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1、精 密 机 械 设 计,南京信息工程大学,齿轮机构及其设计,内 容 提 示,齿轮传动的失效形式及设计准则齿轮材料及其热处理工艺直齿圆柱齿轮传动计算载荷与受力分析齿面接触疲劳强度计算齿根弯曲疲劳强度计算,8-1 齿轮传动的失效形式及设计准则,1、轮齿折断,齿轮传动的失效主要发生在轮齿部分，其常见失效形式有：轮齿折断、齿面点蚀、齿面磨损、齿面胶合和塑性变形等五种,轮齿在工作过程中，齿根部受较大的交变弯曲应力，并且齿根圆角及切削刀痕产生应力集中。当齿根弯曲应力超过材料的弯曲疲劳极限时，轮齿在受拉一侧将产生疲劳裂纹，随着裂纹的逐渐扩展，导致轮齿疲劳折断。,局部折断和整体折断,8-1 齿轮传动的失效形式
2、及设计准则,d一定时，z，m，增加齿厚，提高抗弯强度；增大齿根过渡圆角半径；提高齿轮制造精度和安装精度；采用表面强化处理（如喷丸、碾压）等；都可以提高轮齿的抗折断能力。,措施:,8-1 齿轮传动的失效形式及设计准则,2、齿面点蚀,齿面接触疲劳磨损,齿轮工作时，在循环变化的接触应力、齿面摩擦力及润滑剂的反复作用下，轮齿表面或次表层出现疲劳裂纹，裂纹逐渐扩展，导致齿面金属剥落形成麻点状凹坑。,齿面疲劳点蚀首先出现在齿面节线偏齿根侧。这是因为节线附近齿面相对滑动速度小，油膜不宜形成，摩擦力较大；且节线处同时参与啮合的轮齿对数少，接触应力大。点蚀的发展，会产生振动和噪声，以至不能正常工作而失效。,8-
3、1 齿轮传动的失效形式及设计准则,提高齿面硬度，降低齿面粗糙度值，合理选择润滑油的粘度及采用正变位齿轮传动等,点蚀实例,措施:,8-1 齿轮传动的失效形式及设计准则,3、齿面磨损,由于粗糙齿面的摩擦或有砂粒、金属屑等磨料落入齿面之间，都会引起齿面磨损。磨损引起齿廓变形和齿厚减薄，产生振动和噪声，甚至因轮齿过薄而断裂失效。,磨损是开式齿轮传动的主要失效形式。采用闭式齿轮传动，提高齿面硬度，降低齿面粗糙度值，注意保持润滑油清洁等，都有利于减轻齿面磨损,措施:,8-1 齿轮传动的失效形式及设计准则,4、齿面胶合,高速重载齿轮传动，因齿面间压力大、相对滑动速度大，在啮合处摩擦发热多，产生瞬间高温，使油
4、膜破裂，造成齿面金属直接接触并相互粘着，而后随齿面相对运动，又将粘接金属撕落，使齿面形成条状沟痕，产生齿面热胶合。低速重载齿轮传动（v4m/s ），由于啮合处局部压力很高齿，使油膜破裂而粘着，产生齿面冷胶合。齿面胶合会引起振动和噪声，导致失效。,采用正变位齿轮、减小模数及降低齿高以减小滑动速度，提高齿面硬度，降低齿面粗糙度值，采用抗胶合能力强的齿轮材料，在润滑油中加入极压添加剂,措施:,8-1 齿轮传动的失效形式及设计准则,5、齿面塑性变形,用较软齿面材料制造的齿轮，在承受重载的传动中，由于摩擦力的作用，齿面表层材料沿摩擦力的方向发生塑性变形。主动轮齿面节线处产生凹坑，从动轮齿面节线处产生凸起
5、。提高齿面硬度和润滑油粘度，可以减轻或防止齿面塑性变形的产生。,8-1 齿轮传动的失效形式及设计准则,设计齿轮传动时，应根据实际工况条件，分析主要失效形式，确定相应的设计准则，进行设计计算。,对于闭式齿轮传动，主要失效形式是齿面疲劳点蚀、弯曲疲劳折断及胶合。目前一般齿轮传动，只按齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度两准则进行设计计算。对于高速大功率的齿轮传动，还应按齿面抗胶合能力的准则进行计算。,开式齿轮传动的主要失效形式是磨损及弯曲疲劳折断，目前对磨损尚无成熟的设计计算方法，故通常按齿根弯曲疲劳强度进行设计计算，并将模数增大10%-20%，以考虑磨损的影响。,8-2 齿轮材料及其热处理工艺,齿
6、轮材料对齿轮的承载能力和结构尺寸影响很大，合理选择齿轮材料是设计重要内容之一。选择齿轮材料应考虑如下要求：齿面应有足够的硬度，保证齿面抗点蚀、抗磨损、抗胶合和抗塑性变形的能力；轮齿芯部应有足够的强度和韧性，保证齿根抗弯曲能力；此外，还应具有良好的机械加工和热处理工艺性；以及经济性等要求。,8-2 齿轮材料及其热处理工艺,制造齿轮材料以锻钢（包括轧制钢材）为主，其次是铸钢、铸铁，还有有色金属和非金属材料等。,钢制软齿面齿轮要求小齿轮硬度大于大齿轮30-50 HBS,原因：1）小齿轮齿根强度较弱,2）小齿轮的应力循环次数较多,3)当大小齿轮有较大硬度差时，较硬的小齿轮会对较软的大齿轮齿面产生冷作硬
7、化的作用，可提高大齿轮的接触疲劳强度,8-3 直齿圆柱齿轮传动计算载荷与受力分析,转矩T1由主动齿轮传给从动齿轮。忽略齿面间的摩擦力，轮齿间法向力Fn的方向始终沿啮合线。法向力Fn在节点处可分解为两个相互垂直的分力：切于分度圆的圆周力Ft和沿半径方向的径向力Fr。,8-3 直齿圆柱齿轮传动计算载荷与受力分析,名义载荷Fn是用齿轮传递的名义转矩求得的载荷,计算载荷由于载荷沿接触线不是均匀分布的，在某些地方大于、某些地方小于名义载荷，造成所谓载荷集中。常用载荷集中系数表示。由于齿轮制造不精确，致使转动不平稳，引起附加的动载荷，常用动载荷系数表示其影响。在计算齿轮传动的强度时，用载荷系数对名义载荷进
8、行修正，名义载荷与载荷系数的乘积称为计算载荷。,Kv-动载荷系数K-载荷集中系数,8-3 直齿圆柱齿轮传动计算载荷与受力分析,动载荷系数Kv,考虑齿轮副自身啮合误差引起的内部附加动载荷的影响系数。,齿轮制造产生的基节误差和齿形误差；在啮合传动中，同时参加啮合轮齿的对数及位置在循环变化，轮齿啮合刚度也随之变化；轮齿受载变形；齿轮支承件的弹性变形等,8-3 直齿圆柱齿轮传动计算载荷与受力分析,载荷集中系数K,考虑沿齿宽方向载荷分布不均匀对齿轮强度影响的系数,主要是由于齿轮的制造和安装误差；轮齿、轴系部件和箱体的变形；齿宽及齿面硬度等,8-4 齿面接触疲劳强度计算,接触应力,8-4 齿面接触疲劳强度计算,8-4 齿面接触疲劳强度计算,其中,8-4 齿面接触疲劳强度计算,注意: 在进行齿面接触强度计算时，应代入较小的值进行计算,8-5 齿根弯曲疲劳强度计算,8-5 齿根弯曲疲劳强度计算,8-5 齿根弯曲疲劳强度计算,其中,8-5 齿根弯曲疲劳强度计算,注意: 在按弯曲强度计算模数时，应按两轮中 值较大者计算,