机械设计基础 课件 模块五项目五 齿轮传动的设计与维护

《机械设计与制作》

——模块五简单传动装置的设计与维护主讲教师：杨红任务一齿轮传动的设计准则、材料与热处理以及精度等级的选择项目五齿轮传动的设计与维护任务二齿轮传动的设计方法和步骤任务一齿轮传动的设计准则、材料与热处理以及精度等级的选择图6-1-1为带式输送机的运动简图。其中，一级圆柱齿轮减速器为闭式齿轮传动，已知传递功率P＝5.09kW，小齿轮转速为n１＝342.86r/min，传动比i=4.78，试确定其设计准则、材料与热处理以及精度等级。【任务描述】任务一齿轮传动的设计准则、材料与热处理以及精度等级的选择【知识导航】三、齿轮传动的材料与热处理方式选择四、齿轮传动的精度一、齿轮的失效形式二、齿轮传动的设计准则任务一齿轮传动的设计准则、材料与热处理以及精度等级的选择一、齿轮的失效形式齿轮的失效主要发生在轮齿部分。１、轮齿折断２、齿面点蚀３、齿面磨损４、齿面胶合５、塑性变形任务一齿轮传动的设计准则、材料与热处理以及精度等级的选择一、齿轮的失效形式齿轮的失效主要发生在轮齿部分。１、轮齿折断２、齿面点蚀３、齿面磨损４、齿面胶合５、塑性变形点击一下试试潘存云教授研制任务一齿轮传动的设计准则、材料与热处理以及精度等级的选择一、齿轮的失效形式齿轮的失效主要发生在轮齿部分。１、轮齿折断２、齿面点蚀３、齿面磨损４、齿面胶合５、塑性变形点击一下试试任务一齿轮传动的设计准则、材料与热处理以及精度等级的选择一、齿轮的失效形式齿轮的失效主要发生在轮齿部分。１、轮齿折断２、齿面点蚀３、齿面磨损４、齿面胶合５、塑性变形跑合磨损磨粒磨损任务一齿轮传动的设计准则、材料与热处理以及精度等级的选择一、齿轮的失效形式齿轮的失效主要发生在轮齿部分。１、轮齿折断２、齿面点蚀３、齿面磨损４、齿面胶合５、塑性变形任务一齿轮传动的设计准则、材料与热处理以及精度等级的选择一、齿轮的失效形式齿轮的失效主要发生在轮齿部分。１、轮齿折断２、齿面点蚀３、齿面磨损４、齿面胶合５、塑性变形任务一齿轮传动的设计准则、材料与热处理以及精度等级的选择一、齿轮的失效形式齿轮的失效主要发生在轮齿部分。１、轮齿折断２、齿面点蚀３、齿面磨损４、齿面胶合５、塑性变形针对上述各种失效形式，可以适当采取提高齿面硬度、降低齿面粗糙度、改善密封与润滑条件等措施来减少失效发生。任务一齿轮传动的设计准则、材料与热处理以及精度等级的选择二、齿轮传动的设计准则

1、闭式齿轮传动软齿面(硬度≤350HBS)，通常按齿面接触疲劳强度设计，再按齿根弯曲疲劳强度校核。

3、开式齿轮传动，通常只能按齿根弯曲疲劳强度设计，再考虑磨损，将所求得的模数增大10％～20％，而无需按齿面接触疲劳强度校核。2、闭式齿轮传动硬齿面(硬度＞350HBS)通常按齿根弯曲疲劳强度设计，再按齿面接触疲劳强度校核。任务一齿轮传动的设计准则、材料与热处理以及精度等级的选择三、齿轮传动的材料与热处理方式选择1、对齿轮材料的基本要求

(１)齿面应有足够的硬度,以抵抗齿面磨损、点蚀、胶合及塑性变形等；(２)齿芯应有足够的强度和较好的韧性,以抵抗齿根折断和冲击载荷；(３)齿轮材料应有良好的加工工艺性能及热处理性能,使之便于加工且便于提高其力学性能。任务一齿轮传动的设计准则、材料与热处理以及精度等级的选择三、齿轮传动的材料与热处理方式选择

2、齿轮的常用材料及热处理齿轮常用的材料主要是钢,其次是铸铁,有些场合也可以采用非金属材料.(１)锻钢

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,重要齿轮都采用锻钢.

(２)铸钢

当齿轮的尺寸较大(直径大于400~600mm),结构复杂而不便于锻造时,可采用铸造方法制成铸钢齿坯.铸钢的强度和耐磨性较好,但应经退火或正火处理以细化晶粒.任务一齿轮传动的设计准则、材料与热处理以及精度等级的选择三、齿轮传动的材料与热处理方式选择

2、齿轮的常用材料及热处理

(３)铸铁

对于速度低、直径大的开式传动齿轮,可以采用铸铁。铸铁的耐磨性好、价格低,但抗弯强度和抗冲击强度都较低。

(４)非金属材料

对高速、小功率、精度不高以及噪声要求低的场合的传动齿轮,可以采用非金属材料,如尼龙、夹布胶木等。任务一齿轮传动的设计准则、材料与热处理以及精度等级的选择热处理方法表面淬火渗碳淬火调质正火渗氮一般用于中碳钢和中碳合金钢，如45、40Cr等。表面淬火后轮齿变形小，可不磨齿，硬度可达52~56HRC，面硬芯软，能承受一定冲击载荷。1.表面淬火----高频淬火、火焰淬火任务一齿轮传动的设计准则、材料与热处理以及精度等级的选择2.渗碳淬火渗碳钢为含碳量0.15~0.25%的低碳钢和低碳合金钢，如20、20Cr等。齿面硬度达56~62HRC，齿面接触强度高，耐磨性好，齿芯韧性高。常用于受冲击载荷的重要传动。通常渗碳淬火后要磨齿。调质一般用于中碳钢和中碳合金钢，如45、40Cr、35SiMn等。调质处理后齿面硬度为：220~260HBS。因为硬度不高，故可在热处理后精切齿形，且在使用中易于跑合。3.调质任务一齿轮传动的设计准则、材料与热处理以及精度等级的选择4.正火正火能消除内应力、细化晶粒、改善力学性能和切削性能。机械强度要求不高的齿轮可用中碳钢正火处理。大直径的齿轮可用铸钢正火处理。渗氮是一种化学处理。渗氮后齿面硬度可达60~62HRC。氮化处理温度低，轮齿变形小，适用于难以磨齿的场合，如内齿轮。材料为：38CrMoAlA.5.渗氮任务一齿轮传动的设计准则、材料与热处理以及精度等级的选择特点及应用：调质、正火处理后的硬度低，HBS≤350，属软齿面，工艺简单、用于一般传动。当大小齿轮都是软齿面时，因小轮齿根薄，弯曲强度低，故在选材和热处理时，小轮比大轮硬度高:20~50HBS表面淬火、渗碳淬火、渗氮处理后齿面硬度高，属硬齿面。其承载能力高，但一般需要磨齿。常用于结构紧凑的场合。7/13/2025任务一齿轮传动的设计准则、材料与热处理以及精度等级的选择四、齿轮传动的精度

１、影响运动的准确性

制造和安装齿轮传动装置时,不可避免地会产生误差.这些误差对齿轮传动带来以下三方面的影响。２、影响传动的平稳性３、影响载荷分布的均匀性（转角与理论不一致，影响运动的不准确性）（瞬时传动比不恒定，出现速度波动，引起震

动、冲击和噪音影响运动平稳性）（齿向误差导致轮齿上的载荷分布不均匀，使轮齿提前损坏，影响载荷分布的不均匀性）任务一齿轮传动的设计准则、材料与热处理以及精度等级的选择四、齿轮传动的精度国标GB/T10095.1-2008给齿轮副规定了13个精度等级。其中0级最高，12级最低，常用的为6~9级精度。7/13/2025任务一齿轮传动的设计准则、材料与热处理以及精度等级的选择【任务实施】

根据任务描述,一级圆柱齿轮减速器为闭式齿轮传动,已知传递功率P＝5.09kW，小齿轮转速为n１＝342.86r/min,因传递的功率较小,速度不高，一般选用软齿面齿轮组合.对于闭式软齿面齿轮传动,设计准则是先按齿面接触疲劳强度进行设计，然后按齿根弯曲疲劳强度校核。根据任务描述,该减速器为一般齿轮传动,根据表6-5-1,选取小齿轮的材料为45号钢,调质处理,齿面硬度为HBS229~286；大齿轮的材料为45号钢,正火处理,齿面硬度为HBS169~217。根据表6-5-2,选择齿轮精度等级为８级。任务二齿轮传动的设计方法和步骤

设计一级圆柱齿轮减速器中的直齿圆柱齿轮传动,已知传递功率P＝5.09kW,小齿轮转速为n１＝342.86r/min,传动比i＝4.78,载荷平稳,单向运转。【任务描述】任务二齿轮传动的设计方法和步骤【知识导航】三、标准直齿圆锥齿轮传动的强度设计四、齿轮的结构设计一、直齿圆柱齿轮传动的强度设计二、斜齿圆柱齿轮传动的强度设计五、齿轮传动的润滑和维护任务二齿轮传动的设计方法和步骤主动轮上，圆周力Ft是阻力，与主动轮回转方向相反；在从动轮上，Ft是驱动力，与从动轮回转方向相同；两轮齿所受径向力Fr分别指向各自轮心(外啮合齿轮传动)。一、直齿圆柱齿轮传动的强度设计１、轮齿的受力分析和计算载荷任务二齿轮传动的设计方法和步骤一、直齿圆柱齿轮传动的强度设计１、轮齿的受力分析和计算载荷前面分析中的Fn、Ft和Fr均是作用在轮齿上的名义载荷。考虑各种实际情况，通常用计算载荷KFn取代名义载荷Fn,K为载荷系数，由表6-5-3查取。

计算载荷用符号Fnc表示,即:Fnc＝KFn任务二齿轮传动的设计方法和步骤一、直齿圆柱齿轮传动的强度设计2、齿面接触疲劳强度计算

齿面点蚀是因为接触应力过大而引起的。如图６-5-7所示，齿轮啮合可以看作分别以接触处的曲率半径ρ１、ρ２为半径的两个圆柱体的接触。任务二齿轮传动的设计方法和步骤一、直齿圆柱齿轮传动的强度设计2、齿面接触疲劳强度计算

根据弹性力学的相关公式,推导出标准直齿圆柱齿轮齿面接触疲劳强度的设计公式为

校核公式为任务二齿轮传动的设计方法和步骤设计公式为

校核公式为任务二齿轮传动的设计方法和步骤一、直齿圆柱齿轮传动的强度设计2、齿面接触疲劳强度计算设计公式为校核公式为

注意：一对齿轮啮合时，根据作用力与反作用力原理，两齿面的接触应力是相等的，即：；而两轮的材料或热处理不同，故其许用接触应力不相等，在强度计算时应将、中的较小值代入公式计算。任务二齿轮传动的设计方法和步骤一、直齿圆柱齿轮传动的强度设计3、齿根弯曲疲劳强度计算

为了防止轮齿根部的疲劳折断，在进行齿轮设计时要计算齿根弯曲疲劳强度。为简化计算，将轮齿看作一悬臂梁，全部载荷由一对齿承担，且载荷作用于齿顶。如图6-5-8所示。任务二齿轮传动的设计方法和步骤一、直齿圆柱齿轮传动的强度设计3、齿根弯曲疲劳强度计算由弯曲正应力公式可推导出齿根弯曲疲劳强度的设计公式为校核公式为任务二齿轮传动的设计方法和步骤设计公式为校核公式为任务二齿轮传动的设计方法和步骤设计公式为校核公式为

注意：大、小齿轮的齿根弯曲应力应分别计算，并分别与各自的许用弯曲应力进行比较。用设计公式进行设计计算时，应将和中的较大值代入。任务二齿轮传动的设计方法和步骤一、直齿圆柱齿轮传动的强度设计4、齿轮传动参数的选择

（1）齿数z通常对软齿面的闭式齿轮传动，可取z1=20~40；对硬齿面的闭式或开式齿轮传动，一般取z1=17~20。

（2）模数m在满足轮齿弯曲疲劳强度的条件下，宜取小模数。但对传递动力的齿轮，为防止意外断齿，应保证模数大于2mm。

（3）齿宽系数

对于一般机械，齿宽系数可按表6-5-4选取。任务二齿轮传动的设计方法和步骤任务二齿轮传动的设计方法和步骤一、直齿圆柱齿轮传动的强度设计5、齿轮传动的设计步骤（1）选择齿轮材料、热处理方法及精度等级；（2）设计计算；

（3）计算齿轮的几何尺寸；（4）验算齿轮的圆周速度；（5）确定齿轮的结构形式和结构尺寸（5）绘制齿轮工作图任务二齿轮传动的设计方法和步骤二、斜齿圆柱齿轮传动的强度设计1、受力分析任务二齿轮传动的设计方法和步骤二、斜齿圆柱齿轮传动的强度设计2、齿面接触疲劳强度计算

斜齿圆柱齿轮所受载荷作用在轮齿的法面上,其法面齿形和齿厚反映其强度,所以斜齿圆柱齿轮的强度是按轮齿的法面进行分析的,其基本原理与直齿轮相似。设计公式为

校核公式为任务二齿轮传动的设计方法和步骤二、斜齿圆柱齿轮传动的强度设计3、齿根弯曲疲劳强度计算设计公式为

校核公式为在法面内,参照直齿轮弯曲强度公式推导过程和处理方法，可得任务二齿轮传动的设计方法和步骤三、标准直齿圆锥齿轮传动的强度设计1、轮齿的受力分析任务二齿轮传动的设计方法和步骤2、齿面接触疲劳强度计算设计公式为

校核公式为三、标准直齿圆锥齿轮传动的强度设计

可以近似认为,一对直齿圆锥齿轮传动强度与其齿宽中点处的一对当量直齿圆柱齿轮相等。任务二齿轮传动的设计方法和步骤3、齿根弯曲疲劳强度计算设计公式为

校核公式为

直齿锥齿轮齿根弯曲疲劳强度按齿宽中点处当量直齿圆柱齿轮计算。三、标准直齿圆锥齿轮传动的强度设计任务二齿轮传动的设计方法和步骤1、锻造齿轮按齿轮毛坯制造方法的不同,齿轮的结构形式可分为锻造齿轮、铸造齿轮、焊接齿轮等类型。四、齿轮的结构设计

对于齿顶圆直径小于500mm的重要齿轮,通常采用锻造齿轮.根据齿轮尺寸大小的不同,可有以下几种结构形式。(１)齿轮轴(２)实心式齿轮(３)腹板式齿轮任务二齿轮传动的设计方法和步骤1、锻造齿轮四、齿轮的结构设计(