齿轮传动设计中几项工作概要.doc

齿轮传动设计中几项工作概要1 齿轮的精度选择 渐开线圆柱齿轮精度标准（GB/T10095.1）规定齿轮共有13个精度等级，用数字012由高到低依次排列。齿轮精度等级选择，应据传动用途、使用条件、圆周速度、传动功率及性能指标等要求确定，如表9.8所示。 2 齿轮传动的失效形式 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。齿轮其他部分（如齿圈、轮辐、轮毂等）失效很少发生，通常按经验设计。 1. 轮齿折断 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。齿宽较小的直齿轮常发生整齿折断。齿宽较大的直齿轮，因制造装配误差易产生载荷偏置一端，导致局部折断。斜齿轮及人字齿轮的接触线是倾斜的，也容易产生局部折断。轮齿受到短期过载或冲击载荷的作用，会发生过载折断。 采用正变位齿轮，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。 2 齿面点蚀 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，这种现象称为齿面疲劳点蚀。 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。 软齿面（350HBS）的新齿轮，开始会出现少量点蚀，但随着齿面的跑合，点蚀可能不再继续扩展，这种点蚀称为收敛性点蚀。硬齿面（>350HBS）齿轮，不会出现局限性点蚀，一旦出现点蚀就会继续发展，称为扩展性点蚀。 对于润滑良好的闭式齿轮传动，点蚀是主要失效形式。而在开式传动中，由于齿面磨损较快，一般不会出现点蚀。 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，都可以提高齿面抗点蚀能力。 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。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。 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等，都可以提高抗胶合能力。 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。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。 3 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。 4 齿轮材料及热处理 1. 齿轮材料选择的要求 齿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。 2. 常用齿轮材料及热处理 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。 （1） 锻钢 制造齿轮的锻钢中以合金钢最为常用，不重要的齿轮采用碳钢。锻钢按热处理方法可分为两类。 1）调质齿轮用钢 常用材料有40Cr、42SiMn、35CrMo、40CrNiMo、30CrNi3及45号碳钢等。一般经调质或正火处理后切齿，齿轮精度一般为8级，高精度切齿可达7级，齿面硬度350HBS，称为软齿面齿轮。一对软齿面齿轮啮合，由于小齿轮啮合次数比大齿轮多，小齿轮易磨损，为了使大、小齿轮寿命接近相等，应使小齿轮的齿面硬度比大齿轮高3050HBS。软齿面齿轮用于齿轮尺寸紧凑性和精度要求不高，载荷不大的中低速场合。 2）表面硬化齿轮用钢 齿面硬度350HBS的齿轮称为硬齿面齿轮。轮坯切齿后经表面硬化热处理，形成硬齿面，再经磨齿后精度可达6级以上。与软齿面齿轮相比，硬齿面齿轮大大提高齿轮的承载能力，结构尺寸和重量明显减小，综合经济效益显著提高。我国齿轮制造业已普遍采用合金钢及硬齿面、磨齿、高精度、轮齿修形等工艺方法，生产硬齿面齿轮。常用表面硬化热处理主要有：表面淬火，渗碳淬火，渗氮（氮化），碳氮共渗。 （2） 铸钢 铸钢的力学性能稍低于锻钢。当齿轮尺寸较大而轮坯难以锻造时，可用铸钢，切齿前须经退火、正火及调质处理。 （3） 铸铁 灰铸铁的抗弯及耐冲击能力都很差，但它易铸造、易切削，具有良好的耐磨性和消震性，成本低廉。可用于低速、载荷不大的开式齿轮传动。 球墨铸铁的强度比灰铸铁高得很多，具有良好的韧性和塑性。在冲击不大的情况下，代替钢制齿轮。 （4） 有色金属和非金属材料 有色金属（如铜合金、铝合金）用于有特殊要求的齿轮传动。 非金属材料的使用日益增多，常用有夹布胶木和尼龙等工程塑料，用于低速、轻载、要求低噪声而对精度要求不高的场合。由于非金属材料的导热性差，故需与金属齿轮配对使用，以利于散热。 表9.9列出了常用的齿轮材料及其机械特性。 表9.9 常用齿轮材料及其机械特性