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机械设计基础武汉理工大学物流工程学院机械设计与制造系罗齐汉qhluo@mail.whut.edu.cn2007年4月FoundationofMachineDesign第5章齿轮传动概述齿廓啮合基本定律渐开线及渐开线齿廓标准直齿圆柱齿轮各部分名称及几何尺寸计算渐开线标准直齿圆柱齿轮的啮合传动齿轮的切齿原理及变位齿轮简介齿轮传动的损伤形式及计算准则直齿圆柱齿轮传动的受力分析与计算载荷直齿圆柱齿轮传动的强度计算斜齿圆柱齿轮传动的设计特点§5-7齿轮传动的损伤形式及计算准则齿轮的失效主要表现为轮齿的失效，轮齿的失效形式主要有以下五种：1.轮齿拆断2.齿面点蚀3.齿面胶合4.齿面磨损5.齿面塑性变形必须注意，并非所有齿轮都同时存在上述五种失效，在一般工作条件下，闭式传动最有可能发生的失效是疲劳点蚀和弯曲疲劳断裂；开式传动齿轮最可能发生的失效形式是磨损；重载且润滑不良的情况下，才有可能发生胶合和齿面塑性变形失效。齿轮的工作情况主动被动相对滑动速度齿轮的工作情况主动被动相对滚动方向相对滑动方向1.轮齿拆断轮齿因短时意外的严重过载而引起的突然折断，称为过载折断。用淬火钢或铸铁制成的齿轮，容易发生这种折断。在载荷的多次重复作用下，弯曲应力超过弯曲疲劳极限时，齿根部分将产生疲劳裂纹，裂纹的逐渐扩展，最终将引起轮齿折断，这种折断称为疲劳折断。若轮齿单侧工作时，根部弯曲应力一侧为拉伸，另一侧为压缩，轮齿脱离啮合时，弯曲应力为零，因此就任一侧而言，其应力都是按脉动循环变化。若轮齿双侧工作时，则弯曲应力按对称循环变化。Fn轮齿拆断一般发生在齿根部分，因为轮齿受力时齿根弯曲应力最大，而且有应力集中。采取措施材料及热处理增大模数增大齿根圆角半径消除刀痕：喷丸、滚压处理；增大轴及支承刚度。折断发生在齿根处原因齿根弯曲应力大齿根应力集中2.齿面点蚀齿轮工作时，其工作表面上任一点所产生的接触应力系由零(该点未进入啮合时)增加到一最大值(该点啮合时)，即齿面接触应力是按脉动循环变化的。若齿面接触应力超出材料的接触疲劳极限时，在载荷的多次重复作用下，齿面表层就会产生细微的疲劳裂纹，裂纹的蔓延扩展使金属微粒剥落下来而形成疲劳点蚀，使轮齿啮合情况恶化而报废。理论和实践都证明，疲劳点蚀首先出现在齿根表面靠近节线处。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。软齿面(HBS≤350)的闭式齿轮传动常因齿面点蚀而失效。在开式传动中，由于齿面磨损较快，点蚀还来不及出现或扩展即被磨掉，所以一般看不到点蚀现象。形成原因轮齿在节圆附近一对齿受力，载荷大；滑动速度低形成油膜条件差；接触疲劳产生麻点。采取措施：提高材料的硬度；加强润滑，提高油的粘度3.齿面胶合在高速重载传动中，常因啮合区温度升高而引起润滑失效，致使两齿面金属直接接触并相互粘连，当两齿面相对运动时，较软的齿面沿滑动方向被撕下而形成沟纹，这种现象称为齿面胶合。在低速重载传动中，由于齿面间的润滑油膜不易形成也可能产生胶合破坏。提高齿面硬度和减小粗糙度值能增强抗胶合能力，对于低速传动采用粘度较大的润滑油；对于高速传动采用含抗胶合添加剂的润滑油也很有效。原因：高速重载；散热不良；滑动速度大；齿面粘连后撕脱采取措施：减小模数，降低齿高；抗胶合能力强的润滑油；材料的硬度及配对4.齿面磨损齿面磨损通常有磨粒磨损和跑合磨损两种。由于灰尘、硬屑粒等进入齿面间而引起的磨粒磨损，在开式传动中是难以避免的。齿面过度磨损后，齿廓显著变形，常导致严重噪声和振动，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防止或减轻这种磨损。新的齿轮副，由于加工后表面具有一定的粗糙度，受载时实际上只有部分峰顶接触。接触处压强很高，因而在开始运转期间，磨损速度和磨损量都较大，磨损到一定程度后，磨擦面逐渐光滑，压强减小、磨损速度缓慢，这种磨损称为跑合。人们有意的使新齿轮副在轻载下进行跑合，可为随后的正常磨损创造有利条件。但应注意，跑合结束后，必须清洗和更换润滑油。主动被动5.齿面塑性变形在重载下，较软的齿面上可能产生局部的塑性变形，使齿廓失去正确的齿形。这种损坏常在过载严重和起动频繁的传动中遇到。原因：重载，齿面软措施：提高材料的硬度，减小接触应力，改善润滑被动相对滑动方向主动齿轮传动的计算准则针对齿轮不同的失效形式制定相应的设计准则。闭式软齿面齿轮（≤350HBS）主要失效形式是齿面疲劳点蚀，也可能发生轮齿折断及其他失效形式，故应按接触疲劳强度的设计公式确定主要尺寸，然后校核弯曲疲劳强度。闭式硬齿面齿轮（＞350HBS）主要失效形式是轮齿折断，也可能发生齿面疲劳点蚀及其他失效形式，故应按弯曲疲劳强度的设计公式确定主要尺寸，然后校核接触疲劳强度。开式齿轮传动其主要失效形式是齿面磨损，但往往又因轮齿磨薄后而发生折断，而磨损计算尚无可靠的计算方法，故目前多按轮齿齿根弯曲疲劳强度设计，用适当降低许用应力的方法考虑磨损的影响。§5-8齿轮材料及热处理齿轮材料的选择基本要求齿面要硬齿心要韧1.功能要求：功率、可靠度、质量、环境2.工艺要求：毛坯选择；热处理方式3.硬度选择：*软齿面硬度350HBS；*软齿面齿轮HBS1-HBS230～50*避免胶合的合适配对：软—软；软—硬；软—铁；硬—硬。常用齿轮材料调质钢45、锻钢渗碳钢40Cr、钢氮化钢20CrMnTi金属铸钢ZG310-570铸铁HT250、QT500-5非金属：夹布塑胶尼龙常用的齿轮材料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。齿轮毛坯一般多采用锻件或轧制钢材，当齿轮较大(例如直径大于400mm～600mm)而轮坯不易锻造时，可采用铸钢；开式低速传动可采用灰铸铁；球墨铸铁有时可代替铸钢。齿轮常用材料及机械性能参见课本P77表5-4类别牌号热处理硬度（HBS或HRC）优质碳素钢35正火150～180HBS调质180～210HBS表面淬火40～45HRC45正火170～210HBS调质210～230HBS表面淬火43～48HRC50正火180～220HBS合金结构钢40Cr调质240～285HBS表面淬火52～56HRC35SiMn调质220～260HBS表面淬火40～45HRC40MnB调质240～280HBS20Cr渗碳淬火回火56～62HRC20CrMnTi渗碳淬火回火56～62HRC38CrMoAlA渗氮60HRC铸钢ZG270-500正火140～170HBSZG310-570正火160～200HBSZG340-640正火180～220HBSZG35SiMn正火160～220HBS调质200～250HBS灰铸铁HT200170～230HBSHT300187～255HBS球墨铸铁QT500-5147～241HBSQT600-2229～302HBS金属热处理、表面处理概念热处理是一种改善金属材料及其制品(如机械零件、工具等)性能的一种工艺。根据不同的目的，将材料及其制品加热到适当的温度(通常为相变温度)，保温，然后用不同的方法冷却，改善其内部组织(有时仅使其表面组织或表面成分改变)，以获得所要求的性能。淬火与表面淬火淬火：将钢件加热到相变温度以上某一温度，保温一段时间，然后在水、盐水或油中快速冷却，使其得到高硬度。用来提高钢的硬度和强度极限。因淬火会引起内应力使钢变脆，故淬火后应作回火处理。注意：低碳钢不能通过淬火来提高硬度。表面淬火：用火焰或高频电流将零件表面迅速加热至相变温度以上，然后快速冷却。用来使零件表面硬、芯部韧，从而使零件既耐磨又能承受冲击载荷。表面淬火常用来处理齿轮等。调质与正火调质：淬火后在(450～650)℃进行高温回火。用来使钢获得较高的综合机械性能（强度、硬度、韧性适中），重要的齿轮、轴等零件必须经过调质处理。正火：将钢件加热到相变温度以上（30～50）℃，保温一段时间然后在空气中冷却，冷却速度比退火快。常用来处理低碳和中碳结构钢及渗碳零件，使其组织细化，增加韧性，减小内应力，改善切削性能。回火与渗碳淬火回火：将淬火处理过的钢件加热到相变温度以下的某一温度，保温一段时间，然后冷却到室温。用来消除淬火后的脆性和内应力，提高钢的塑性和冲击韧性。渗碳淬火：在渗碳剂中将钢件加热到(900～950)℃，保温一段时间，使碳渗入钢的表层(深度约为0.5～２mm)，再淬火。用来提高钢件的耐磨性、表面强度、抗拉强度及疲劳极限。适用于低碳、中碳(C＜0.40%)结构钢的中小型零件。退火与时效退火：将钢件加热到适当温度，保温一段时间然后缓慢冷却(一般随炉冷却)。用来消除铸造、锻造、焊接零件的内应力，降低硬度，便于切削加工，细化金属晶粒，改善组织，增加韧性。时效：低温回火后，精加工之前，加热到（100～160）℃，保温（10～40）小时。对铸件也可采用天然时效(将铸件露天存放一年以上)。用来消除工件的内应力，稳定形状，常用于量具、精密丝杠、床身导轨、床身等。氮化与氰化氮化：在通入氨的炉子内将钢件加热到(500～600)℃，使氮原子渗入钢的表层(深度约为0.025～0.8mm)。氮化时间一般需(40～50)小时。用来提高钢件的耐磨性、表面强度、疲劳强度和抗蚀能力。适用于合金钢、碳钢、铸铁件等，如机床主轴、丝杠以及在潮湿、碱水和燃烧气体介质的环境中工作的零件。氰化：在(820～860)℃的炉内通入碳和氮，保温(1～2)小时，使钢件的表面同时渗入碳、氮原子，可得到(0.2～0.5)mm厚的氰化层。用来提高钢件耐磨性、表面强度、疲劳强度和耐蚀性能。用于要求硬度大、耐磨的中小型及薄片零件和刀具等。发蓝、发黑发蓝、发黑：将工件放在很浓的碱和氧化剂中加热氧化，使其表面形成一层致密、坚硬的过氧化物薄膜，从而提高耐磨、防腐蚀能力，美化零件外观。用于一般联接的标准件和其它电子类零件。硬度材料抵抗硬物体压入其表面的能力称为“硬度”。根据测定方法的不同分为布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HRC)和维氏硬度(HV)。其中：布氏硬度用于退火、正火、调质零件及铸件的硬度检验；洛氏硬度用于经淬火、渗碳淬火并回火，渗氮处理零件的硬度检验；维氏硬度用于薄层硬化零件的硬度检验。硬度是材料经热处理后机械性能的重要指标之一。齿轮常用的热处理方法1．调质调质一般用于中碳钢和中碳合金钢。例如45钢，40Cr、35SiMn等。调质处理后齿面硬度一般为220～260HBS。因硬度不高，故可在热处理以后精切齿形，且在使用中易于跑合。2．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。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。3．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，例如20钢，20Cr等。渗碳淬火后齿面硬度可达56～62HRC，齿面接触强度高耐磨性好，而齿芯部仍保持有较高的韧性，常用于受冲击载荷的重要齿轮传动。通常渗碳淬火后变形较大，需要磨齿。4．表面淬火表面淬火一般用于中碳钢和中碳合金钢，例如45钢、40Cr等。表面淬火后轮齿变形不大，可在不磨齿的情况下达到7级精度，齿面硬度可达52～56HRC。由于齿面接触强度高，耐磨性好，而齿芯部未淬硬仍有较高的韧性，故能承受一定的冲击载荷。表面淬火的方法有高频淬火和火焰淬火等。5．渗氮渗氮是一种化学热处理。渗氮后不再进行其他热处理，齿面硬度可达60～62HRC。因氮化处理温度低，齿的变形小，因此适用于难以磨齿的场合(例如内齿轮)。氮化层一般不厚且较脆，故不宜用于有冲击的场合。常用的渗氮钢为38CrMoAlA。注意上述五种热处理中，调质和正火后的齿面硬度较低(HBS≤350)，为软齿面齿轮；其他三种的齿面硬度较高，为硬齿面齿轮。软齿面工艺过程较简单，适用于一般传动。当大小齿轮都是软齿面时，考虑到小齿轮齿根较薄，且受载次数较多，弯曲强度较低，一般应使小齿轮齿面硬度比大齿轮高20～50HBS。硬齿面齿轮承载能力高，但需专门设备磨齿，常用于要求结构紧凑或生产批量大的齿轮。§5-9直齿圆柱齿轮传动的受力分析与计算载荷一．轮齿上的