机械工程基础第11章 齿轮传动.ppt

第11章 齿轮传动 11.1 齿轮常见的失效形式与齿轮的材料 11.2 圆柱齿轮公差与齿轮精度的设计 11.3 圆柱齿轮的传动设计 11.4 直齿圆锥齿轮的传动设计 11.5 蜗杆传动设计 11.6 齿轮的结构与齿轮的润滑 思考与练习 11.1 齿轮常见的失效形式与齿轮的材料 11.1.1 齿轮轮齿的失效形式 1. 轮齿折断 从形态看, 轮齿折断有整体折断和局部折断两种形式。 整体折断一般发生在齿根, 这是因为轮齿相当于一个悬臂梁, 受载后轮齿根部产生的弯曲应力最大, 而且是交变应力。 当齿轮单侧受载时, 应力呈脉动循环变化； 当齿轮双侧受载时, 应力呈对称循环变化。 轮齿在周期变化的弯曲应力作用下, 齿根过渡部分常存在应力集中, 当应力值超过材料的弯曲疲劳极限时, 齿根处产生疲劳裂纹, 裂纹逐渐扩展, 致使轮齿整体折断, 这种折断称为疲劳折断, 如图11 - 1(a)所示。 局部折断通常发生于轮齿的一端, 这是由于载荷集中造成的。 直齿轮轮齿工作时, 当宽度过大、 制造安装不良或轴的变形过大时, 载荷集中于轮齿的一端, 致使局部受载过大而发生局部折断。 斜齿轮工作时, 轮齿工作面上的接触线为一斜线, 轮齿受载后如遇载荷集中也会发生轮齿的局部折断。 这种由于短时突然过载而引起的轮齿折断称为过载折断,如图11 - 1(b)所示。 一般地说, 为防止轮齿折断, 首先应对轮齿进行抗弯疲劳强度计算, 使齿轮必须具有足够的模数； 其次采用增大齿根过渡圆角半径、 降低表面粗糙度、 进行齿面强化处理(如喷丸)、 减轻加工过程中的损伤等工艺措施, 有利于提高轮齿抗疲劳折断的能力； 再次, 尽可能消除载荷的分布不均匀现象, 可有效避免轮齿的局部折断。 2. 齿面点蚀 轮齿工作时, 齿面接触处产生很大的接触应力, 脱离啮合后接触应力消失, 对齿面某一固定点来说它受到的接触应力是周期变化的脉动循环应力。 当这种接触应力超过了轮齿材料的接触疲劳极限时, 齿面产生裂纹, 裂纹扩展致使表层金属微粒脱落,形成一些浅坑(小麻点), 这种现象称为齿面点蚀, 如图11 - 2所示。 齿面点蚀通常出现在润滑良好的闭式齿轮传动中。 实践表明, 点蚀的部位发生在轮齿齿面节线附近靠齿根的一侧, 这是由于该处通常只有一对轮齿啮合, 接触应力较高, 轮齿间相对滑动速度小, 润滑油膜不易形成的缘故。 为防止齿面过早点蚀, 可采用提高齿面硬度, 降低齿面粗糙度, 使用粘度较高的润滑油等措施。 一般在闭式软齿面齿轮设计时, 应按齿面接触疲劳强度进行设计计算。 3. 齿面磨损 轮齿在啮合过程中存在相对滑动, 致使齿面间产生摩擦、 磨损。 当金属微粒、 砂粒、 灰尘等硬质磨粒进入轮齿间时引起磨粒磨损, 如图11 - 3所示。 齿面磨损使渐开线齿廓破坏, 齿厚减薄, 致使侧隙增大而引起冲击和振动。 而且还会因齿厚减薄使强度降低而导致轮齿折断。 ? 闭式齿轮传动中, 只要经常注意润滑油的更换和清洁, 一般不会发生磨粒磨损。 而开式齿轮传动中, 由于磨损速度较快, 通常齿面还来不及达到点蚀的程度, 其表层材料就已被磨粒, 引起磨粒磨损, 因此点蚀现象一般不会发生。 4. 齿面胶合 在高速重载齿轮传动中, 由于轮齿齿面受到很大的压力, 润滑油膜容易破裂； 而在低速重载齿轮传动中, 齿面润滑油膜不易形成,这些都会造成轮齿啮合区局部相互接触的齿面发生高温粘连或是压力粘连。 同时齿廓间存在相对滑动, 致使齿面金属被撕落下来, 在齿面沿滑动方向出现条状伤痕, 这称为胶合, 如图11 - 4所示。 5. 塑性变形 重载时, 在摩擦力作用下, 轮齿表层材料将沿着摩擦力方向发生塑性流动, 导致主动齿轮齿面节线处出现凹坑, 从动齿轮齿面节线处出现凸脊, 此称为齿面塑性变形, 如图11 - 5所示。 齿面塑性变形使齿形被破坏, 直接影响齿轮的正常啮合。 为防止齿面的塑性变形, 可采用提高齿面硬度, 选用粘度较高的润滑油等措施。 11.1.2 齿轮的设计准则 1. 闭式传动 闭式传动的主要失效形式为齿面点蚀和轮齿的弯曲疲劳折断。 当采用软齿面(硬度≤350 HBS)时, 其齿面接触疲劳强度相对较低, 因此设计时首先按齿面