齒輪傳動機構設計及強度校核
小丸子教育集團技術文件第五篇
齒輪傳動機構設計及強度校核
一、概述
1。優點：傳動效率高；工作可靠、壽命長；傳動比準確；結構緊湊；功率和速度適用範圍很廣。
2。缺點： 製造成本高；精度低時振動和噪聲較大；不宜用於軸間距離較大的傳動。
3。設計齒輪——設計確定齒輪的主要引數以及結構形式
主要引數有：模數m、齒數z、螺旋角β以及齒寬b、中心距a、直徑（分度圓、齒頂圓、齒根圓）、變位係數、力的大小。
齒輪型別：
— 外形及軸線：
— 根據裝置形式：
開式齒輪：齒輪完全外露，潤滑條件差，易磨損，用於低速簡易裝置的傳動中
閉式齒輪：齒輪完全封閉，潤滑條件好
半開式齒輪 有簡單的防護罩
— 根據齒面硬度（hardness）：
硬度：金屬抵抗其它更硬物體壓入其表面的能力；硬度越高，耐磨性越好 硬度檢測方法：布氏硬度法（HBS） 洛氏硬度法（HRC）
軟齒面 齒面硬度 ≤ 350HBS 或 ≤ 38HRC
硬齒面 齒面硬度 ＞ 350HBS或 ＞ 38HRC
二．齒輪傳動的失效形式和設計準則
齒輪傳動的失效形式
1）輪齒折斷（Tooth breakage）
疲勞折斷
齒根受彎曲應力-初始疲勞裂紋-裂紋不斷擴充套件-輪齒折斷
2） 過載折斷
短時過載或嚴重衝擊，靜強度不夠
全齒折斷— 齒寬較小的齒輪
區域性折斷— 斜齒輪或齒寬較大的直齒輪
措施：增大模數（主要方法）、增大齒根過渡圓角半徑、增加剛度（使載荷分佈均勻）、採用合適的熱處理（增加芯部的韌性）、提高齒面精度、正變位等。
備註：疲勞折斷是閉式硬齒面的主要失效形式！
疲勞折斷
產生機理：齒面受交變的接觸應力-齒面受交變的接觸應力-潤滑油進入裂紋併產生擠壓-表層金屬剝落-麻點狀凹坑
注意：
凹坑先出現在節線附近的齒根表面上，再向其它部位擴充套件；其形成與潤滑油的存在密切相關；常發生於閉式軟齒面（HBS≤350）傳動中； 開式傳動中一般不會出現點蝕現象（磨損較快）；
措施：提高齒面硬度和質量、增大直徑（主要方法）等 。
3、齒面膠合
產生機理：
高速過載-摩擦熱使油膜破裂-齒面金屬直接接觸並粘接-齒面相對滑動-較軟齒面金屬沿滑動方向被撕落。
低速過載-不易形成油膜-表面膜被刺破而粘著
現象： 齒面上相對滑動方向形成傷痕
措施：採用異種金屬、降低齒高、提高齒面硬度（配對齒輪採用異種金屬時，其抗膠合能力比同種金屬強）
4、齒面磨損
磨損後齒廓形狀破壞，齒厚減薄 是開式傳動的主要失效形式
措施：改善潤滑和密封條件。
齒面磨損
5、齒麵塑性變形
機理： 若齒面材料較軟-且載荷及摩擦力很大-齒面金屬會沿摩擦力的方向流動。
現象：主動輪在節線附近形成凹溝；從動輪則形成凸稜 。
措施：提高齒面硬度，採用油性好的潤滑油。
齒麵塑性變形
齒輪傳動的設計準則（design criteria）
主要針對輪齒疲勞折斷和齒面疲勞點蝕這兩種失效形式。齒輪工作時，要保證足夠的齒根彎曲疲勞強度和齒面接觸疲勞強度
1、閉式軟齒面 主要失效：疲勞點蝕
先按sH≤sHP算出齒輪主要尺寸，再校核sF≤sFP， 即按接觸疲勞強度設計，按接觸疲勞強度設計，校核彎曲疲勞強度
2、閉式硬齒面 主要失效：輪齒折斷
先按sF≤sFP算出齒輪的主要尺寸，再校核sH≤sHP ，按彎曲疲勞強度設計， 校核接觸疲勞強度
3、開式齒輪
主要是：齒面磨損其次是：輪齒折斷
按彎曲疲勞強度設計，不需校核接觸疲勞強度，把模數增大10%左右考慮磨損的影響。齒輪材料、熱處理及精度
一、對齒輪材料效能的要求
齒輪的齒體應有較高的抗折斷能力，齒面應有較強的抗點蝕、抗磨損和較高的抗膠合能力，即要求：齒面硬、芯部韌
三．齒輪材料、熱處理及精度
1。對齒輪材料效能的要求
齒輪的齒體應有較高的抗折斷能力，齒面應有較強的抗點蝕、抗磨損和較高的抗膠合能力，即要求：齒面硬、芯部韌
2、常用齒輪材料
鋼材韌性好，耐衝擊，可透過熱處理和化學處理來改善其機械效能，最適於用來製造齒輪 。
3、熱處理（heat treatment）
軟齒面
調質
用於中碳或中碳合金鋼，如45、40Cr、35SiMn等。因為硬度不高，故可在熱處理後精切齒形，且在使用中易於跑合
正火
能消除內應力、細化晶粒、改善力學效能和切削效能。機械強度要求不高的齒輪可用中碳鋼正火處理。大直徑的齒輪可用鑄鋼正火處理
硬齒面表面淬火
用於中碳鋼和中碳合金鋼，如45、40Cr等。表面淬火後輪齒變形小，可不磨齒，硬度可達52~56HRC，面硬芯軟，能承受一定衝擊載荷
滲碳淬火
滲碳鋼為含碳量0。15 % ~0。25%的低碳鋼和低碳合金鋼，如20、20Cr等。齒面硬度達56~62HRC，齒面接觸強度高，耐磨性好，齒芯韌性高。常用於受衝擊載荷的重要傳動。通常滲碳淬火後要磨齒
表面氮化
一種化學處理方法。滲氮後齒面硬度可達60~62HRC。氮化處理溫度低，輪齒變形小，適用於難以磨齒的場合，如內齒輪。材料為：38CrMoAlA。
特點及應用：
調質、正火處理後的硬度低，HBS ≤ 350，屬軟齒面，工藝簡單、用於一般傳動。
注意：當大小齒輪都是軟齒面時，因小輪齒根薄，彎曲強度低，故在選材和熱處理時，小輪比大輪硬度高： 30~50HBS
表面淬火、滲碳淬火、滲氮處理後齒面硬度高，屬硬齒面。其承載能力高，但一般需要磨齒。常用於結構緊湊的場合。
4。齒輪傳動的精度（accuracy）
GB10095-88將齒輪精度分為三個公差組：
第Ⅰ公差組 － 反映運動精度，即運動的準確性；第Ⅱ公差組 － 反映工作平穩性精度； 第Ⅲ公差組 － 反映接觸精度，載荷分佈的均勻性；第Ⅲ公差組 － 反映接觸精度，載荷分佈的均勻性。
常用6～9級，且三個公差組可取不同等級；若3項精度相同，則記為： 8－FL
精度標註示例：
8－8－7－FL
齒輪副的側隙：
5。直齒圓柱齒輪傳動的強度計算
受力分析：設為標準齒輪，標準中心距安裝，力集中作用在齒寬中點，忽略摩擦力。
作用在齒輪間只有一個法向力Fn，其方向不變 ，始終沿齧合線作用
1）力的大小
將主動輪的Fn在節點C處進行分解：
圓周力
徑向力：
法向力：
2）力的方向
圓周力Ft：沿節點處的圓周方向（即切線方向），其指向：主動輪上與其轉向相反，從動輪上與其轉向相同
徑向力Fr：沿半徑方向指向各自輪心
3）力的對應關係
圓周力Ft、徑向力Fr各自對應
6、計算載荷
名義載荷：
計算載荷：
，K：載荷係數
載荷係數：K＝KA* Kv *Ka* Kb
① KA— 考慮原動機與工作機的工作特性
振動、衝擊
KA見表3-1
原動機工作機械的載荷特性均 勻中等衝擊較大沖擊電動機1。0 ～ 1。21。2 ～ 1。61。6 ～ 1。8多缸內燃機1。2 ～ 1。61。6 ～ 1。81。9 ～ 2。1單缸內燃機1。6 ～ 1。81。8 ～ 2。02。2 ～ 2。4
② 動載係數Kv
考慮齒輪副本身的齧合誤差，如製造誤差造成兩基節不等，齒形誤差，輪齒變形等
-附加動載荷
精度↓ Kv↑ 速度↑ Kv↑
直齒圓柱齒輪 ： Kv ＝1。05 ~1。4；斜齒圓柱齒輪： Kv ＝1。02 ~ 1。2
③ 齒間載荷分配係數Ka
考慮製造誤差及輪齒彈性變形，對於同時參與齧合的兩對輪齒-載荷分配不等
直齒圓柱齒輪：Ka =1~1。2；斜齒圓柱齒輪：Ka =1~1。4
精度高取小值，反之取大值
④ 齒向載荷分佈係數Kb
考慮齒輪非對稱佈置、軸的變形-載荷集中；軸的彎曲變形：齒輪隨之偏斜，引起偏載
不對稱佈置時，靠近軸承一側受載大；懸臂佈置時，偏載更嚴重
軸的扭轉變形：
靠近轉矩輸入端的齒側變形大，故受載大
軸的彎曲、扭轉變形的綜合影響：若齒輪靠近轉矩輸入端佈置，偏載嚴重；若齒輪遠離轉矩輸入端佈置，偏載減小
因此，齒輪在軸承間非對稱佈置時，齒輪應佈置在遠離轉距輸入、輸出端！
左方案不合理，右方案合理
齒寬和齒面硬度對偏載的影響：
齒輪越寬、硬度越大，越容易產生偏載
沿齒寬方向修形或做成鼓形齒，可減小偏載
Kβ 的取值：
軟齒面 —— 取 Kβ ＝1。0～1。2；
硬齒面 —— 取 Kβ ＝1。1～1。35；
齒寬較小、對稱佈置、軸剛度大—— Kβ 取偏小值
