齿轮传动机构设计及强度校核.docx

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齿轮传动机构设计及强度校核

齿轮传动机构设计及强度校核

1、概述

1.优点：

传动效率高；工作可靠、寿命长；传动比准确；结构紧凑；功率和速度适用范围很广。

2.缺点：

制造成本高；精度低时振动和噪声较大；不宜用于轴间距离较大的传动。

3.设计齿轮——设计确定齿轮的主要参数以及结构形式

主要参数有：

模数m、齿数z、螺旋角β以及齿宽b、中心距a、直径（分度圆、齿顶圆、齿根圆）、变位系数、力的大小。

齿轮类型：

—外形及轴线：

—根据装置形式：

开式齿轮：

齿轮完全外露，润滑条件差，易磨损，用于低速简易设备的传动中

闭式齿轮：

齿轮完全封闭，润滑条件好

半开式齿轮有简单的防护罩

—根据齿面硬度（hardness）：

硬度：

金属抵抗其它更硬物体压入其表面的能力；硬度越高，耐磨性越好硬度检测方法：

布氏硬度法（HBS）洛氏硬度法（HRC）

软齿面齿面硬度≤350HBS或≤38HRC

硬齿面齿面硬度＞350HBS或＞38HRC

二．齿轮传动的失效形式和设计准则

齿轮传动的失效形式

1）轮齿折断（Toothbreakage）

疲劳折断

齿根受弯曲应力-初始疲劳裂纹-裂纹不断扩展-轮齿折断

2）过载折断

短时过载或严重冲击，静强度不够

全齿折断—齿宽较小的齿轮

局部折断—斜齿轮或齿宽较大的直齿轮

措施：

增大模数（主要方法）、增大齿根过渡圆角半径、增加刚度（使载荷分布均匀）、采用合适的热处理（增加芯部的韧性）、提高齿面精度、正变位等。

备注：

疲劳折断是闭式硬齿面的主要失效形式！

疲劳折断

产生机理：

齿面受交变的接触应力-齿面受交变的接触应力-润滑油进入裂纹并产生挤压-表层金属剥落-麻点状凹坑

注意：

凹坑先出现在节线附近的齿根表面上，再向其它部位扩展；其形成与润滑油的存在密切相关；常发生于闭式软齿面（HBS≤350）传动中；开式传动中一般不会出现点蚀现象（磨损较快）；

措施：

提高齿面硬度和质量、增大直径（主要方法）等。

3、齿面胶合

产生机理：

高速重载-摩擦热使油膜破裂-齿面金属直接接触并粘接-齿面相对滑动-较软齿面金属沿滑动方向被撕落。

低速重载-不易形成油膜-表面膜被刺破而粘着

现象：

齿面上相对滑动方向形成伤痕

措施：

采用异种金属、降低齿高、提高齿面硬度（配对齿轮采用异种金属时，其抗胶合能力比同种金属强）

4、齿面磨损

磨损后齿廓形状破坏，齿厚减薄是开式传动的主要失效形式

措施：

改善润滑和密封条件。

齿面磨损

5、齿面塑性变形

机理：

若齿面材料较软-且载荷及摩擦力很大-齿面金属会沿摩擦力的方向流动。

现象：

主动轮在节线附近形成凹沟；从动轮则形成凸棱。

措施：

提高齿面硬度，采用油性好的润滑油。

齿面塑性变形

齿轮传动的设计准则（designcriteria）

主要针对轮齿疲劳折断和齿面疲劳点蚀这两种失效形式。

齿轮工作时，要保证足够的齿根弯曲疲劳强度和齿面接触疲劳强度

1、闭式软齿面主要失效：

疲劳点蚀

先按sH≤sHP算出齿轮主要尺寸，再校核sF≤sFP，即按接触疲劳强度设计，按接触疲劳强度设计，校核弯曲疲劳强度

2、闭式硬齿面主要失效：

轮齿折断

先按sF≤sFP算出齿轮的主要尺寸，再校核sH≤sHP,按弯曲疲劳强度设计，校核接触疲劳强度

3、开式齿轮

主要是：

齿面磨损　其次是：

轮齿折断

按弯曲疲劳强度设计，不需校核接触疲劳强度,把模数增大10%左右考虑磨损的影响。

齿轮材料、热处理及精度

一、对齿轮材料性能的要求

齿轮的齿体应有较高的抗折断能力，齿面应有较强的抗点蚀、抗磨损和较高的抗胶合能力，即要求：

齿面硬、芯部韧

三．齿轮材料、热处理及精度

1.对齿轮材料性能的要求

齿轮的齿体应有较高的抗折断能力，齿面应有较强的抗点蚀、抗磨损和较高的抗胶合能力，即要求：

齿面硬、芯部韧

2、常用齿轮材料

钢材韧性好，耐冲击，可通过热处理和化学处理来改善其机械性能，最适于用来制造齿轮。

3、热处理（heattreatment）

软齿面

调质用于中碳或中碳合金钢，如45、40Cr、35SiMn等。

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

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

硬齿面表面淬火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

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

表面氮化一种化学处理方法。

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.

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。

注意：

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:

30~50HBS

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。

4.齿轮传动的精度（accuracy）

GB10095-88将齿轮精度分为三个公差组：

第Ⅰ公差组－反映运动精度，即运动的准确性；第Ⅱ公差组－反映工作平稳性精度；第Ⅲ公差组－反映接触精度，载荷分布的均匀性；第Ⅲ公差组－反映接触精度，载荷分布的均匀性。

常用6～9级，且三个公差组可取不同等级；若3项精度相同，则记为：

8－FL

精度标注示例：

8－8－7－FL

齿轮副的侧隙：

5.直齿圆柱齿轮传动的强度计算

受力分析：

设为标准齿轮，标准中心距安装，力集中作用在齿宽中点，忽略摩擦力。

作用在齿轮间只有一个法向力Fn，其方向不变，始终沿啮合线作用

1）力的大小

将主动轮的Fn在节点C处进行分解：

圆周力

径向力：

法向力：

2）力的方向

圆周力Ft：

沿节点处的圆周方向（即切线方向），其指向：

主动轮上与其转向相反,从动轮上与其转向相同

径向力Fr:

沿半径方向指向各自轮心

3）力的对应关系

圆周力Ft、径向力Fr各自对应

6、计算载荷

名义载荷：

计算载荷：

K：

载荷系数

载荷系数：

K＝KA*Kv*Ka*Kb

①KA—考虑原动机与工作机的工作特性

振动、冲击

KA见表3-1

原动机

工作机械的载荷特性

均    匀

中等冲击

较大冲击

电动机

1.0 ～ 1.2

1.2 ～ 1.6

1.6 ～ 1.8

多缸内燃机

1.2 ～ 1.6

1.6 ～ 1.8

1.9 ～ 2.1

单缸内燃机

1.6 ～ 1.8

1.8 ～ 2.0

2.2 ～ 2.4

②动载系数Kv

考虑齿轮副本身的啮合误差，如制造误差造成两基节不等，齿形误差，轮齿变形等

-附加动载荷

精度↓Kv↑速度↑Kv↑

直齿圆柱齿轮：

Kv＝1.05~1.4；斜齿圆柱齿轮：

Kv＝1.02~1.2

③齿间载荷分配系数Ka

考虑制造误差及轮齿弹性变形，对于同时参与啮合的两对轮齿-载荷分配不等

直齿圆柱齿轮：

Ka=1~1.2；斜齿圆柱齿轮：

Ka=1~1.4

精度高取小值，反之取大值

④齿向载荷分布系数Kb

考虑齿轮非对称布置、轴的变形-载荷集中；轴的弯曲变形：

齿轮随之偏斜，引起偏载

不对称布置时，靠近轴承一侧受载大；悬臂布置时，偏载更严重

轴的扭转变形：

靠近转矩输入端的齿侧变形大，故受载大

轴的弯曲、扭转变形的综合影响：

若齿轮靠近转矩输入端布置，偏载严重；若齿轮远离转矩输入端布置，偏载减小

因此，齿轮在轴承间非对称布置时，齿轮应布置在远离转距输入、输出端！

左方案不合理，右方案合理

齿宽和齿面硬度对偏载的影响：

齿轮越宽、硬度越大，越容易产生偏载

沿齿宽方向修形或做成鼓形齿，可减小偏载

Kβ的取值：

软齿面——取Kβ＝1.0～1.2；

硬齿面——取Kβ＝1.1～1.35；

齿宽较小、对称布置、轴刚度大——Kβ取偏小值