形式失效形式一般发生在齿根处，严重过载突然断裂、疲劳折断。6.86.8 齿轮传动的失效形式齿轮传动的失效形式轮齿折断轮齿折断失效形式失效形式齿面接触应力按脉动循环变化当超过疲劳极限时，表面产生微裂纹、高压油挤压使裂纹扩

19、展、微粒剥落。点蚀首先出现在节线处，齿面越硬，抗点蚀能力越强。软齿面闭式齿轮传动常因点蚀而失效。齿面点蚀齿面点蚀6.86.8 齿轮传动的失效形式齿轮传动的失效形式轮齿折断轮齿折断失效形式失效形式齿面点蚀齿面点蚀齿面胶合齿面胶合高速重载传动中，常因啮合区温度升高而引起润滑失效，致使齿面金属直接接触而相互粘连。当齿面向对滑动时，较软的齿面沿滑动方向被撕下而形成沟纹。措施：措施： 1.提高齿面硬度提高齿面硬度2.减小齿面粗糙度减小齿面粗糙度3.增加润滑油粘度增加润滑油粘度低速4.加抗胶合添加剂加抗胶合添加剂高速6.86.8 齿轮传动的失效形式齿轮传动的失效形式轮齿折断轮齿折断失效形式失效形式齿面点蚀

20、齿面点蚀齿面胶合齿面胶合齿面磨损齿面磨损措施：措施：1.减小齿面粗糙度减小齿面粗糙度2.改善润滑条件改善润滑条件磨粒磨损磨粒磨损跑合磨损跑合磨损跑合磨损、磨粒磨损。6.86.8 齿轮传动的失效形式齿轮传动的失效形式轮齿折断轮齿折断失效形式失效形式齿面点蚀齿面点蚀齿面胶合齿面胶合齿面磨损齿面磨损从动齿从动齿主动齿主动齿齿面塑性变形齿面塑性变形从动齿从动齿主动齿主动齿从动齿从动齿主动齿主动齿从动齿从动齿主动齿主动齿齿轮齿轮传动传动的的设计准则设计准则 保证足够的齿根弯曲疲劳强度，以免发生齿根折断。保证足够的齿根弯曲疲劳强度，以免发生齿根折断。保证足够的齿面接触疲劳强度，以免发生齿面点蚀。保证足够的齿面接触疲劳强度，以免发生齿面点蚀。由工程实践得知：由工程实践得知：闭式软齿面齿轮传动，按齿面接触疲劳强度计算闭式软齿面齿轮传动，按齿面接触疲劳强度计算,按按齿根弯曲疲劳强度校核齿根弯曲疲劳强度校核.对高速重载齿轮传动，除以上两设计准则外，还应对高速重载齿轮传动，除以上两设计准则外，还应 按