机械设计基础 课件 第10、11章 链传动、齿轮传动

第10章链传动机械设计基础01概述02滚子链和链轮目录CONTENTS03链传动的运动特性和主要参数04链传动的布置、张紧及润滑概述0110.1.1链传动的组成、特点和应用

链传动由主动链轮、从动轮和绕在链轮上的链条

及机架组链成，如图所示。工作时，通过链条与链轮轮齿的啮合来传递运动和动力。图所示为变速车上的链传动。10.1.1链传动的组成、特点和应用1）链传动是有中间挠性件的啮合传动，与带传动相比，无弹性伸长和打滑现象，故能保证准确的平均传动比，传动效率较高，结构紧凑，传递功率大，张紧力比带传动小。

一般链传动的应用范围为：传递功率P≤100kW,链速v≤15m/s，传动比i≤7，中心距a≤5～6m，效率η=0.92～0.97。

2）与齿轮传动相比，链传动结构简单，加工成本低，安装精度要求低，适用于较大中心距的传动，能在高温、多尘、油污等恶劣的环境中工作。

3）链传动的瞬时传动比不恒定，传动平稳性较差，有冲击和噪声。10.1.2链传动的类型按用途不同，链可分为：传动链、输送链和起重链。

输送链和起重链主要用在运输和起重机械中，一般机械传动中常用的是传动链。传动链分为：齿形链和和短节距精密滚子链（简称滚子链）。齿形链滚子链

滚子链特点：结构简单，成本较低，生产量大，从低速到较高速、从轻载到重载都适用，在传动链中占有主要地位。滚子链和链轮0210.2.1滚子链的结构

滚子链是由内链板、外链板、销轴、套筒及滚子五部分组成，如图所示。

滚子链的结构

链板制成“

8”字形，目的是使各截面强度接近相等，且能减轻重量及运动时的惯性。10.2.1滚子链的结构当传递较大的动力时，可采用双排链，如图所示，或多排链。多排链由几排普通单排链用销轴联成。10.2.1滚子链的结构链条上相邻两销轴中心的距离

p称为节距，它是链条的主要参数。链条长度常用节数表示，节数一般取为偶数。a）开口销b）弹簧卡c）过渡链节接头处可用开口销（图a）或弹簧卡（图b）锁紧。当链节为奇数时，需用过渡链节（图c）才能构成环状。滚子链连接形式10.2.2滚子链的标准

由于链节数常取偶数，为使链条与链轮的轮齿磨损均匀，链轮齿数一般应取与链节数互为质数的奇数。链传动的标注示例如下：10.2.3链轮1链轮的尺寸参数10.2.3链轮1链轮的尺寸参数10.2.3滚轮2链轮的齿形

（l）链轮的齿形

链轮的齿形应保证链轮与链条接触良好、受力均匀，链节能顺利地进入和退出与轮齿的啮合，GB/T1243-2006规定了链轮端面齿形。链轮的结构实心式孔板式组合式

（2）链轮的结构

链轮的结构见图，小直径链轮可制成实心式，中等直径可制成孔板式，直径较大时可用组合式结构。10.2.3滚轮3链轮的结构

大直径的链轮常制成组合式。小直径钢制链轮可制成整体式；中等直径铸造链轮可制成腹板式；整体式腹板式组合式

焊接一体式10.2.3滚轮4链轮的材料

链轮的材料

链轮材料应保证其有足够的强度和良好的耐腐蚀性，多用碳素结构钢或合金钢，可根据链速高低选择不同材料。

常用碳素钢、合金钢、灰铸铁等材料；小功率高速链轮也可用夹布胶木。齿面通常应热处理，使其达到一定硬度。由于小链轮啮合次数多，磨损和冲击也较严重，所用材料常优于大链轮。

链传动的运动特性和主要参数0310.3.1链传动的运动特性θ链条的平均线速度平均传动比为

d12ω1β分度圆瞬时线速度

链条的瞬时线速度沿AB方向，νAB180˚z1180˚z1β为相位角

链轮每转过一齿，链速时快时慢变化一次。由此可知，当链轮等速回转时，瞬时链速和顺时传动比都作周期性变化。链条进入链轮后形成折线，因此链传动相当于一对多边形轮之间的传动。d1其大小为ω1式中，n1n2位主从动链轮转速（r/min）；z1z2为主从动链轮齿数；p为节距。10.3.1链传动的运动特性

链传动运动不均匀性的特征，是由于绕在链轮上的链条形成了正多边形这一特点所造成，故称为链传动的多边形效应，这是链传动的固有特性。多边形效应给链传动带来的影响：①导致链条和从动链轮上产生动载荷；②在链条啮入链轮的瞬间，引起链节与链轮轮齿以一定的相对速度发生啮合碰撞，并产生附加动载荷；③链条周期性的横向运动导致链条产生颤动，这也是链传动产生动载荷的主要原因之一。10.3.1链传动主要参数的选择1滚子链的传动比及链轮齿数(1)滚子链的传动比通常小于6，推荐i=2～3.5。若传动比过大，则链条在小链轮上的包角过小，小链轮同时参与啮合的齿数就会过少，从而使链齿磨损加快;且传动比过大，还会使传动装置外形尺寸加大。(2）链轮齿数﹐为使链传动的运动平稳，小链轮齿数不宜过少，对于滚子链，可按链速选取小链轮齿数z1，然后按传动比确定大链轮齿数z2，z2=iz1，一般z2不宜大于120，过多易发生跳齿和脱链现象。一般链节数为偶数，而链轮齿数最好选取奇数，这样可使磨损轼均匀。10.3.1链传动主要参数的选择2中心距若链传动中心距过小，则小链轮上的包角也小，同时参与啮合的链轮齿数也少;若中心距过大，则易使链条抖动。一般可取中心距α=(30~50)p，最大取αmax=80p。10.3.1链传动主要参数的选择3链的节距链的节距是链传动中最重要的参数，链的节距越大，其承载能力越高，但传动的不均匀性、附加载荷和冲击也越大。因此，设计时应尽可能选用较小的节距，高速重载时可选用小节距多排链。链条长度用链节数表示，按带长的计算公式可导出式中，Lp为链节数;α为中心距;p为节距;z1、z2为主从动链轮齿数；由此算出的链的节数，须圆整为整数，最好取为偶数。链传动的布置、张紧及润滑0410.4.1链传动的布置

链传动的合理布置应从以下几方面考虑：

（1）当a=（30~50）p、i=2~3时，两轮中心连线最好成水平，或与水平面成＜60°的倾角。松边在上面或在下面均可，但在下面较好。10.4.1链传动的布置（2）当a＜30p、i＞2，且两轮轴线不在同一水平面时，松边应在下面，否则松边下垂量增大后，链条易与链轮卡死。

（3）当a＞60p、i＜1.5

，且两轮轴线在同一水平面上时，松边应在下面，否则松边下垂量增大后，链条松边会与紧边相碰。

10.4.1链传动的布置

（4）当a、i为任意值，且两轮中心连线成铅垂时，链的下垂量集中在下端，将减少下链轮的有效啮合齿数，降低承载能力。

应采用措施：①中心距可调；②设张紧装置；③上下轮左右错开。10.4.2链传动的张紧常用的张紧方法有：①调整中心距；②将链条拆掉1~2个链节以回复链条原有长度。

③中心距不可调时，可采用张紧装置。10.4.3链传动的润滑人工定期润滑滴油润滑油浴润滑链传动有良好的润滑时，可以减轻磨损，延长使用寿命。表9-10推荐了几种不同工作条件下的润滑方式，供设计时选用。推荐采用全损耗系统用油的牌号为：L—AN46、L—AN68、L—AN100。10.4.3链传动的润滑溅油润滑压力润滑第11章齿轮传动机械设计基础01齿轮传动的失效形式和设计准则02齿轮常用的材料及热处理目录CONTENTS03直齿圆柱齿轮传动的受力分析和计算载荷04直齿圆柱齿轮传动强度计算05直齿圆柱齿轮传动强度计算06平行轴斜齿圆柱齿轮传动的受力分析和强度计算07直齿锥齿轮传动的受力分析和强度计算齿轮传动的失效形式和设计准则0111.1.1齿轮传动的失效形式1轮齿折断齿根疲劳断裂齿轮轴轮齿折断齿轮工作时，轮齿根部将产生相当大的交变弯曲应力，在载荷多次作用下，当应力值超过弯曲疲劳极限时，将产生疲劳裂纹，如图所示。随着裂纹的不断扩展，最终将引起轮齿折断，这种折断称为弯曲疲劳折断。图为齿轮轴实物轮齿折断的失效情况。为提高齿轮抗折断的能力，可采用提高材料的疲劳强度和轮齿心部的韧性、加大齿根圆角半径、提高齿面制造精度、增大模数以加大齿根厚度、进行齿面喷丸处理等方法来实现。11.1.1齿轮传动的失效形式2齿面疲劳点蚀

斜齿轮的点蚀齿面在接触应力长时间地反复作用下，表层出现裂纹，裂纹的扩展，导致齿面金属以甲壳状的小微粒剥落，形成麻点，这种现象称为齿面点蚀。闭式齿轮传动的主要失效形式是齿面点蚀。为防止过早出现疲劳点蚀，可采用增大齿轮直径、提高齿面硬度、降低齿面的表面粗糙度值和增加润滑油的粘度等方法。11.1.1齿轮传动的失效形式3齿面黏着（胶合）齿轮的胶合由于齿面间压力很大，相对滑动时的摩擦使齿面工作区的局部瞬时温度很高，造成齿面金属直接接触并相互粘连。当两齿面相对滑动时，较软齿面的金属沿滑动方向被撕下而形成沟纹状，这种现象称为胶合。为防止胶合的产生，可采用良好的润滑方式、限制油温和采用抗胶合添加剂的合成润滑油等方法；也可采用不同材料制造配对齿轮，或一对齿轮采用同种材料不同硬度的方法。11.1.1齿轮传动的失效形式4齿面磨损轮齿磨损由于啮合齿面间的相对滑动，引起齿面的摩擦磨损。开式齿轮传动的主要失效形式是磨损，图示为轮齿磨损的实际失效情况为防止过快磨损，可采用保证工作环境清洁、定期更换润滑油、提高齿面硬度、加大模数以增大齿厚等方法。11.1.1齿轮传动的失效形式5齿面塑性变性

齿面塑性变形在过大的应力作用下，轮齿材料因屈服而产生塑性变形，致使啮合不平稳，因此噪声和振动增大，破坏了齿轮的正常啮合传动。这种失效常发生在有大的过载、频繁起动和齿面硬度较低的齿轮上。图为齿面塑性变形的机理，11.1.1齿轮传动的失效形式5齿面塑性变性图2齿面凸起塑性变形图1为主动轮齿面下凹的实际失效情况，图2为从动轮齿面凸起的实际失效情况。为防止齿面塑性变形，可通过提高齿面硬度或采用较高粘度的润滑油等方法来解决。图1齿面下凹塑性变形11.1.2齿轮传动的设计准则轮齿的失效形式很多，但对某些具体情况而言，它们并不可能同时发生，所以必须进行具体分析，针对其主要失效形式确立相应的设计准则。对于闭式齿轮传动：对软齿面（硬度小于350HBW）的齿轮，其主要失效形式是齿面点蚀，故通常按齿面接触疲劳强度进行设计，然后再按弯曲疲劳强度进行校核；

对硬齿面（硬度大于350HBW）的齿轮，其主要失效形式是轮齿折断，此时可按齿根弯曲疲劳强度进行设计，然后再按齿面接触疲劳强度进行校核。11.1.2齿轮传动的设计准则对于开式齿轮传动，其主要失效形式是齿面磨损。由于目前对齿面磨损尚无行之有效的计算方法和设计数据，故通常只按轮齿折断进行齿根弯曲疲劳强度设计，考虑磨损因素，适当增大模数10%～20%。齿轮常用的材料及热处理0211.2.1齿轮传动对材料的基本要求（1）齿面要有足够的强度和耐磨性。（2）齿心要有足够的强度和较好的韧性。（3）材料应具有良好的加工性能及热处理性能。11.2.2常用材料及热处理的选择1钢齿轮常用钢材为优质碳素结构钢、合金结构钢和铸钢，一般多用锻件或轧制钢材。较大直径（d>400mm）的齿轮不宜锻造，需采用铸钢，如ZG340-640等，因铸钢收缩率大、内应力大，故加工前应进行正火或回火处理。齿轮按照不同热处理方法所获得的齿面硬度的高低，分为软齿面齿轮和硬齿面齿轮两类。(1）软齿面齿轮―齿面硬度≤350HBW，热处理后切齿。常用材料为45钢、50钢等正火处理，或45钢、40Cr、35SiMn等做调质处理。为了使大、小齿轮的寿命相近，建议小齿轮的齿面硬度比大齿轮高30~50HBW。这类齿轮常用于对强度与精度要求不高的传动中。(2）硬齿面齿轮﹐齿面硬度>350HBW，一般用锻钢经正火或调质后切齿，再做表面硬化处理，最后进行磨齿等精加工。表面硬化的方法可采用表面淬火、渗碳淬火、渗氮等。硬齿面齿轮常用的材料为40Cr、20Cr、20CrMnTi、38CrMoAIA等。这类齿轮由于齿面硬度高，且承载能力高于软齿面齿轮，常用于高速、重载、精密的传动中。11.2.2常用材料及热处理的选择2铸铁铸铁的抗弯和耐冲击性能较差，但价格低廉、浇铸简单、加工方便。主要用于低速、工况平稳、传递功率不大和对尺寸、质量无严格要求的开式齿轮传动。常用材料有HT300、HT350、QT500-7等。11.2.2常用材料及热处理的选择3非金属材料对高速、小功率、精度不高及要求低噪声的齿轮传动，常采用非金属材料（如夹布胶木、尼龙等)做小齿轮，大齿轮仍用钢或铸铁制造。设计时应根据工作条件、尺寸大小、毛坯制造及热处理方法等因素综合考虑后选用。直齿圆柱齿轮传动的受力分析和计算载荷0311.3.1齿轮受力分析11.3.1齿轮受力分析式中T1——小齿轮上的转矩(N.mm)，T1=9.55×106；d1——小齿轮分度圆直径(mm)；α——压力角，

α=20°；P——传递的功率(kW)；n1——小齿轮的转速(r／min)。

如图6-26所示，圆周力的方向在主动轮上与啮合点运动方向相反，在从动轮上与啮合点运动方向相同。径向力的方向，分别由啮合点指向各自的轴心。11.3.2计算载荷名义载荷——齿轮受力分析中计算出的法向力Fn

。在齿轮工作能力计算时引入载荷系数K，用计算载荷Fnc代替名义载荷Fn，以考虑实际载荷的影响。计算载荷：载荷系数K的值，查表。注：1．直齿、圆周速度高、精度低、齿宽系数大、齿轮在两轴承间不对称布置，取大值。

2．斜齿、圆周速度低、精度高、齿宽系数小、齿轮在两轴承间对称布置，取小值。直齿圆柱齿轮传动强度计算0411.4.1齿面接触疲劳强度计算

b——轮齿宽度，mm；

u——齿数比，u=z2/z1(大轮与小轮齿数之比)；

d1——小齿轮分度圆直径，mm；根据弹性力学赫兹公式，可得齿面接触疲劳强度计算式，即：ψd——齿宽系数，ψd=b/d1；

ZE——材料的弹性系数；

[σH]——齿轮材料许用接触应力，MPa；“＋”、“－”——外、内啮合。11.4.1齿面接触疲劳强度计算根据弹性力学赫兹公式，可得齿面接触疲劳强度计算式，即：运用上述公式时，应注意以下几点：①σH1=σH2，[σH]1≠[σH]2，故将较小值代入公式进行计算。②当齿轮材料、传递转矩T1、齿宽b、齿数比u确定后，齿面接触疲劳强度取决于小齿轮分度圆直径d1。11.4.2齿根弯曲疲劳强度计算

目的：使齿根弯曲应力σF不超过许用值[σF]，以避免轮齿疲劳折断。11.4.2齿根弯曲疲劳强度计算

m——齿轮的模数，mm；

z1——小齿轮齿数；根据悬臂梁弯曲强度计算方法，可得齿根弯曲疲劳强度计算公式，即：[σF]——材料许用弯曲应力，MPa；

YFS——复合齿形系数（见表6-12）；反映轮齿形状和齿根处应力集中及压应力、切应力等的影响。对于标准齿轮，YFS仅取决于齿数。11.4.2齿根弯曲疲劳强度计算运用上述公式时，应注意以下几点：①两齿轮的齿根弯曲应力会因齿数不等而不同；两轮材料的许用弯曲应力一般也不同。应取YFS1/[σF]1和YFS2/[σF]2中的较大者代入公式计算。②当齿轮材料、传递转矩T1、齿宽b、齿数z1确定后，齿根弯曲疲劳强度取决于齿轮的模数m

。计算所得的模数m应取标准值。直齿圆柱齿轮传动强度计算0511.5直齿圆柱齿轮传动强度计算1直齿圆柱齿轮主要参数的确定(1)小齿轮齿数z1

对于软齿面闭式传动，在满足弯曲疲劳强度前提下，宜采用较多齿数，一般取z1≥20～40。对于硬齿面闭式传动及开式传动，为保证轮齿有足够的弯曲强度并使结构紧凑，宜适当减少齿数，以便增大模数。一般取z1=17～20，允许轮齿有少量根切或齿轮为手动时，z1可少至14。11.5直齿圆柱齿轮传动强度计算1直齿圆柱齿轮主要参数的确定模数m的最小允许值应根据抗弯曲疲劳强度确定。在此前提下，宜取较小模数。(2)模数m齿轮传动的模数一般可按经验公式m=（0.007~0.02）a（a为中心距，mm）估算。软齿面、载荷平稳时取小值；反之取大值。为防止轮齿因过载而折断，传递动力的齿轮应保证模数m≥2mm，特殊情况下允许m＝1.5mm。11.5直齿圆柱齿轮传动强度计算1直齿圆柱齿轮主要参数的确定(3)齿宽系数ψd

齿宽系数ψd越大，轮齿越宽，承载能力越强；

但轮齿过宽，会使载荷沿齿向分布严重不均。一般机械，ψd

由表取值。11.5.1直齿圆柱齿轮传动强度计算2直齿圆柱齿轮传动的设计步骤(1)闭式软齿面齿轮传动（硬度≤350HBW)1）选择齿轮材料、热处理方式、精度等级，计算许用应力。2)合理选择齿轮参数，按齿面接触疲劳强度设计公式算出小齿3)计算齿轮的主要尺寸。4)校核所设计的齿轮的齿根弯曲疲劳强度。5)确定齿轮传动的结构尺寸。6）绘制齿轮的零件图。11.5.1直齿圆柱齿轮传动强度计算2直齿圆柱齿轮传动的设计步骤(2)闭式硬齿面齿轮传动（硬度>350HBw)1)选择齿轮材料、热处理方式及精度等级。2)合理选择齿轮参数，按齿根弯曲疲劳强度设计公式求出模数m，并按标准对模数进卜圆整。3)计算齿轮的主要尺寸。4)校核所设计的齿轮的齿面接触疲劳强度。5)确定齿轮传动的结构尺寸。6）绘制齿轮的零件图。11.5.1直齿圆柱齿轮传动强度计算2直齿圆柱齿轮传动的设计步骤(3)开式齿轮传动1)选择齿轮材料、热处理方式及精度等级，常选钢与铸铁配对。2）合理选择齿轮参数，按齿根弯曲疲劳强度设计公式求出模数m，并加大10%~20%，复标准模数。3)计算齿轮的主要尺寸。4)确定齿轮传动的结构尺寸。5)绘制齿轮的零件图。平行轴斜齿圆柱齿轮传动的受力分析和强度计算0611.6.1斜齿圆柱齿轮的受力分析1作用力大小斜齿圆柱齿轮受力分析

图所示为斜齿圆柱齿轮传动的受力情况，若不计摩擦力，按分度圆上受力进行计算，以主动小齿轮为研究对象，作用于齿宽中点处的法向力垂直于齿面。为了便于分析计算，把分解为互相垂直的三个分力：圆周力径向力

轴向力11.6.1斜齿圆柱齿轮的受力分析1作用力大小式中

T1——主动轮所受的转矩（N•mm)；d1——主动轮分度圆直径(mm)；

αn——法向(面)压力角，αn=20°；

β——螺旋角。根据作用与反作用定律可知，两轮所受法向力及其分力圆周力、径向力、轴向力大小分别相等，方向分别相反。主动轮和从动轮所受的圆周力、径向力的方向，与直齿圆柱齿轮传动情况相同。其所受轴向力的方向决定于轮齿螺旋线方向和齿轮的转向，可用下面方法确定：11.6.1斜齿圆柱齿轮的受力分析2作用力方向根据主动轮轮齿螺旋线方向对应用左手或右手，主动轮的转向对应四指弯曲方向，则大拇指所指方向即为主动轮所受轴向力Fx1的方向，如图所示。从动轮所受轴向力方向由作用力与反作用力关系确定。斜齿圆柱齿轮传动主动轮轴向力方向判定11.6.1斜齿圆柱齿轮的受力分析2作用力方向轮齿受力分析（平面表示各力的方法）z2Ft2Ft1Fx1Fx2Fr2Fr1n1z1×．n2·表示力的方向穿出平面表示力的方向进入平面×11.6.2斜齿圆柱齿轮的强度计算1齿面接触疲劳强度计算

斜齿轮的齿面接触疲劳强度计算与直齿轮基本相似。对于一对钢制齿轮，其简化接触强度校核公式为简化接触强度设计公式则为式中，当配对齿轮材料不是钢对钢时，常数590可根据配对材料系数ZE修正为590ZE/189.8。

11.6.2斜齿圆柱齿轮的强度计算2齿根弯曲疲劳强度计算斜齿圆柱齿轮的齿根弯曲强度，按其法面上的当量直齿圆柱齿轮计算。对一对钢制的标准斜齿轮传动，其简化弯曲强度校核公式为

式中mn——为法向模数(mm)；

YFS——为符合齿形系数，应根据当量齿数（zv=z/cos3β）由图6-28查取；[σF]——为许用弯曲应力，与直齿圆柱齿轮传动的计算方法相同。

11.6.3斜齿圆柱齿轮主要参数的