常用机构设计与零部件课件 齿轮常见的失效形式与设计准则

JIgouSHEJI齿轮常见的常用机构设计与零部件选用失效形式与设计准则1.齿轮常见的失效形式齿轮传动是依靠轮齿的相互啮合来传递运动和动力的，由于轮齿的尺寸小，受载荷大，因此，轮齿是齿轮常见的主要失效部位。由于齿轮传动的形式、承受的载荷、齿面硬度及传动速度等情况的不同，轮齿的失效形式也是多种多样的，常见的失效形式主要有以下五种：轮齿折断齿面疲劳点蚀齿面磨损齿面胶合齿面塑性变形1.齿轮常见的失效形式（1）轮齿折断轮齿就好象一个悬臂梁，在受外载作用时，在轮齿根部产生的弯曲应力最大。在齿根部位过渡尺寸发生急剧变化。齿轮在加工时沿齿宽方向留下加工刀痕会产生应力集中。当轮齿重复受载，在脉动循环或对称循环应力作用下，在根部会造成疲劳断裂，如图所示。1.齿轮常见的失效形式（1）轮齿折断轮齿受到突然过载，齿根应力如果超过材料强度极限，也会发生脆断现象。若制造及安装不良或由于轴的刚度不足而产生过大的弯曲变形，也会出现轮齿局部过载，造成局部折断。轮根折断斜折断1.齿轮常见的失效形式（1）轮齿折断防止措施增大齿根过渡圆角半径、改善材料的力学性能、降低表面粗糙度来减小应力集中，以及对齿根处进行强化处理（如喷丸、滚挤压）等，均可提高轮齿的抗折断能力。1.齿轮常见的失效形式（2）齿面疲劳点蚀在润滑良好齿面硬度HBS≤350的闭式齿轮传动中，轮齿工作面某一固定点受到近似脉动的变应力作用，由于疲劳而产生的麻点状剥蚀损伤的现象，点蚀首先出现在节线附近。1.齿轮常见的失效形式（2）齿面疲劳点蚀防止措施限制齿面接触应力，采用提高齿面硬度、降低表面粗糙度、使用高黏度的润滑油润滑等措施。1.齿轮常见的失效形式（3）齿面磨损在开式传动中，灰尘、砂粒、金属微粒等落入轮齿间，会使齿面间产生摩擦磨损。严重时会因齿面减薄过多而折断。磨损是开式传动的主要失效形式。1.齿轮常见的失效形式（3）齿面磨损防止措施采用闭式传动、提高齿面硬度、降低齿面粗糙度和采用清洁的润滑油。1.齿轮常见的失效形式（4）齿面胶合对于某些高速重载的齿轮传动（如航空发动机的主传动齿轮），齿面间的压力大，瞬时温度高，油变稀而降低了润滑效果，导致摩擦增大，发热增多，将会使某些齿面上接触的点熔合焊在一起，在两齿面间相对滑动时，焊在一起的地方又被撕开。于是，在齿面上沿相对滑动的方向形成伤痕，这种现象称作胶合。1.齿轮常见的失效形式（4）齿面胶合防止措施提高齿面硬度和降低表面粗糙度，对于低速齿轮传动应采用粘度大的润滑油，高速传动应采用含抗胶合添加剂的润滑油。1.齿轮常见的失效形式（5）齿面塑性变形当齿面硬度较低，处于低速重载条件下，而且起动、过载频繁的传动，齿面表层材料沿摩擦力的方向发生塑性流动，产生局部塑性变形。1.齿轮常见的失效形式（5）齿面塑性变形防止措施提高齿面硬度、减小接触应力和改善润滑情况。2.齿轮的设计准则齿轮传动的设计准则是依其失效形式确定的。在工程实际中通常只进行齿根弯曲疲劳强度和齿面接触疲劳强度的设计计算。其设计准则如下：当轮齿表面硬度≤350HBS（HRC<38）时，称软齿面；当轮齿表面硬度>350HBS(HRC>38)时，称硬齿面。闭式软齿面齿轮传动：按齿面接触疲劳强度进行计算设计，而后再按齿根弯曲疲劳强度校核。闭式硬齿面齿轮传动：按齿根弯曲疲劳强度进行计算设计，而后再按齿面接触疲劳强度校核。开式传动：由于齿面磨损为其主要失效形式，故通常按齿根弯曲疲劳强度进行计算设计，无需校核接触强度。3.齿轮的常用材料根据轮齿失效形式的分析可以知道，对齿轮材料的基本要求为：齿面具有足够的硬度，以获得较高的抗点蚀、抗磨损、抗胶合的能力。齿芯部有足够的韧性，以获得较高的抗弯曲和抗冲击载荷的能力。具有良好的加工工艺性和热处理工艺性能,使之便于加工且提高其力学性能。经济性。3.齿轮的常用材料总的要求就是：

齿面硬度高、齿芯韧性要好。所以，主要用各种钢材，因为钢材经过适当的热处理就具有这种综合性能。在特殊场合也有使用其它材料的，如铸铁、工程塑料等。3.齿轮的常用材料钢：许多钢材经适当的热处理或表面处理，可以成为常用的齿轮材料；铸铁：常作为低速、轻载、不太重要场合的齿轮材料；非金属材料：适用于高速、轻载、且要求降低噪声的场合。齿轮材料选用的基本原则齿轮材料必须满足工作条件的要求，如强度、寿命、可靠性、经济性等；考虑齿轮尺寸大小，毛坯成型方法及热处理和制造工艺；钢制软齿面齿轮，其配对两轮齿面的硬度差应保持在30~50HBS或更多。3.齿轮的常用材料3.齿轮的常用材料选取齿轮材料及热处理方法时，要根据需要及可能而定。钢制齿轮总要进行适当的热处理以改善材料性能。调质、正火、表面淬火、渗碳淬火、表面氮化等。常用热处理方法有4.齿轮的许用应力齿轮的许用应力［σ］是以试验齿轮在特定条件下经疲劳试验测得的试验齿轮的疲劳极限应力，并对其进行修正得出的。修正时主要考虑应力循环次数的影响和可靠度。齿面接触疲劳许用应力为：齿根弯曲疲劳许用应力为：式中带下标的应力为试验齿轮在持久寿命期内失效概率为1％的疲劳极限应力。4.齿轮的许用应力接触疲劳极限试验齿轮的接触疲劳极限查表铸铁正火结构钢和铸钢调质钢和铸钢渗碳淬火及表面淬火钢4.齿轮的许用应力弯曲疲劳极限，其值已计入应力集中的影响。受对称循环弯曲应力的齿轮，应将图中的值乘以0.7。

试验齿轮的接触疲劳极限查表铸铁正火结构钢和铸钢调质钢和铸钢渗碳淬火及表面淬火钢4.齿轮的许用应力SH、SF分别为齿面接触疲劳强度安全系数和齿根弯曲疲劳强度安全系数，可最小安全系数SHmin及SFmin可靠程度SHminSFmin较高可靠性1.251.5一般可靠性1.01.04.齿轮的许用应力YN、ZN分别为弯曲疲劳寿命系数和接触疲劳寿命系数，弯曲疲劳寿命系数YN接触疲劳寿命系数ZN4.齿轮的许用应力N为应力循环次数其中n为齿轮转速，单位为r/min，j为齿轮转一转时同侧齿面的啮合次数，Lh为齿轮工作寿命，单位为h。1.齿轮常见的失效形式小结2.齿轮的设计准则3.齿轮的常用材料4.齿轮的许用应力（2）根据轮系运转分类2.齿轮系的分类③复