《机器》-第六章教学材料

第六章齿轮传动第七节轮齿的失效形式与材料选择第八节齿轮的结构与精度第九节渐开线直齿圆柱齿轮的传动设计第十节斜齿轮传动的参数及受力分析第十一节直齿圆锥齿轮传动和蜗杆传动的受力分析本章小结上一页第一节齿轮传动的特点和分类一、齿轮传动的特点齿轮传动是机械传动中最重要的、也是应用最为广泛的一种传动形式。齿轮传动的主要优点是：(1)工作可靠、寿命较长；(2)瞬时传动比恒定、传动效率高；(3)可实现平行轴、相交轴、交错轴之间的传动；(4)适用的功率和速度范围广。缺点是：(1)加工和安装精度要求较高，制造成本也较高；(2)不适宜于远距离两轴之间的传动。下一页返回第一节齿轮传动的特点和分类二、齿轮传动的基本类型齿轮传动的类型很多，按照一对齿轮轴线的相互位置、轮齿沿轴向的形状及啮合情况进行分类，分类情况如图6-1所示。上一页返回第二节渐开线齿轮的齿廓与啮合特性一、齿廓啮合基本定律图6-2表示两相互啮合的齿廓E1和E2在K点接触，两轮的角速度分别为

ω1和ω2。过K点作两齿廓的公法线nn，与连心线O1O2交于c点。现因两轮轴心连线O1O2为定长，故欲满足上述要求，c点应为连心线上的定点。因此，为使齿轮保持恒定的传动比，必须使c点为连心线上的固定点。或者说，欲使齿轮保持定传动比，不论齿廓在任何位置接触，过接触点所作的齿廓公法线都必须与两轮的连心线交于一定点，这就是齿廓啮合的基本定律。下一页返回第二节渐开线齿轮的齿廓与啮合特性凡满足齿廓啮合基本定律而互相啮合的一对齿廓，称为共轭齿廓。符合齿廓啮合基本定律的齿廓曲线有无穷多，传动齿轮的齿廓曲线除要求满足定传动比外，还必须考虑制造、安装和强度等要求。在机械中，常用的齿廓有渐开线齿廓、摆线齿廓和圆弧齿廓，其中以渐开线齿廓应用最广。上一页下一页返回第二节渐开线齿轮的齿廓与啮合特性二、渐开线的形成及其特性如图6-3所示，一直线L与半径为rb的圆相切，当直线沿该圆作纯滚动时，直线上任一点K的轨迹即为该圆的渐开线。这个圆称为渐开线的基圆，而作纯滚动的直线L称为渐开线的发生线。渐开线所对应的圆心角θK称为渐开线ＡK的展角。根据渐开线的形成过程，它有以下性质：(1)发生线在基圆上滚过的一段长度等于基圆上相应被滚过的一段弧长，即上一页下一页返回第二节渐开线齿轮的齿廓与啮合特性(2)因N点是发生线沿基圆滚动时的速度瞬心，故发生线

是渐开线K点的法线。又因发生线始终与基圆相切，所以渐开线上任一点的法线必与基圆相切。发生线与基圆的切点N即为渐开线上K点的曲率中心，线段KN为K点的曲率半径。随着K点离基圆愈远，相应的曲率半径愈大；而K点离基圆愈近，相应的曲率半径愈小。(3)渐开线的形状取决于基圆的大小。如图6-4所示，基圆半径愈小，渐开线愈弯曲；基圆半径愈大，渐开线愈趋平直。当基圆半径趋于无穷大时，渐开线便成为直线。所以渐开线齿条(直径为无穷大的齿轮)具有直线齿廓。上一页下一页返回第二节渐开线齿轮的齿廓与啮合特性(4)渐开线上各点的压力角不等。在一对齿廓的啮合过程中，齿廓接触点的法向压力和齿廓上该点的速度方向的夹角，称为齿廓在这一点的压力角。如图6-5所示，齿廓上K点的法向压力Ｆn与该点的速度ｖK之间的夹角θK称为齿廓上K点的压力角。由图可知(6-1)上式说明渐开线齿廓上各点压力角不等，向径rK越大，其压力角越大，在基圆上压力角等于零。(5)渐开线是从基圆开始向外逐渐展开的，故基圆以内无渐开线。上一页下一页返回第二节渐开线齿轮的齿廓与啮合特性三、渐开线齿廓的啮合特性(1)渐开线齿廓满足定传动比条件：以渐开线为齿廓曲线的齿轮称为渐开线齿轮。如图6-6所示，两渐开线齿轮的基圆半径分别为rb1、rb2，过两轮齿廓啮合点K作两齿廓的公法线N1N2，根据渐开线的性质，该公法线必与两基圆相切，即为两基圆的内公切线。又因两轮的基圆为定圆，在其同一方向的内公切线只有一条。所以无论两齿廓在任何位置接触(如图中虚线位置接触)，过接触点所作两齿廓的公法线(即两基圆的内公切线)为一固定直线，它与连心线O1O2的交点c必是一定点。因此渐开线齿廓满足定传动比要求。上一页下一页返回第二节渐开线齿轮的齿廓与啮合特性由图6-6知，两轮的传动比为上式表明两轮的传动比为一定值，并与两轮的基圆半径成反比。公法线与连心线O1O2的交点c称为节点，以O1、O2为圆心，O

1c、O2

c为半径作圆，这对圆称为齿轮的节圆，其半径分别以r′1和r′2表示。从图中可知，一对齿轮传动相当于一对节圆的纯滚动，而且两齿轮的传动比也等于其节圆半径的反比。故一对齿轮的传动比为上一页下一页返回第二节渐开线齿轮的齿廓与啮合特性(6-3)(2)啮合线、啮合角、齿廓间的压力作用线：一对齿轮啮合传动时，齿廓啮合点(接触点)的轨迹称为啮合线。对于渐开线齿轮，无论在哪一点接触，接触齿廓的公法线总是两基圆的内公切线N1N2(图6-6)。齿轮啮合时，齿廓接触点又都在公法线上，因此，内公切线N1N2即为渐开线齿廓的啮合线。过节点c作两节圆的公切线tt，它与啮合线N1N2间的夹角称为啮合角。啮合角等于齿廓在节圆上的压力角α′，由于渐开线齿廓的啮合线是一条定直线N1N2，故啮合角的大小始终保持不变。啮合角不变表示齿廓间压力方向不变；若齿轮传递的力矩恒定，则轮齿之间、轴与轴承之间压力的大小和方向均不变，这也是渐开线齿轮传动的一大优点。上一页下一页返回第二节渐开线齿轮的齿廓与啮合特性(3)中心距的可分性：当一对渐开线齿轮制成之后，其基圆半径是不能改变的，因此从式(6-3)可知，即使两轮的中心距稍有改变，其传动比仍保持原值不变，这种性质称为渐开线齿轮传动的中心距可分性。这是渐开线齿轮传动的另一重要优点，这一优点给齿轮的制造、安装带来了很大方便，且应用广泛。(4)四线合一：由渐开线的性质和上述分析可知，渐开线齿廓的公法线既是形成渐开线的基圆的公切线，也是渐开线的发生线，同时由于过任意接触点所作公法线都是两基圆的公切线，所以啮合点的轨迹也是这条直线。渐开线齿廓的这一特性称为“四线合一”。上一页返回第三节渐开线齿轮的主要参数与几何尺寸一、渐开线齿轮的主要参数图6-7所示为直齿圆柱齿轮的一部分。为了使齿轮在两个方向都能传动，轮齿两侧齿廓由形状相同、方向相反的渐开线曲面组成。齿轮各参数名称如下：(1)齿顶圆、齿根圆。齿顶端所确定的圆称为齿顶圆，其直径用da表示；齿槽底部所确定的圆称为齿根圆，其直径用df表示。(2)齿槽、齿厚和齿距。相邻两齿之间的空间称为齿槽。在任意直径dk的圆周上，齿槽两侧齿廓之间的弧长称为该圆上的齿槽宽，用ek表示；轮齿两侧齿廓之间的弧长称为该圆上的齿厚，用sk表示。相邻两齿同侧齿廓之间的弧长称为该圆上的齿距，用pk表示。显然下一页返回第三节渐开线齿轮的主要参数与几何尺寸pk=sk+ek(6-4)pk=πdk/z

(6-5)式中，z-齿轮的齿数；

dk-任意圆的直径。(3)模数。在式(6-5)中含有无理数“π”，这对齿轮的计算和测量都不方便。因此，规定比值p/π等于整数或简单的有理数，并作为计算齿轮几何尺寸的一个基本参数。这个比值称为模数，以m表示，单位为mm，即m=p/π，齿轮的主要几何尺寸都与m成正比。为了便于齿轮的互换使用和简化刀具，齿轮的模数已经标准化。我国规定的模数系列见表6-1。上一页下一页返回第三节渐开线齿轮的主要参数与几何尺寸分度圆上的齿厚以s表示；齿槽宽用e表示；齿距用p表示。分度圆压力角通常称为齿轮的压力角，用α表示。分度圆压力角已经标准化，常用的为20°、15°等，我国规定标准齿轮α=20°。由于齿轮分度圆上的模数和压力角均规定为标准值，因此，齿轮的分度圆可定义为：齿轮上具有标准模数和标准压力角的圆。齿轮分度圆直径d则可表示为：

d=pz/π=mz(6-6)上一页下一页返回第三节渐开线齿轮的主要参数与几何尺寸(5)顶隙。顶隙是指一对齿轮啮合时，一个齿轮的齿顶圆到另一个齿轮的齿根圆的径向距离。其作用是为保证两啮合齿轮传动时不至于卡死，并贮存润滑油。顶隙按下式计算：c=c*m(6-7)6)齿顶高、齿根高和全齿高。在轮齿上介于齿顶圆和分度圆之间的部分称为齿顶，其径向高度称为齿顶高，用ha表示。介于齿根圆和分度圆之间的部分称为齿根，其径向高度称为齿根高，用hf表示。齿轮的齿顶高和齿根高可用模数表示为ha=h*am(6-8)hf=

(ha*+c*)m(6-9)上一页下一页返回第三节渐开线齿轮的主要参数与几何尺寸式中，ha*和c*分别称为齿顶高系数和顶隙系数，对于圆柱齿轮，其标准值按正常齿制和短齿制规定为：

正常齿：ha*=1，c*=0.25

短齿：ha*=0.8，c*=0.3齿顶圆与齿根圆之间轮齿的径向高度称为全齿高，用h表示，故h=ha+hf=(2ha*+c*)m(6-10)上一页下一页返回第三节渐开线齿轮的主要参数与几何尺寸二、标准直齿圆柱齿轮几何尺寸若一齿轮的模数、分度圆压力角、齿顶高系数、顶隙系数均为标准值，且其分度圆上齿厚与齿槽宽相等，则称为标准齿轮。因此，对于标准齿轮s=e=πm/2(6-11)标准直齿圆柱齿轮传动的参数和几何尺寸计算公式列于表6-2。上一页下一页返回第三节渐开线齿轮的主要参数与几何尺寸三、齿条齿条相当于直径无穷大的齿轮，因此各圆变为相互平行的直线。与齿轮相比，齿条有以下两个重要特点：(1)在任一平行线上的齿距(p=πm)

均相等；(2)各平行线上的压力角均相等(

α=20°)，且与齿条的齿形角相等。上一页下一页返回第三节渐开线齿轮的主要参数与几何尺寸【例6-1】已知一对外啮合标准直齿圆柱齿轮传动的参数为：z1=24、z2

=120、m

=5mm，试求两齿轮的分度圆直径d1和d2、齿顶圆直径da1和da2、全齿高h、标准中心距a及分度圆上的齿厚s和齿槽宽e。解：d1=mz1=5×24=120(mm)d2=mz2=5×20=600(mm)da1=m(z1+2ha*)=5×(24+2×1)=130(mm)da2=m(z2+2ha*)=5×(120+2×1)=610(mm)h=m(2ha*+c*)=5×(2+0.25)=11.25(mm)a=m(z1+z2)/2=5(24+120)/2=360(mm)s=e=p/2=π×5/2=

7.85(mm)上一页返回第四节渐开线齿轮的啮合传动一、正确啮合条件一对渐开线齿轮不仅要保证定传动比传动，还应使两个齿轮正确啮合。齿轮啮合过程中，每对齿啮合一段时间便分离，但在某段时间内，至少同时有两对齿分别在K，K′点接触，并且前后相邻的两对齿廓间既不发生分离，也不互相嵌入，才能保证正确啮合。由第二节可知，一对渐开线齿轮传动时，其齿廓啮合点都应在啮合线N1N2上，如图6-8所示，当前一对齿在啮合线上的K点接触时，其后一对齿应在啮合线上另一点K′接触。令K1和K1′表示轮1齿廓上的啮合点，K2和K2′表示轮2齿廓上的啮合点。为了保证前后两对齿有可能同时在啮合线上接触，轮1相邻两齿同侧齿廓沿法线的距离K1K1′应与轮2相邻两齿同侧齿廓沿法线的距离K2K2′相等(沿法线方向的齿距称为法线齿距)。即下一页返回第四节渐开线齿轮的啮合传动K1K′1=

K2K2′根据渐开线的性质，对轮2有同理，对轮1可得K1K′1=P1cosα1=πm1cosα1由此可得m1cosα1=m2cosα2由于模数和压力角已经标准化，为满足上式，应使

(6-12)m1=m2=mα1=α2=α上一页下一页返回第四节渐开线齿轮的啮合传动上式表明，渐开线齿轮的正确啮合条件是两轮的模数和压力角必须分别相等。所以齿轮的传动比可写成(6-13)二、连续传动条件及重合度如前所述，齿轮机构的传动是由两轮轮齿依次啮合来实现的。显然，要使齿轮能连续传动，就必须要求在前一对轮齿尚未脱离啮合时，后一对轮齿已进入啮合。图6-9所示为一对相互啮合的齿轮，设轮1为主动轮，轮2为从动轮。实际的啮合过程是由主动轮1的齿根推动从动轮2的齿顶开始，因此，从动轮齿顶圆与啮合线的交点B2即为一对齿廓进入啮合的开始。随着轮1推动轮2转动，两齿廓的啮合点上一页下一页返回第四节渐开线齿轮的啮合传动沿着啮合线移动，当啮合点移动到齿轮1的齿顶圆与啮合线的交点B1时(图中虚线位置)，这对齿廓终止啮合，两齿廓即将分离。故啮合线N1N2上的线段B1B2为齿廓啮合点的实际轨迹，称为实际啮合线段，而线段N1N2称为理论啮合线段。由图可见，这时实际啮合线段B1B2的长度大于齿轮的法线齿距。如果前一对轮齿已于B1点脱离啮合，而后一对轮齿仍未进入啮合，则这时传动发生中断，将引起冲击。所以，保证连续传动的条件是使实际啮合线长度大于或至少等于齿轮的法线齿距(即基圆齿距Pb)。通常将实际啮合线长度与基圆齿距之比称为齿轮的重合度，用ε表示，即(6-14)上一页下一页返回第四节渐开线齿轮的啮合传动理论上当ε=1时，就能保证一对齿轮连续传动，但考虑齿轮的制造、安装误差和啮合传动中轮齿的变形，实际上应使ε>1。一般机械制造中，常使ε≥1.1～1.4。重合度越大，表示同时啮合的齿的对数越多。例如：ε=1.3表示有30%的时间有两对轮齿啮合，70%的时间有一对轮齿啮合，ε越大，同时啮合的齿数越多，多齿啮合所占时间越长，传动越平稳，承载能力越大。三、渐开线齿轮的正确安装条件一对齿轮传动时，齿轮节圆上的齿槽宽与另一齿轮节圆上的齿厚之差称为齿侧间隙。在齿轮加工时，刀具轮齿与工件轮齿之间是没有齿侧间隙的；在齿轮传动中，为了消除反向传动空程和减少撞击，也要求齿侧间隙等于零。上一页下一页返回第四节渐开线齿轮的啮合传动由前述已知，标准齿轮分度圆的齿厚和齿槽宽相等，一对正确啮合的渐开线齿轮的模数相等，即s1=e1=s2=e2=πm／2因此，当分度圆和节圆重合时，便可满足无侧隙啮合条件。安装时使分度圆与节圆重合的一对标准齿轮的中心距称为标准中心距，用a表示a=r1′+r2′=r1+r2=m(z1+z2)／2

(6-15)显然，此时的啮合角α′就等于分度圆上的压力角α0应当指出，分度圆和压力角是单个齿轮本身所具有的，而节圆和啮合角是两个齿轮相互啮合时才出现。标准齿轮传动只有在分度圆与节圆重合时，压力角和啮合角才相等。上一页返回第五节渐开线齿轮的加工一、渐开线齿轮的加工方法

1.仿形法

仿形法是用与齿轮齿槽形状相同的圆盘铣刀或指状铣刀在铣床上进行加工，如图6-10所示。加工时铣刀绕本身的轴线旋转，同时轮坯转过

2π／z，再铣第二个齿槽。其余依此类推。这种加工方法简单，不需要专用机床，但精度差，而且是逐个齿切削，切削不连续，故生产率低，仅适用于单件生产及精度要求不高的齿轮加工。2.范成法范成法是利用一对齿轮(或齿轮与齿条)互相啮合时其共轭齿廓互为包络线的原理来切齿的(图6-11)。如果把其中一个齿轮(或齿条)做成刀具，就可以切出与它共轭的渐开线齿廓。下一页返回第五节渐开线齿轮的加工范成法种类很多，有插齿、滚齿、剃齿、磨齿等，其中最常用的是插齿和滚齿，剃齿和磨齿用于精度和粗糙度要求较高的场合。(1)插齿。图6-12所示为用齿轮插刀加工齿轮时的情形。齿轮插刀的形状和齿轮相似，其模数和压力角与被加工齿轮相同。加工时，插齿刀沿轮坯轴线方向作上下往复的切削运动；同时，机床的传动系统严格地保证插齿刀与轮坯之间的范成运动。齿轮插刀刀具顶部比正常齿高出c*m，以便切出顶隙部分。当齿轮插刀的齿数增加到无穷多时，其基圆半径变为无穷大，插刀的齿廓变成直线齿廓，齿轮插刀就变成齿条插刀，图6-13为齿条插刀加工轮齿的情形。上一页下一页返回第五节渐开线齿轮的加工(2)滚齿。齿轮插刀和齿条插刀都只能间断地切削，生产率低。目前广泛采用齿轮滚刀在滚齿机上进行轮齿的加工。滚齿加工方法基于齿轮与齿条相啮合的原理。图6-14为滚刀加工轮齿的情形。滚刀1的外形类似沿纵向开了沟槽的螺旋，其轴向剖面齿形与齿条相同。当滚刀转动时，相当于这个假想的齿条连续地向一个方向移动，轮坯又相当于与齿条相啮合的齿轮，从而滚刀能按照范成原理在轮坯加工渐开线齿廓。滚刀除旋转外，还沿轮坯的轴向逐渐移动，以便切出整个齿宽。上一页下一页返回第五节渐开线齿轮的加工二、渐开线齿轮的根切与最少齿数用范成法加工齿数较少的齿轮时，常会将轮齿根部的渐开线齿廓切去一部分，如图6-15所示。这种现象称为根切。根切将使轮齿的抗弯强度降低，重合度减小，故应设法避免。对于标准齿轮，是用限制最少齿数的方法来避免根切的。用滚刀加工压力角为20°的正常齿制标准直齿圆柱齿轮时，根据计算，可得出不发生根切的最少齿数zmin=17。某些情况下，为了尽量减少齿数以获得比较紧凑的结构，在满足轮齿弯曲强度条件下，允许齿根部有轻微根切时，zmin=14。上一页返回第六节渐开线变位齿轮一、标准齿轮的局限性(1)标准齿轮齿数不能少于zmin，否则会发生根切。(2)标准齿轮不适用于实际中心距a′不等于标准中心距a的场合。当a′>a时，采用标准齿轮虽仍然保持定传动比，但会出现过大的齿侧间隙，重合度也减小；当a′<a时，因较大的齿厚不能嵌入较小的齿槽致使标准齿轮无法安装。(3)一对标准齿轮弯曲强度相差较大。大齿轮齿数多，齿根较厚，而小齿轮齿根薄，弯曲强度低，且工作次数多，易损坏。为了弥补上述不足，在机械中出现了变位齿轮，它可以制成齿数少于zmin而无根切的齿轮；可以实现非标准中心距的无侧隙传动；可以使大小齿轮的抗弯能力比较接近。下一页返回第六节渐开线变位齿轮二、变位齿轮的概念变位齿轮是一种非标准齿轮，其加工原理与标准齿轮相同，切制工具也相同。图6-16所示为齿条刀具。齿条刀具上与刀具顶线平行而其齿厚等于齿槽宽的直线nn，称为刀具的中线。中线以及与中线平行的任一直线，称为分度线。除中线外，其他分度线上的齿厚与齿槽宽不相等。加工齿轮时，若齿条刀具的中线与轮坯的分度圆相切并作纯滚动，由于刀具中线上的齿厚与齿槽宽相等，则被加工齿轮分度圆上的齿厚与齿槽距相等，其值为πm／2，因此被加工出来的齿轮为标准齿轮[图6-17(a)]。若刀具与轮坯的相对运动关系不变，但刀具相对轮坯中心离开或靠近一段距离xm

[图6-17

(b)、(c)]，则轮上一页下一页返回第六节渐开线变位齿轮坯的分度圆不再与刀具中线相切，而是与中线以上或以下的某一分度线相切。这时与轮坯分度圆相切并作纯滚动的刀具分度线上的齿厚与齿槽宽不相等，因此被加工的齿轮在分度圆上的齿厚与齿槽宽也不相等。当刀具远离轮坯中心移动时，被加工齿轮的分度圆齿厚增大。当刀具向轮坯中心靠近时，被加工齿轮的分度圆齿厚减小。这种由于刀具相对于轮坯位置发生变化而加工的齿轮，称为变位齿轮。齿条刀具中线相对于被加工齿轮分度圆所移动的距离，称为变位量，用xm表示，m为模数，x为变位系数。刀具中线远离轮坯中心称为正变位，这时的变位系数为正数(x>0)，所切出的齿轮称为正变位齿轮。刀具靠近轮坯中心称为负变位，这时的变位系数为负数(x<0)，所加工的齿轮称为负变位齿轮。上一页返回第七节

轮齿的失效形式与材料选择一、齿轮的失效形式齿轮的失效，主要是轮齿的失效。常见的失效形式有以下五种：(1)轮齿折断。齿轮工作时，若轮齿危险剖面的应力超过材料所允许的极限值，轮齿将发生折断。轮齿的折断有两种情况，一种是因短时意外的严重过载或受到冲击载荷时突然折断，称为过载折断；另一种是由于循环变化的弯曲应力的反复作用而引起的疲劳折断。轮齿折断一般发生在轮齿根部(图6-18)。下一页返回第七节

轮齿的失效形式与材料选择(2)齿面点蚀。在润滑良好的闭式齿轮传动中，当齿轮工作了一定时间后，在轮齿工作表面上会产生一些细小的凹坑，称为点蚀(图

6-19)。点蚀的产生主要是由于轮齿啮合时，齿面的接触应力按脉动循环变化，在这种脉动循环变化接触应力的多次重复作用下，由于疲劳，在轮齿表面层会产生疲劳裂纹，裂纹的扩展使金属微粒剥落下来而形成疲劳点蚀。通常疲劳点蚀首先发生在节线附近的齿根表面处。点蚀使齿面有效承载面积减小，点蚀的扩展将会严重损坏齿廓表面，引起冲击和噪音，造成传动的不平稳。齿面抗点蚀能力主要与齿面硬度有关，齿面硬度越高，抗点蚀能力越强。点蚀是闭式软齿面(HBS≤350)齿轮传动的主要失效形式。上一页下一页返回第七节

轮齿的失效形式与材料选择而对于开式齿轮传动，由于齿面磨损速度较快，即使轮齿表层产生疲劳裂纹，但还未扩展到金属剥落时，表面层就已被磨掉，因而一般看不到点蚀现象。(3)齿面胶合。在高速重载传动中，由于齿面啮合区的压力很大，润滑油膜因温度升高容易破裂，造成齿面金属直接接触，其接触区产生瞬时高温，致使两轮齿表面焊粘在一起，当两齿面相对运动时，较软的齿面金属被撕下，在轮齿工作表面形成与滑动方向一致的沟痕(图6-20)，这种现象称为齿面胶合。上一页下一页返回第七节轮齿的失效形式与材料选择(4)齿面磨损。互相啮合的两齿廓表面间有相对滑动，在载荷作用下会引起齿面的磨损。尤其在开式传动中，由于灰尘、砂粒等硬颗粒容易进入齿面间而发生磨损。齿面严重磨损后，轮齿将失去正确的齿形，会导致严重噪音和振动，影响轮齿正常工作，最终使传动失效。采用闭式传动，减小齿面粗糙度值和保持良好的润滑可以减少齿面磨损。(5)齿面塑性变形。在重载的条件下，较软的齿面上表层金属可能沿滑动方向滑移，出现局部金属流动现象，使齿面产生塑性变形，齿廓失去正确的齿形。在起动频繁和过载的传动中较易产生这种失效形式。上一页下一页返回第七节轮齿的失效形式与材料选择二、齿轮材料对齿轮材料的要求：齿面有足够的硬度和耐磨性，轮齿芯部有较强韧性，以承受冲击载荷和变载荷。常用的齿轮材料是各种牌号的优质碳素钢、合金结构钢、铸钢和铸铁等，一般多采用锻件或轧制钢材。当齿轮直径在400～600mm范围内时，可采用铸钢；低速齿轮可采用灰铸铁。表6-3列出了常用齿轮材料及其热处理后的硬度。上一页下一页返回第七节轮齿的失效形式与材料选择齿轮常用的热处理方法有以下几种：(1)表面淬火。表面淬火一般用于中碳钢和中碳合金钢。表面淬火处理后齿面硬度可达52～56HRC，耐磨性好，齿面接触强度高。表面淬火的方法有高频淬火和火焰淬火等。(2)渗碳淬火。渗碳淬火用于处理低碳钢和低碳合金钢，渗碳淬火后齿面硬度可达56～62HRC，齿面接触强度高，耐磨性好，而轮齿芯部仍保持有较高的韧性，常用于承受冲击载荷的重要齿轮传动。(3)调质。调质处理一般用于处理中碳钢和中碳合金钢。调质处理后齿面硬度可达220～260HBS。上一页下一页返回第七节轮齿的失效形式与材料选择(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。中碳钢正火处理可用于机械强度要求不高的齿轮传动中。经热处理后齿面硬度HBS≤350的齿轮称为软齿面齿轮，多用于中、低速机械。当大小齿轮都是软齿面时，考虑到小齿轮齿根较薄，弯曲强度较低，且受载次数较多，因此应使小齿轮齿面硬度比大齿轮高20～50HBS。齿面硬度HBS>350的齿轮称为硬齿面齿轮，其最终热处理在轮齿精切后进行。因热处理后轮齿会产生变形，故对于精度要求高的齿轮，需进行磨齿。当大小齿轮都是硬齿面时，小齿轮的硬度应略高，也可和大齿轮相等。近年，由于齿轮材质和齿轮加工工艺技术的迅速发展，越来越广泛地选用硬齿面齿轮。上一页返回第八节齿轮的结构与精度一、圆柱齿轮的结构齿轮强度计算和几何尺寸计算，主要是确定齿轮的模数、分度圆直径、齿顶圆直径、齿根圆直径、齿宽等；而轮缘、轮辐和轮毂等结构尺寸和结构形式，则需通过结构设计来确定。齿轮的结构有锻造、铸造、装配式及焊接齿轮等结构形式，具体的结构应根据工艺要求及经验公式确定。圆柱齿轮的结构形式与齿轮的大小、材料、毛坯类型、制造方法和生产批量有关。圆柱齿轮的结构形式有以下几种。1.齿轮轴当齿顶圆直径与轴径接近时，应将齿轮与轴做成一体，称为齿轮轴(图6-21)。下一页返回第八节齿轮的结构与精度2.实心齿轮当齿顶圆直径150mm≤da≤200mm时，可以采用轧制圆钢或锻钢制成实心结构的齿轮(图6-22)。3.腹板式齿轮当齿顶圆直径200mm<da≤500mm时，常用锻钢制成腹板式结构(图6-23)。4.轮辐式齿轮当1000mm>da>500mm时，由于锻造加工困难，常用铸钢或铸铁制成轮辐式结构(图6-24)。上一页下一页返回第八节齿轮的结构与精度二、齿轮精度引起误差原因：轮坯、刀具在机床上的安装误差，机床和刀具的制造误差以及加工时所引起的振动等原因。(1)影响：加工误差、精度低，影响齿轮的传动质量和承载能力；如果精度要求过高，将给加工带来困难，提高制造成本。(2)精度等级：1～12级，1级精度最高，12级最低。(3)选择：根据传动的使用条件、传递的功率、圆周速度及其他经济、技术要求决定，在一般传动中可以选择6～9级，用的最多的是7、8级。常用精度等级的应用见表6-4。(4)精度等级组成：运动准确性、传动平稳性和载荷分布均匀性。上一页下一页返回第八节齿轮的结构与精度(5)分三个公差组：第Ⅰ公差组、第Ⅱ公差组、第Ⅲ公差组。三个公差组可以选同一等级，也可以选不同等级，但第Ⅲ公差组一般不低于第Ⅱ公差组。(6)齿轮传动的侧隙：一对齿轮在啮合传动中，工作齿廓相互接触时，在两基圆圆柱的公切面上，两个非工作齿廓间的最小的距离。规定侧隙可避免因制造、安装误差以及热膨胀或承载变形等原因而导致齿轮卡住。合理的侧隙可通过齿厚极限偏差和中心距极限偏差来保证。(7)齿厚偏差：C、D、E、F、G、H、J、K、L、M、N、P、R、S等14种，每种代号所规定的齿厚偏差值均是fPT(齿距极限偏差)的数倍，如图6-25所示。上一页返回第九节渐开线直齿圆柱齿轮的传动设计一、轮齿的受力分析为了计算轮齿的强度以及设计轴和轴承装置等，需确定作用在轮齿上的力。图6-26所示为一对直齿圆柱齿轮啮合传动时的受力情况。若忽略齿面间的摩擦力，则轮齿之间的总作用力Fn将沿着轮齿啮合点的公法线N1N2方向，故也称法向力。法向力Fn可分解为两个分力：圆周力Ft和径向力Fr。

圆周力Ft=2T1／d1(N)径向力Fr=Fttanα

(N)法向力Fn=Ft／cosα

(N)

(6-16)上一页返回第九节渐开线直齿圆柱齿轮的传动设计式中，T1为小齿轮上的转矩，T1

=9.55×106P1／n1，N·mm；P1为小齿轮传递的功率，KW；n1为小齿轮的转速，r／min；d1为小齿轮的分度圆直径，mm；α为分度圆压力角，度。圆周力Ft的方向，在主动轮上与圆周速度方向相反，在从动轮上与圆周速度方向相同。径向力Fr的方向对两轮都是由作用点指向轮心。从动轮与主动轮各力大小的关系：Ft2=-Ft1，Fr2=-Fr1，Fn2=-Fn1从动轮与主动轮各力方向的关系：(如图6-27所示)上一页下一页返回第九节渐开线直齿圆柱齿轮的传动设计二、计算载荷上述受力分析是在载荷沿齿宽均匀分布的理想条件下进行的。但实际运转时，由于齿轮、轴、支承等存在制造、安装误差，以及受载时产生变形等，使载荷沿齿宽不是均匀分布，造成载荷局部集中。轴和轴承的刚度越小、齿宽b越宽，载荷集中越严重。此外，由于各种原动机和工作机的特性不同(例如机械的起动和制动、工作机构速度的突然变化和过载等)，导致在齿轮传动中还将引起附加动载荷。因此在齿轮强度计算时，通常用计算载荷FnK代替名义载荷Fn即：FnK

=KFn。K为载荷系数，其值由表6-5查取。Ft1与ω1反向(阻力)Ft2与ω2同向(动力)圆周力Ft径向力Fr：外齿轮指向各自轮心上一页下一页返回第九节渐开线直齿圆柱齿轮的传动设计三、齿根弯曲疲劳强度计算为了防止齿轮在工作时发生轮齿折断，应限制在轮齿根部的弯曲应力。进行轮齿弯曲应力计算时，假定全部载荷由一对轮齿承受且作用于齿顶处，这时齿根所受的弯矩最大。计算轮齿弯曲应力时，将轮齿看作宽度为b的悬臂梁(图6-28)。危险截面可用30°切线法确定，即作与轮齿对称中心线成30°夹角并与齿根圆角相切的斜线，两切点的连线是危险截面位置。设法向力Fn移至轮齿中线并分解成相互垂直的两个分力，F1=FncosαF，F2=FnsinαF，其中F1使齿根产生弯曲力，F2则产生压缩应力。因压应力数值较小，为简化计算，在计算轮齿弯曲强度时只考虑弯曲应力。危险截面的弯曲应力为上一页下一页返回第九节渐开线直齿圆柱齿轮的传动设计(6-17)式中，b为齿宽，mm；m为模数；mm；T1为小轮传递转矩，N·mm；K为载荷系数；z1为小齿轮齿数；YF为齿形系数。对标准齿轮，YF只与齿数有关。正常齿制标准齿轮的YF值，可参考图6-29。对于i≠1的齿轮传动，由于z1≠z2，因此YF1≠YF2，而且两轮的材料和热处理方法，硬度也不相同，则[σF1]≠[σF2]，因此，应分别验算两个齿轮的弯曲强度。在式(6-17)中，令b2=Ψad1，则得轮齿弯曲强度设计方式为(6-18)上一页下一页返回第九节渐开线直齿圆柱齿轮的传动设计式(6-18)中的YF／[σF]应代入YF1／[σF1]和YF2／[σF2]中的较大者，算得的模数圆整为标准值。对于传递动力的齿轮，其模数应大于1.5mm，以防止意外断齿。在满足弯曲强度的条件下，应尽量增加齿数使传动的重合度增大，以改善传动平稳性和载荷分配；在中心距a一定时，齿数增加则模数减小，齿顶高和齿根高都随之减小，能节约材料和减少金属切削量。对于闭式传动，当齿面硬度不太高时，轮齿的弯曲强度通常是足够的，故齿数可取多些，例如常取z1=24～40。当齿面硬度很高时，轮齿的弯曲强度常感不足，故齿数不宜过多。许用弯曲应力[σF]按下式计算[σF]

=σFｌim／sFmin上一页下一页返回第九节渐开线直齿圆柱齿轮的传动设计式中，σFｌim-试验齿轮的齿根弯曲疲劳极限，单位为MPa，按图6-30查取；SFmin-齿根弯曲疲劳强度的最小安全系数，按表6-6查取。四、齿面接触疲劳强度计算为避免齿面发生点蚀，应限制齿面的接触应力。实践证明，点蚀通常首先发生在齿根部分靠近节线处，故取节点处的接触应力为计算依据。对于一对钢制齿轮，标准齿轮压力角α=20°，可得钢制标准齿轮传动的齿面接触强度校核方式：(6-20)上一页下一页返回第九节渐开线直齿圆柱齿轮的传动设计将b2=Ψa﹒d1代入上式，可得齿面接触强度设计方式(6-21)式中，负号用于内啮合传动，i为大轮与小轮的齿数比，σH为齿面接触应力，MPa；[σH]为齿轮材料的许用接触应力，MPa；其他参数意义同前面公式所述。式(6-20)和(6-21)仅适用于一对钢制齿轮，若配对齿轮材料为钢对铸铁或铸铁对铸铁，则应将公式中的系数671分别改为585和506；两齿轮啮合时工作接触应力相等，σH1=σH2，但许用接触应力由于材料、热处理不同而不等，故应将较小的[σH]2代入公式。许用接触应力[σH]

]按下式计算上一页下一页返回第九节渐开线直齿圆柱齿轮的传动设计[σH]

=σHｌim／SHmin(6-22)式中，

σHｌim为试验齿轮的齿面接触疲劳极限，MPa，其值可由图6-31查出；SHmin为齿面接触疲劳强度的最小安全系数，其值由表6-6查出。五、齿轮参数的选择与设计步骤1.参数选择(1)小齿轮齿数z1和模数m。当齿轮分度圆直径确定后，增加齿数、减小模数，可以增大重合度，提高齿轮传动的平稳性，减小切齿量，节省材料，并使结构紧凑。上一页下一页返回第九节渐开线直齿圆柱齿轮的传动设计对于闭式传动软齿面齿轮，可取z1=20～40，m=(0.01～0.02)

a。为防止意外断齿，传力齿轮m必须大于2mm。对于开式传动和硬齿面齿轮，为保证足够的齿根弯曲强度，应适当增大模数，减少齿数，常取z1=17～20。(2)齿宽系数Ψa。Ψa=b2／d1，增大齿宽系数可减小齿轮的直径和中心距，降低圆周速度。Ψa过大时，齿轮过宽，载荷沿齿宽分布不均匀。当齿轮制造精度高、轴和支承的刚度大、齿轮对称布置时，Ψa可取较大值，反之取较小值。开式传动通常取Ψa=0.1～0.3；闭式传动软齿面取Ψa=0.6～1.2；闭式传动硬齿面Ψa=0.3～0.8；一般用途的减速器可取Ψa=0.4。为了装配方便，保证一对齿轮的啮合强度，通常小齿轮比大齿轮宽5～10mm，b1=b2

+(5～10)

mm。强度计算时仍按b2进行。上一页下一页返回第九节渐开线直齿圆柱齿轮的传动设计2.传动设计步骤(1)选择齿轮材料和热处理方法。(2)强度计算。闭式传动软齿面，通常主要失效形式为齿面点蚀，故先按齿面接触强度设计，求出小齿轮分度圆直径后，再校核齿根弯曲强度。闭式传动硬齿面先按齿根弯曲强度设计，再校核齿面接触强度。开式传动或铸铁齿轮则按弯曲强度设计出齿轮模数，考虑磨损的影响，将模数m增大10%

～20%。(3)计算齿轮几何尺寸，选择齿轮精度。(4)确定齿轮结构尺寸，绘制齿轮工作图。上一页下一页返回第九节渐开线直齿圆柱齿轮的传动设计【例6-2】试设计一单级直齿圆柱齿轮减速器中的外啮合齿轮传动。此减速器由电动机驱动，工作时载荷有中等冲击，传递功率为P1=12KW，小齿轮转速n1

=1450rmin，传动比i=3，单向转动。解：(1)选择齿轮材料、热处理方式。根据工作条件，一般用途的减速器采用闭式传动软齿面。由表6-3得小齿轮选用45钢调质，齿面硬度为220HBS。大齿轮选用45钢，正火，齿面硬度180HBS；(2)确定许用接触应力。由于属闭式传动软齿面，故按齿面接触强度设计，用齿根弯曲强度校核。查图6-31，试验齿轮的接触疲劳极限公式为

σHｌim

=480+0.93(HBS-135)则：σHｌim1=559MPaσHｌim2=522MPa上一页下一页返回第九节渐开线直齿圆柱齿轮的传动设计由表6-6，接触疲劳强度的最小安全系数SHmin=1.0，则两齿轮的许用接触应力为[σH]1=σHｌim1／SHmin

=559MPa[σH]2=σHｌim2／SHmin

=522MPa(3)齿面接触疲劳强度设计小齿轮的转矩T1=9.55×106P1／n1=9.55×106×12／1450=7.9×104(N·mm)，载荷系数K查表6-5，取K=1.4；齿宽系数Ψa取1(闭式传动软齿面)，[σH]代入较小值。上一页下一页返回第九节渐开线直齿圆柱齿轮的传动设计

得d1=62.5mm

取d1=65mm(4)几何尺寸计算。中心距：a=d1(1+i)／2=65(1+3)／2=130mm模数：m=(0.01～0.02)a=(0.01～0.02)×130=1.3～2.6取标准模数m=2.5(有中等冲击)齿数z1=d1／m=65／2.5=26z2=iz1=3×26=78齿宽b2=Ψa×d1=1×65=65(mm)b1=b2+(5～10)=72(mm)上一页下一页返回第九节渐开线直齿圆柱齿轮的传动设计(5)校核齿根弯曲疲劳强度。由图6-29查得齿形系数YF1=2.61YF2=2.24由图6-30查得弯曲疲劳极限公式为：σFｌim

=190+0.2

(HBS-135)则σFｌim1=207MPa

σFｌim2=199MPa由表6-6，弯曲疲劳强度的最小安全系数SFmin=1.3齿根许用弯曲应力为[σF]1=σFｌim1／SFmin=159.2(MPa)

[σF]2=σFｌim2／SFmin=153.1

(MPa)上一页下一页返回第九节渐开线直齿圆柱齿轮的传动设计比较YF／[σF]值YF1／[σF]1=2.61／159.2=0.0164

YF2／[σF]2=2.24／153.1=0.0146将较大值YF1／[σF]1和其他参数代入公式。齿根弯曲疲劳强度足够。上一页下一页返回第九节渐开线直齿圆柱齿轮的传动设计(6)齿轮其他尺寸计算。分度圆直径d1=mz1=2.5×26=65

(mm)d2=mz2=2.5×78=195

(mm)传动中心距a=m(z1+z2)／2=2.5(26+78)／2=130

(mm)验算齿轮圆周速度齿轮传动精度等级7级合适。上一页返回第十节斜齿轮传动的参数及受力分析一、齿廓形成由本章第二节可知，当发生线在基圆上作纯滚动时，发生线上任一点的轨迹为该圆的渐开线。而对于具有一定宽度的直齿圆柱齿轮，其齿廓侧面是发生面S在基圆柱上作纯滚动时，平面S上任一与基圆柱母线NN平行的直线KK所形成的渐开线曲面，如图6-32所示。直齿圆柱齿轮啮合时，其接触线是与轴线平行的直线，因而一对齿廓沿齿宽同时进入啮合或退出啮合，容易引起冲击和噪音，传动平稳性差，不适宜用于高速齿轮传动。上一页返回第十节斜齿轮传动的参数及受力分析斜齿圆柱齿轮是发生面在基圆柱上作纯滚动时，平面S上直线KK不与基圆柱母线NN平行，而是与NN成一角度βb，当S平面在基圆柱上作纯滚动时，斜直线KK的轨迹形成斜齿轮的齿廓曲面，KK与基圆柱母线的夹角βb称为基圆柱上的螺旋角。如图6-33所示，斜齿圆柱齿轮啮合时，其接触线都是平行于斜直线KK的直线，因齿高有一定限制，故在两齿廓啮合过程中，接触线长度由零逐渐增长，从某一位置以后又逐渐缩短，直至脱离啮合，即斜齿轮进入和脱离接触都是逐渐进行的，故传动平稳，噪音小，此外，由于斜齿轮的轮齿是倾斜的，同时啮合的轮齿对数比直齿轮多，故重合度比直齿轮大。上一页下一页返回第十节斜齿轮传动的参数及受力分析二、斜齿圆柱齿轮的几何参数垂直于斜齿轮轴线的平面称为端面，与分度圆柱螺旋线垂直的平面称为法面，在进行斜齿圆柱齿轮几何尺寸计算时，应当注意端面参数与法面参数之间的关系。1.螺旋角一般用分度圆柱面上的螺旋角β表示斜齿圆柱齿轮轮齿的倾斜程度。通常所说斜齿轮的螺旋角是指分度圆柱上的螺旋角。斜齿轮的螺旋角一般为8°～20°。上一页下一页返回第十节斜齿轮传动的参数及受力分析2.模数和压力角图6-34为斜齿圆柱齿轮分度圆柱面的展开图。从图上可知，端面齿距pt与法面齿距pn的关系为pt=pn／cosβ(6-23)因p=πm，故法面模数mn和端面模数mt之间的关系为mn=mtcosβ(6-24)tanαn=tanαtcosβ(6-25)用铣刀或滚刀加工斜齿轮时，刀具沿着螺旋齿槽方向进行切削，刀刃位于法面上，故一般规定斜齿圆柱齿轮的法面模数和法面压力角为标准值。上一页下一页返回第十节斜齿轮传动的参数及受力分析三、斜齿圆柱齿轮正确啮合条件一对斜齿圆柱齿轮的正确啮合条件是两轮的法面压力角相等，法面模数相等，两轮螺旋角大小相等而方向相反，即β1=-β2。四、斜齿圆柱齿轮的受力分析如图6-35(a)所示，作用在斜齿圆柱齿轮轮齿上的法向力Fn可以分解为三个互相垂直的分力，即圆周力Ft，径向力Fr和轴向力Fa。由图6-35(b)可得三个分力的计算方式。Ft=2T1／d1(N)Fr=Fttanαn／cosβ(N)

(6-26)Fa=Fttanβ(N)上一页下一页返回第十节斜齿轮传动的参数及受力分析圆周力Ft，径向力Fr的方向与直齿圆柱齿轮相同；轴向力Fa的方向取决于轮齿螺旋线的方向和齿轮的转动方向。确定主动轮的轴向力方向可利用左、右手定则，例如对于主动右旋齿轮，以右手四指弯曲方向表示它的旋转方向，则大拇指的指向表示它所受轴向力的方向。从动轮上所受各力的方向与主动轮相反，但大小相等(图6-36)。

圆周力Ft-主反从同Ft2=-Ft1径向力Fr-指向轮心Fr2=-Fr1轴向力Fa-主动轮左、右手定则Fa2=-F