精品齿轮的热处理.docx

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精品齿轮的热处理

齿轮传动的特点

齿轮传动是目前最广泛的一种传动形式，可用来传递任意两轴间运动和动力。

齿轮传动在矿山机械、运输机械、化工机械、建筑机械、起重机械、金属切削机床中都有着广泛的应用。

齿轮传动所以能获得如此广泛的应用，是因为它具有下列优点：

瞬时传动比恒定，工作平稳性高；

效率高，高精度的一对渐开线圆柱齿轮，效率可达0.99以上；

传动比范围大，可用于减速或增速；

传动功率和圆周速度的范围大，功率可以小于一瓦到高达十几万千瓦，圆周速度小可以很低，也可以达到300m/s以上；

尺寸小，结构紧凑。

但齿轮传动具有以下缺点:

制造成本较高，高精度的齿轮需用高精度的机床和刀具，故制造成本高；

低精度的齿轮在传动时冲击、振动、噪声较大；

不适用于远距离两轴间的传动。

齿轮传动的类型

齿轮传动应用广、类型多。

按其相对运动情况可分为平面齿轮传动和空间齿轮传动两大类。

平面齿轮传动

两齿轮间相对运动为平面运动，其轴线互相平行。

空间齿轮传动

两齿轮间相对运动为空间运动，其轴线相交或交错。

按照齿轮轴线间相互位置、齿向和啮合情况，齿轮传动的分类见表1

齿轮传动的类型和应用表-1

分类

名称

应用

平行轴齿轮传动

直齿圆柱齿轮传动

外啮合直齿

圆柱齿轮传动

适用于圆周速度较低的传动，尤其适用于变速箱的换挡齿轮

平行轴齿轮传动

直齿圆柱齿轮传动

内啮合直齿

圆柱齿轮传动

适用于结构要求紧凑，且效率较高的场合

齿轮齿条传动

适用于将连续传动变换为往复移动的场合

平行轴齿轮传动

平行轴斜齿轮传动

外啮合斜齿圆柱齿轮传动

适用于圆周速度较高、载荷较大且要求结构紧凑的场合

人字齿轮传动

外啮合人字齿圆柱齿轮传动

适用于载荷大且要求传动平稳的场合

相交轴齿轮传动

直齿锥齿轮传动

适用于圆周速度较高、载荷较小而稳定的场合

曲齿锥齿轮传动

适用于圆周速度较高、载荷较大的场合

交错轴齿轮传动

交错轴斜齿轮传动

适用于圆周速度较低、载荷小的场合

交错轴齿轮传动

蜗杆传动

适用于传动比较大且要求结构紧凑的场合

按照工作条件，齿轮传动可分为开式、半开式和闭式三种。

开式传动齿轮外漏，灰尘及杂物易落入齿面且润滑较差，故齿面易磨损，多用于低俗不重要的场合；半开式传动设有简单的防护罩，润滑得以改善，但灰尘和杂物仍能侵入；闭式传动，其齿轮及轴承均封闭在刚性较大的箱体内，具有良好的润滑和工作条件，故用于重要的场合。

渐开线齿轮的基本参数

齿数z：

齿轮圆周上凸出的部分称为轮齿，其总数称为齿数，它均匀分布在圆柱体上。

齿数用z表示。

模数压力角一定时，齿数越多，齿轮几何尺寸越大，同时渐开线齿廓曲线平缓。

模数m：

分度圆直径d与齿距p及齿数z之间的关系为

πd=pz

或d=p/πz

式中，π为无理数，计算出d若也为无理数，这将给齿轮的设计、制造和检验等带来很大不方便。

所以工程上把p/π

规定为简单有理数并标准化，称为齿轮的模数，用m表示，其单位为mm，即

m=p/π或p=πm

所以d=mz

模数是齿轮的一个参数，是齿轮所有几何尺寸计算的基础。

显然，m越大，p越大，齿轮的尺寸也越大，其轮齿的抗弯曲能力也越高。

在设计齿轮时，m必须取标准值。

渐开线圆柱齿模数（GB1357—1987）表-2mm

第一系列

1,1.25,1.5,2,2.5,3,4,5,6,8,10,12,16,20,25,32,40,50

第二系列

1.75,2.25,2.75,（3.25）,3.5,（3.75）,4.5,5.5,（6.5）,7,9,（11）,

14,18,22,28,36,45

注：

本标准适用于渐开线圆柱齿轮，对于斜齿轮是指法面模数。

选取时，优先选用第一系列，括号内的模数尽可能不用。

压力角a：

由渐开线的性质可知，渐开线上各点的压力角是变化的。

国家标准规定分度圆上的压力角为标准值a=200，且有

cosa=rb/r。

此外，在汽车、航空工业中也有采用a=22.50或

a=250。

当a=250时，ha※=1，c※=0.2。

齿顶高系数ha※和顶隙系数c※：

为了以模数作为基本参数进行计算，可取

ha=ha※m

hf=（ha※+c※）m

h=（2ha※+c※）m

式中ha※—齿顶高系数，我国标准规定，正常齿制ha※=1；

短齿制ha※=0.8

c※—顶隙系数，我国标准规定，正常齿制c※=0.25，短齿制

c※=0.3.

短齿制齿轮主要用于汽车、坦克、拖拉机、电力机车等。

一对齿轮互相啮合时，为避免一个齿轮的齿顶与另一个齿轮的齿槽底相接处，同时还能贮存润滑油，所以必须在一个齿轮的根圆柱面与配对齿轮的齿顶圆柱面之间留出缝隙，称为齿顶隙，用c表示，其值为c=c※m

综上所述，m、a、ha※、c※和z是渐开线齿轮几何尺寸计算的五个基本参数。

m、a、ha※和c※均为标准值，且分度圆上s=e的齿轮，称为标准齿轮。

齿轮传动的主要设计参数的选择

齿轮传动设计时的参数较多，其中一部分是由标准决定的参数，如压力角a（或an）和齿制参数ha※、c※（或han※、cn※）等，一部分是由强度计算决定的参数，如模数m（或mn）、分度圆直径d1或中心距a等，还有一部分是自选参数，如齿数z1齿宽系数φa、φd和螺旋角β等。

自选参数的选取要考虑它们对齿轮承载能力、传动性能和结构尺寸的影响。

⑴齿数z1：

对于闭式软齿面齿轮传动，设计时先按齿面接触强度确定分度圆直径d1或中心距a。

由于d1=mtz1，增大z1，可相应减小mt

（这时会降低齿轮弯曲强度）。

这样，有利于增大重合度，提高传动的平稳性；可以减小齿顶圆直径（da1=d1+2hat※mt）和毛坯直径，降低制造成本（模数小则齿槽小，切削量少）。

由于闭式软齿面齿轮传动弯曲强度有较大的富余，因此可选取较多的齿数，通常z1=20～40.

⑵齿宽系数φd：

从齿面接触强度来看，增大φd，可减小齿轮直径d1，降低圆周速度；从齿轮弯曲度来看，增大φd，可减小模数m。

但是，随着φd的增大，齿宽加大，会加剧由于轴承和轴的变形所造成的沿齿宽方向载荷分布的不均匀性，载荷集中严重。

齿宽系数φd表-3

两轴承相对齿轮

的布置情况

载荷情况

软齿面或软硬齿面

硬齿面

推荐值

最大值

推荐值

最大值

对称布置

变动小

0.8～1.4

1.8

0.4～0.9

1.1

变动大

1.4

0.9

非对称布置

变动小

0.6～1.2

1.4

0.3～0.6

0.9

变动大

1.15

0.7

小齿轮悬臂

变动小

0.3～0.4

0.8

0.2～0.25

0.55

变动大

0.6

0.44

注：

①软齿面指两齿轮皆为软齿面，软硬齿面指仅大齿轮为硬齿面，硬齿面指两齿轮皆为硬齿面。

②直齿圆柱齿轮取小值，斜齿轮取大值，人字齿轮可取更大值。

③载荷平稳、轴刚度大时取大值，反之取小值。

④对于金属切削机床，若传递功率不大时，φd可小到0.2。

⑤对于非金属齿轮，可取φd=0.5～1.2。

⑥对于开式传动，可取φd=0.3～0.5。

⑶螺旋角β：

增大螺旋角，有利于提高齿轮的承载能力和传动的平稳性，但螺旋角太大时会引起很大轴向力。

通常取β=80～250，初步设计可取β=100～150。

计算准则

齿轮的计算准则取决于失效形式，因此针对上述各种失效形式都应分别确立相应的设计准则。

但对齿面磨损及齿面塑性变形迄今尚无完善的计算方法。

关于齿面胶合，我国虽已制定出渐开线圆柱齿轮胶合承载能力计算方法（GB6413—1986），但只在设计高速重载齿轮传动时，才作胶合计算。

在工程中设计一般齿轮传动时，只针对齿面点蚀和齿根折断进行齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度计算。

由实践得知，闭式软齿面齿轮传动（HBS≤350），轮齿的失效形式为齿面疲劳点蚀，通常以保证齿面接触疲劳强度为主，即按齿面接触强度计算齿轮的分度圆直径和其他几何参数，然后再校核轮齿弯曲疲劳强度。

闭式硬齿面齿轮传动（HBS﹥350），轮齿的主要失效形式为轮齿弯曲疲劳折断，因为应首先按弯曲疲劳强度确定模数和其他几何参数，然后再校核齿面接触疲劳强度。

开式或半开式齿轮传动，由于齿面磨损比齿面点蚀来的快，所以一般看不到点蚀现象，设计时仅以保证齿根弯曲疲劳强度作为设计准则。

为考虑齿面磨损的影响可适当增大所求得的模数。

齿轮的轮圈、轮辐、轮毂等尺寸，按经验公式确定，不进行强度计算。

齿轮的常用材料及其热处理

1齿轮的常用材料

为了提高齿轮的承载能力和使用寿命，制造齿轮用的材料，应具有足够的强度、硬度、耐磨性和良好的工艺性。

制造齿轮最常用的材料为各种锻钢，其次是铸钢和铸铁，还有非金属材料。

锻钢

锻钢齿轮具有承载能力大、尺寸小和质量轻等特点。

除尺寸过大或结构形状复杂的齿轮只宜采用铸钢外，一般都用锻钢制造齿轮，常用的是含碳量为0.15％～0.60％的碳钢或合金钢。

根据齿轮的承载能力和制造工艺，锻钢齿轮的常用材料为：

软齿面（HBS≤350）齿轮所用锻钢

这类齿轮的精切在热处理之后进行，齿面硬度不宜过高。

热处理方法一般为调质（淬火后高温回火）或正火（高温加热后在空气中冷却）。

齿轮无需磨削或研齿，切齿精度一般为8级，精切时可达7级。

对于强度、速度及精度要求不高的齿轮常采用此种材料，常用的钢号有40、45、50等优质碳素钢及40Cr、40MnB、42SiMn等中碳合金钢。

硬齿面（HBS>350）齿轮所用的锻钢

这类齿轮的齿面硬度较高，切齿常在热处理之前进行，热处理后需进行磨齿或研齿，以获得较高的精度（达5级或4级）。

热处理的方法有表面淬火、渗碳淬火、氮化和氰化等，按工作要求和材料性能选择上述方法。

这类齿轮的强度、硬度和精度都比较高，结构尺寸较小，质量轻，承载能力大，耐磨性和抗点蚀性能也较好。

特别是齿面经过硬化处理后，不仅能提高齿面硬度，而且能保持齿面的韧性。

所以这类齿轮适用于高速重载及对尺寸和质量有较高要求的场合，如煤矿采掘和输送机械多采用硬齿面齿轮。

常用材料为20Cr、20CrMnTi、38SiMnMo等。

铸钢

铸钢的耐磨性及强度均较好，但应经退火及常化处理，必要时也可进行调质。

铸钢常用于尺寸大或结构复杂的重要齿轮，常用牌号有ZG310—570、ZG340—640等。

铸铁

普通灰铸铁的铸造性能和切削性能好，价廉，抗点蚀和抗胶合能力较好，但性脆，抗冲击及耐磨性都较差，常用于工作稳定、速度较低、功率不大的场合。

常用牌号有HT250、HT300等。

球墨铸铁的机械性能和抗冲击性能远高于灰铸铁，可替代某些调质钢的大齿轮。

常用号牌有QT500—5，QT600—2等。

非金属材料

对高速、轻载及精度不高的齿轮传动，为了降低噪音，通常非金属材料（如夹布胶木、尼龙等）做小齿轮，大齿轮仍用钢或铸铁制造。

应特别指出，在一对齿轮中，齿轮材料的配对使用是很重要的。

通常，小齿轮根强度较低，受载情况恶劣，应力循环次数较多。

因而，小齿轮材料的齿芯硬度和齿面硬度应比大齿轮取高一些。

根据实践经验，当HBS≤350时，对于直齿轮，两齿的齿面硬度差一般为

HBS1min—HBS2max≥20～25；对于斜齿轮或人字齿轮，

HBS1min—HBS2max≥40～50。

当齿面硬度很高时（如HRC>45），两轮的齿面通常取为大致相同的硬度值。

齿轮的热处理

便面淬火。

表面淬火常用于碳钢或中合金钢，如45、40Gr、35SiMn钢等。

淬火后齿面硬度可达45～50HRC，芯部较软，有较高的韧性，齿面接触强度高、耐磨性好。

为减小热变形，轮坯通常应进行调质处理。

一般用于受中等冲击载荷的重要齿轮传动。

渗碳淬火。

渗碳淬火常用的材料为低碳钢或低碳合金钢，如20、20Gr、20GrMnTi等。

渗碳淬火后齿面硬度可达56～62HRC，芯部仍保持有较高的韧性，齿面接触强度高、耐磨性好。

一般用于受冲击载荷的重要齿轮传动。

氮化。

氮化是一种化学热处理，氮化后齿面硬度高（HRC>65）。

由于氮化温度低（不超过500℃），所以变形小，适用于难以磨齿的场合，如内齿轮等。

常用材料如38GrMoA1A等。

需要指出，为使氮化层不被压碎而脱落，齿芯内部应有足够的硬度，所以轮坯应进行调质处理。

调质。

调质常用于中碳钢和中碳合金钢，如45、40Gr钢等。

调质处理后齿面硬度一般为200～280HBS。

因硬度不高，故可在热处理后进行精加工。

一般用于批量小、对传动尺寸没有严格限制的齿轮传动。

正火（正常化）。

正火处理能消除内应力，提高强度与韧性，改善切削性能。

机械强度要求不高的齿轮传动可用中碳钢正火处理或铸钢正火处理。

正火处理后齿面硬度一般为160～220HBS。

齿轮的常用材料和机械性能表-4

类别

材料牌号

热处理方式

强度极限

硬度

σb/MPa

HBS

HRC（齿面）

中碳钢

45

正火

588

169~217

调质

647

229~286

表面淬火

40~50

中碳合金钢

35SiMn

42SiMn

调质

785

229~286

表面淬火

45~55

38SiMnMo

调质

735

229~286

表面淬火

45~55

40Cr

调质

735

241~286

表面淬火

48~55

38SiMnA1A

调质

890

229

氮化

HV>850

低碳合金钢

20Cr

渗碳淬火

637

56~62

20CrMnTi

渗碳淬火

1079

56~62

铸钢

ZG310~570

正火

570

162~197

ZG340~640

正火

640

179~207

调质

700

241~269

灰铸铁

HT300

250

182~273

HT350

290

157~236

球墨铸铁

QT500—7

正火

500

170~230

QT600—3

正火

600

190~270

非金属材料

夹布胶木

100

25~35

常用精度等级的齿轮加工方法及其应用范围表-5

齿轮的精度等级

6级（高精度）

7级（较高精度）

8级（普通）

9级（低精度）

加工方法

用范成法在精密机床上精磨或精剃

用范成法在精密机床上精插或精滚，对淬火齿轮需磨齿或研齿等

用范成法插齿或滚齿

用范成法或仿形法粗滚或型铣

齿面粗糙度Ra/μm

≤0.80~1.60

≤1.60~3.2

≤3.2~6.3

≤6.3

用途

用于分度机构或高速重载的齿轮，如机床、精密仪器、汽车、船舶、飞机中的重要齿轮

用于高、中速重载的齿轮，如机床、汽车、内燃机中的较重要齿轮、标准系列减速器中的齿轮

一般机械中的齿轮，不属于分度系统的机床齿轮，纺织机械、农业机械中的重要齿轮

轻载传动的不重要齿轮，或低速传动、对精度要求低的齿轮

圆周速度v/m·s-1

圆柱齿轮

直齿

≤15

≤10

≤5

≤3

斜齿

≤25

≤17

≤10

≤3.5

圆锥齿轮

直齿

≤9

≤6

≤3

≤2.5

设计某机床中的一对斜齿轮圆柱齿轮传动。

已知小齿轮传递功率

P1=22kw，转速n1=970r/min，传动比i=3.5，原动机为Y系列电动机，工作中有中等冲击，单项传动，齿轮相对于轴承非对称布置并靠近轴承，要求结构紧凑。

解：

由于传递功率较大，转速较高，载荷有中等冲击，又要求结构紧凑，故应采用硬齿面齿轮传动。

选择齿轮材料，并确定许用应力

大小齿轮都采用20CrMnTi，渗碳淬火，齿面硬度60HRC。

根据齿轮弯曲疲劳极限，确定许用应力：

σHlim1=σHlim2=1500MPa

σHlim1=σHlim2=460MPa

[σH]=0.9σHlim1=0.9×1500=1350MPa

[σF]=1.4σHlim1=1.4×460=644MPa

选择齿轮传动的精度等级和设计参数

由于是机床中用的非分度系统齿轮传动，参考表5选择8级精度，要求齿面粗糙度Ra≤3.2~6.3μm，磨齿。

取小齿轮齿数z1=17，则z2=iz1=3.5×17=59.5，取大齿轮齿数z2=60.齿数比（即实际传动比）为

U=z2/z1=60/17=3.53

由于传动比相对误差∣u-i/i∣×100％=∣3.53×3.5/3.5∣×100％=

0.86％<3％<5％，所以齿数选择合理。

参考表3选齿宽系数φd=0.45（齿轮相对于轴承为非对称布置）。

初选螺旋角β=10°，选取计算系数Am=12.4和Ad=756。

按齿轮弯曲强度计算模数

按公式计算小齿轮传递的转矩

T1=9550P1/n1=9550×22/970=216.6N·m

按公式计算当量齿数

zv1=z1/cos³10°β=17/cos³10°=17.8mm

zv2=z2/cos³10°β=60/cos³10°=62.8mm

复合齿形系数YFS1=4.49（插入法），YFS2=3.88。

根据中等冲击载荷、轴承对称布置和轴的刚度较大，取载荷系数K=1.4。

按公式计算模数（由于[σF]1=[σF]2,而YFS1>YFS2，故将YFS1带入计算）

mn≥Am√##############

取标准值mn=4mm（第一系列）。

协调设计参数

计算中心距

a=mn（z1+z2）/2cosβ=4×（17+60）/2cos10°=156.4mm

取a=158mm。

则螺旋角为

β=arccosmn（z1+z2）/2a=arccos4×（17+60）/2×158=12.920°

β在8°~25°的范围内，所选的计算系数Am和Ad合理。

计算主要几何尺寸

齿轮分度圆直径为

齿宽为b=

圆整后取b2=32慢慢，b1=38mm（为了便于安装，通常取小齿轮的宽度比大齿轮大5~10mm）。

校核齿面接触强度