齿轮传动课件

齿轮传动课件第一页，共五十九页，2022年，8月28日概述齿轮传动是机械传动中最重要、应用最广泛的一种传动。主要优点是：传动效率高，工作可靠，寿命长，传动比准确，结构紧凑。主要缺点是：制造精度要求高，制造费用大，精度低时振动和噪声大，不宜用于轴间距离较大的传动。2023/4/22第二页，共五十九页，2022年，8月28日概述齿轮传动可做成开式和闭式齿轮传动。开式齿轮传动，齿轮完全外露，易落入灰砂和杂物，不能保证良好的润滑，轮齿易磨损，多用于低速、不重要的场合。闭式齿轮传动，其齿轮和轴承完全封闭在箱体内，能保证良好的润滑和较好的啮合精度，应用广泛。

2023/4/23第三页，共五十九页，2022年，8月28日概述机械系统对齿轮传动的功能要求主要有：(1)能传递两个平行轴或相交轴或交错轴间的回转运动和转矩；(2)保证传动比恒定不变；(3)能传递足够大的动力，工作可靠；(4)保证较高的运动精度；(5)能达到预定的工作寿命。2023/4/24第四页，共五十九页，2022年，8月28日齿轮传动失效形式轮齿折断齿面损伤齿面点蚀齿面磨损齿面胶合塑性变形2023/4/25第五页，共五十九页，2022年，8月28日失效形式：轮齿折断轮齿受力后，其根部受交变弯曲应力作用，在齿根过渡圆角处，应力最大且有应力集中，当此处的交变应力超过了材料的疲劳极限时，其拉伸侧将产生疲劳裂纹。裂纹不断扩展，最终造成轮齿的弯曲疲劳折断。2023/4/26第六页，共五十九页，2022年，8月28日失效形式：轮齿折断齿宽较小的直齿圆柱齿轮，裂纹往往沿全齿根扩展，导致全齿折断；齿宽较大的直齿圆柱齿轮(因制造误差使载荷集中在齿的一端)、斜齿圆柱齿轮和人字齿轮(接触线倾斜)，其齿根裂纹往往沿倾斜方向扩展，发生轮齿的局部折断。

2023/4/27第七页，共五十九页，2022年，8月28日失效形式：轮齿折断当齿轮受到短时过载或冲击载荷时，易引起轮齿过载折断。选用合适的材料和热处理方法，使齿根芯部有足够的韧性；采用正变位齿轮，增大齿根圆角半径，对齿根处进行喷丸、辊压等强化处理工艺，均可提高轮齿的抗折断能力。2023/4/28第八页，共五十九页，2022年，8月28日失效形式：齿面点蚀轮齿受力后，齿面接触处将产生循环变化的接触应力，轮齿在接触应力反复作用下，在轮齿表面或次表层出现不规则的细线状疲劳裂纹，疲劳裂纹扩展的结果，使齿面金属脱落而成形麻点状凹坑，称为齿面疲劳点蚀，简称为点蚀。2023/4/29第九页，共五十九页，2022年，8月28日失效形式：齿面点蚀齿轮在啮合过程中，因轮齿在节线处啮合时，同时啮合齿对数少，接触应力大，且在节点处齿廓相对滑动速度小，油膜不易形成，摩擦力大，故点蚀首先出现在节线附近的齿根表面上，然后再向其它部位扩展。

2023/4/210第十页，共五十九页，2022年，8月28日失效形式：齿面点蚀对于软齿面齿轮(硬度≤350HBS)，当载荷不大时，在工作初期，由于相啮合的齿面接触不良造成局部应力过高而出现麻点。齿面经一段时间跑合后，接触应力趋于均匀，麻点不再扩展，甚至消失，这种点蚀称为早期点蚀（收敛性点蚀）。2023/4/211第十一页，共五十九页，2022年，8月28日失效形式：齿面点蚀如果在足够大的载荷作用下，齿面点蚀面积不断扩展，麻点数量不断增多，点蚀坑大而深，就会发展成破坏性点蚀（扩展性点蚀）。这种点蚀出现的结果，往往产生强烈的振动和噪声。2023/4/212第十二页，共五十九页，2022年，8月28日失效形式：齿面点蚀硬齿面齿轮(硬度>350HBS)，其齿面接触疲劳强度高，一般不易出现点蚀，但由于齿面硬、脆，一旦出现点蚀，它会不断扩大，形成破坏性点蚀。开式齿轮传动，一般不会出现点蚀。这是因为开式齿轮磨损快，齿面一旦出现点蚀就被磨去。2023/4/213第十三页，共五十九页，2022年，8月28日失效形式：齿面点蚀提高齿面硬度和润滑油的粘度，采用正角度变位传动等，可减缓或防止点蚀产生。

2023/4/214第十四页，共五十九页，2022年，8月28日失效形式：齿面磨损在齿轮传动中，当齿面间落入砂粒、铁屑、非金属物等磨料性物质时，会引起齿面磨损，这种磨损称为磨料磨损。齿面磨损后，齿廓形状破坏，引起冲击、振动和噪声，且由于齿厚减薄而可能发生轮齿折断。磨料磨损是开式传动的主要失效形式。2023/4/215第十五页，共五十九页，2022年，8月28日失效形式：齿面磨损改善密封和润滑条件、在油中加入减摩添加剂、保持油的清洁、提高齿面硬度等，均能提高抗磨料磨损能力。

2023/4/216第十六页，共五十九页，2022年，8月28日失效形式：齿面胶合互相啮合的轮齿齿面，在一定的温度和(或)压力作用下，发生粘着，随着齿面的相对运动，使金属从齿面上撕落而引起严重的粘着磨损，这就是齿面胶合。在重载高速齿轮传动中，由于啮合处产生很大的摩擦热，导致局部温度过高，使齿面油膜破裂，产生两接触齿面金属融焊而粘着，这种胶合称为热胶合。2023/4/217第十七页，共五十九页，2022年，8月28日失效形式：齿面胶合在重载低速齿轮传动中，由于局部齿面啮合处压力很高，且速度低，不易形成油膜，使接触表面膜被刺破而粘着，这种胶合称为冷胶合。2023/4/218第十八页，共五十九页，2022年，8月28日失效形式：齿面胶合减小模数、降低齿高、采用角度变位齿轮以减小滑动系数，提高齿面硬度，采用抗胶合能力强的润滑油(极压油)等，均可减缓或防止齿面胶合。

2023/4/219第十九页，共五十九页，2022年，8月28日失效形式：塑性变形当轮齿材料较软，载荷及摩擦力又很大时，轮齿在啮合过程中，齿面表层的材料就会沿着摩擦力的方向产生塑性变形。由于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擦力方向则相反，塑性变形后，齿面沿节线处形成凸棱。2023/4/220第二十页，共五十九页，2022年，8月28日失效形式：塑性变形提高齿面硬度，采用粘度高的润滑油，可防止或减轻齿面产生塑性变形。 2023/4/221第二十一页，共五十九页，2022年，8月28日齿轮材料及热处理：锻钢制造齿轮的锻钢按热处理方式和齿面硬度不同分为两类：(1)正火或调质钢。这种齿轮用经正火或调质处理后的锻钢切齿而成，其齿面硬度不超过350HBS，这种齿轮称为软齿面齿轮。常用的材料为钢45、钢50等作正火处理或钢45、40Cr、35SiMn、38SiMnMo等作调质处理。2023/4/222第二十二页，共五十九页，2022年，8月28日齿轮材料及热处理：锻钢由于啮合过程中，小齿轮的啮合次数比大齿轮多，齿根应力较大齿轮大，为了使大、小齿轮的寿命接近相等，推荐小齿轮的齿面硬度比大齿轮高30～50HBS。软齿面齿轮常用于对齿轮尺寸和精度要求不高的传动中。2023/4/223第二十三页，共五十九页，2022年，8月28日齿轮材料及热处理：锻钢(2)表面硬化钢和氮化钢。齿轮一般为用锻钢切齿后经表面硬化处理(表面淬火、渗碳淬火、氮化等)，淬火后(特别是渗碳淬火)，因热处理变形大，一般都要经过磨齿等精加工，以保证齿轮所需的精度。氮化齿轮变形小，在精度低于7级时，一般不需磨齿。氮化齿轮，因硬化层深度很小(0.1～0.6mm)，不宜用于有冲击或有磨料磨损的场合。2023/4/224第二十四页，共五十九页，2022年，8月28日齿轮材料及热处理：锻钢硬齿面齿轮常用的材料为20Cr、20CrMnTi、40Cr、38CrMoA1A等。这类齿轮由于齿面硬度高，承载能力高于软齿面齿轮，常用于高速、重载、精密的传动中。随着硬齿面加工技术的进一步发展，对于一般精度的齿轮，软齿面齿轮将有可能被硬齿面齿轮所取代。

2023/4/225第二十五页，共五十九页，2022年，8月28日齿轮材料及热处理：铸钢铸钢的耐磨性及强度均较好，其承载能力稍低于锻钢，常用于尺寸较大(d>400~600mm)不宜锻造的场合。

2023/4/226第二十六页，共五十九页，2022年，8月28日齿轮材料及热处理：铸铁铸铁的抗弯及耐冲击性能较差，主要用于低速、工作平稳、传递功率不大和对尺寸与重量无严格要求的开式齿轮。常用的材料有灰铸铁HT300、HT350，球墨铸铁Q500－7等。

2023/4/227第二十七页，共五十九页，2022年，8月28日齿轮材料及热处理：非金属非金属材料(如夹布胶木、尼龙等)的弹性模量小，在承受同样的载荷作用下其接触应力小。但它的硬度、接触强度和抗弯曲强度低。因此，常用于高速、小功率、精度不高或要求噪声低的齿轮传动中。2023/4/228第二十八页，共五十九页，2022年，8月28日受力分析：直齿轮略去齿面间的摩擦力轮齿上的法向力可分解为两个互相垂直的分力：切于分度圆的圆周力沿半径方向的径向力。2023/4/229第二十九页，共五十九页，2022年，8月28日2023/4/230第三十页，共五十九页，2022年，8月28日受力分析：直齿轮各分力的方向：圆周力，在主动轮上是阻力，它与回转方向相反；在从动轮上是驱动力，它与回转方向相同。径向力，分别指向轮心(外啮合齿轮传动)。作用在主动轮和从动轮上的各对应力等值反向。2023/4/231第三十一页，共五十九页，2022年，8月28日受力分析：直齿轮Ft1Ft2Fr1Fr22023/4/232第三十二页，共五十九页，2022年，8月28日受力分析：斜齿轮略去齿面间的摩擦力作用于节点C的法向力Fn可分解为径向力Fr和分力F分力F又可分为圆周力Ft轴向力Fa2023/4/233第三十三页，共五十九页，2022年，8月28日2023/4/234第三十四页，共五十九页，2022年，8月28日受力分析：斜齿轮作用在主动轮和从动轮上的各力均对应等值反向，各分力的方向可用下面的方法判定：（1）圆周力Ft：在主动轮上与回转方向相反，在从动轮上与回转方向相同；（2）径向力Fr：分别各自指向轮心；2023/4/235第三十五页，共五十九页，2022年，8月28日受力分析：斜齿轮（3）轴向力Fa的方向取决于齿轮的回转方向和螺旋线方向，可以用“主动轮左、右手定则”来判断：主动轮为右旋时，以右手四指的弯曲方向表示主动轮的转向，母指指向即为它所受轴向力的方向；主动轮为左旋时，用左手，方法同上。上述“左右手定则”仅适用于主动轮。2023/4/236第三十六页，共五十九页，2022年，8月28日受力分析：斜齿轮Fa1Fa2Fr1Fr2Ft1Ft22023/4/237第三十七页，共五十九页，2022年，8月28日2023/4/238第三十八页，共五十九页，2022年，8月28日2023/4/239第三十九页，共五十九页，2022年，8月28日斜齿圆柱齿轮传动的强度计算斜齿圆柱齿轮传动，因其接触线倾斜，同时啮合的齿数多，重合度大，故传动平稳，噪声小，承载能力高，常在速度较高的传动系统中使用。

2023/4/240第四十页，共五十九页，2022年，8月28日直齿圆锥齿轮传动圆锥齿轮传动常用于传递两相交轴之间的运动和动力。根据轮齿方向和分度圆母线方向的相互关系，可分为直齿、斜齿和曲线齿圆锥齿轮传动。仅介绍常用的轴交角的直齿圆锥齿轮传动的强度条件。2023/4/241第四十一页，共五十九页，2022年，8月28日直齿圆锥齿轮传动圆锥齿轮理论齿廓为球面渐开线实际加工出的齿形与其有较大的误差，不易获得高的精度，在传动中产生较大的振动和噪声直齿圆锥齿轮传动仅适用于V≤5m/s的传动。2023/4/242第四十二页，共五十九页，2022年，8月28日直齿圆锥齿轮的标准模数为大端模数m，其几何尺寸按大端计算。背锥当量齿轮正确啮合条件直齿圆锥齿轮传动2023/4/243第四十三页，共五十九页，2022年，8月28日2023/4/244第四十四页，共五十九页，2022年，8月28日2023/4/245第四十五页，共五十九页，2022年，8月28日受力分析由于直齿圆锥齿轮的轮齿从大端到小端逐渐收缩，轮齿沿齿宽方向的截面大小不等，受力后不同截面的弹性变形各异，引起载荷分布不均，其受力和强度计算都相当复杂，一般以齿宽中点的当量直齿圆柱齿轮作为计算基础2023/4/246第四十六页，共五十九页，2022年，8月28日受力分析直齿圆锥齿轮传动，其载荷沿齿宽分布不均（大端处的单位载荷大），但分析作用力时，为简便起见，可近似假定载荷沿齿宽分布均匀，并集中作用于齿宽中点节线处的法向平面内。2023/4/247第四十七页，共五十九页，2022年，8月28日各分力的方向可作如下判定：

(1)圆周力，在主动轮上是阻力，与回转方向相反，在从