直齿圆柱齿轮强度设计.ppt

第 16 章 齿轮传动 16．7 直齿圆柱齿轮强度设计 轮齿折断 轮齿折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。 若轮齿单侧工作时，根部弯曲应力按脉动循环变化。若轮齿双侧工作时，则弯曲应力按对称循环变化。 齿面点蚀 轮齿工作时，其工作表面上任一点所产生的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，齿面表层就会发生疲劳点蚀。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。 齿面胶合 在高速重载的齿轮传动中，常因啮合处的高压接触使温升过高，破坏了齿面的润滑油膜，造成润滑失效，致使两齿轮齿面金属直接接触，以致局部金属粘结在一起。随着传动过程的继续，较硬金属齿面将较软的金属表层沿滑动方向撕划出沟槽，这种现象称为齿面胶合。 齿面胶合是较严重的粘着磨损。对于低速重载传动，由于油膜不易形成，也可能发生胶合失效。 提高齿面硬度、降低粗糙度值；选用抗胶合性能好的齿轮副材料和用抗胶合能力强的润滑油；减小模数、降低齿数以降低滑动速度等，均可防止或减轻轮齿的胶合。 齿面磨损 在开式传动中，由于轮齿外露，灰尘、硬屑粒等磨粒性物质容易进入啮合区，引起磨粒磨损。齿面磨损后，正确齿形遭到破坏，齿侧间隙增大，齿厚减薄，引起冲击和振动，最终导致轮齿因强度不够而折断。 齿面塑性变形 软齿面齿轮在低速重载或有短时过载的传动中，由于摩擦力的作用可能出现齿面表层金属沿滑动方向流动而发生塑性变形。齿面发生塑性变形后，主动轮齿廓在节线附近出现凹坑，而从动轮齿廓在节线附近出现凸起，从而破坏了正确的齿形，降低了传动质量。 2设计准则 齿轮在具体的工作情况下，必须具有足够的、相应的工作能力，以保证在整个工作寿命期间内不发生失效。齿轮传动的设计准则是根据齿轮可能出现的失效形式来进行的，但是对于齿面磨损、塑性变形等，尚未形成相应的设计准则，所以目前在齿轮传动设计中，通常只按保证齿根弯曲疲劳强度和齿面接触疲劳强度进行计算。而对于高速重载齿轮传动，还要按保证齿面抗胶合能力的准则进行计算 由工程实际得知，在闭式齿轮传动中，对于软齿面（HBS≤350）齿轮，按接触疲劳强度进行设计，弯曲疲劳强度校核；而对于硬齿面（HBS＞350）齿轮，按弯曲疲劳强度进行设计，接触疲劳强度校核。开式（半开式）齿轮传动，按弯曲疲劳强度进行设计，不必校核齿面接触疲劳强度。 3齿轮材料 齿轮材料应具有的基本要求： 轮齿表层应有较高的硬度和良好的耐磨性能。 轮齿芯部应有足够的强度和韧性，使齿根具有良好的弯曲强度和抗冲击能力。 应有良好的加工工艺性能及热处理性能，使之易于达到所需的加工精度及机械性能的要求。 常用的齿轮材料有锻钢、铸钢、铸铁。在某些情况下也选用工程塑料等非金属材料。 齿轮常用的热处理方法有： 表面淬火 表面淬火一般用于中碳钢和中碳合金钢。 表面淬火后轮齿变形不大，可不磨齿，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。 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。 渗碳淬火后齿面硬度可达56～62HRC，齿面接触强度高，耐磨性好，而齿芯都仍保持有较高的韧性，常用于受冲击载荷的重要齿轮传动。通常渗碳淬火后要磨齿。 调质 调质一般用于中碳钢和中碳合金钢。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。 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。 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。 其中，调质和正火处理后的齿面硬度较低，为软齿面；其他三种处理后的齿面硬度较高，为硬齿面。 当大小齿轮都是软齿面时，考虑到小齿的齿根较薄，弯曲强度较低，且受载次数较多，故在选择材料和热处理时，一般使小齿轮齿面硬度比大齿轮高20～50HBS。 当大小齿轮都是硬齿面时，小齿轮的硬度应略高，也可和大齿轮相等。 齿轮传动的精度 制造和安装齿轮传动装置时，不可避免地会产生误差。误差对传动带来以下三方面的影响： 相啮合齿轮在一转范围内实际转角与理论转角不一致，即影响传递运动的准确性。 瞬时传动比不能保持恒定不变，齿轮在一转范围内会出现多次重复的转速波动，特别在高速传动中将引起振动、冲击和噪声，即影响传动的平稳性。 齿向误差能使齿轮上的载荷分布不均匀，