第十章 齿轮传动 授课时间：第 8-9 周 第十章 齿轮传动（ 7 学时）
一、教学目标及基本要求 1. 了解齿轮的特点、 类型及主要参数、 齿轮的失效形式、 齿轮所用的材料及采用的热处理 方法、齿轮传动中的计算载荷、齿轮传动的润滑和效率、齿轮传动的设计准则。 2. 掌握圆柱直齿、斜齿、锥齿轮传动的受力分析，各分力的方向判断。 3. 掌握直齿、斜齿圆柱齿轮传动的设计，齿轮的结构设计。 二、教学内容 § 10-1 概述
§ 10-2 齿轮传动的失效形式及设计准则
§ 10-3 齿轮的材料及其选择原则
§ 10-4 齿轮传动的计算载荷
§ 10-5 标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算
§ 10-6 齿轮传动的设计参数、许用应力与精度选择
§ 10-7 标准斜齿圆柱齿轮传动的强度计算
§ 10-8 标准锥齿轮传动的强度计算
§ 10-9 变位齿轮传动强度计算概述
§ 10-10 齿轮的结构设计
§ 10-11 齿轮传动的润滑
三、教学内容的重点和难点 重点： 标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算 难点： 针对不同的失效形式确定设计准则，不同的失效形式恰当地选用相应的设计数据。 四、教学方式与手段及教学过程中应注意的问题 1 第十章 齿轮传动 授课时间：第 8-9 周 充分利用多媒体教学手段，围绕教学基本要求进行教学。在教学过程中，注意突出重点， 多采用启发式教学以及教师和学生的互动。 五、详细教学内容 § 10-1 概述 齿轮传动在机械领域中应用范围十分广泛。随着科技的进步，齿轮传动的精度和强度已经 大幅度地提高， 据现有文献 ，齿轮传动的传递功率可达 十万千 瓦， 圆周速度 可达 300m/s，直径 可达 152.3m。接下来，我们按照惯例，先来看一下齿轮传动的特点及类型。 一、齿轮传动的特点及类型 1. 齿轮传动的特点： 1）效率高：可高达 99％，在常用的机械传动中，其效率最高； 2）结构紧凑：在相同条件下，齿轮传动所需的空间一般较小； 3）工作可靠，寿命长； 4）传动比恒定； 5）传递的功率和圆周速度的范围广。 缺点： 1）制造及安装精度要求高、成本高； 2）不适宜远距离两轴间的传动等。 2. 类型 按轴的布置：平行轴齿轮传动（圆柱齿轮） 、相交轴齿轮传动（锥齿轮） 、交错轴齿轮传动 按齿向：直齿、斜齿、人字齿 按齿廓：渐开线、摆线、圆弧 按工作条件：闭式、开式、半开式 按齿面硬度：软齿面齿轮（齿面硬度≤ 350HBS）、硬齿面齿轮（齿面硬度＞ 350HBS） 3. 基本问题： 2 第十章 齿轮传动 授课时间：第 8-9 周 1）传动平稳：即要求瞬时传动比 i 恒定。 2）足够的承载能力：即要求在预期的使用期限内不失效。 二、齿轮传动的主要参数 1）模数 m 2）传动比 i 和齿数比 u。 n z d z
主 从 ＝ 从
2 i 齿数比： u 1
n z d z 从 主 主 1
3）中心距 a 4）齿宽 b 和齿宽系数 齿宽系数： b b d 或 a
a ，齿宽：
b
d d1 或b aa
d 1
大轮齿宽： b2 b （圆整），小轮齿宽： b1 b2 (5～10）mm
如图所示。
三、齿轮的精度等级 国标中对圆柱齿轮和锥齿轮都规定了十二个精度等级，常用 5～9 级。 根据传动的用途、使用条件和齿轮的圆周速度等选择精度等级。 齿轮精度分为： 第一公差组：－－控制运动的准确性。 第二公差组：－－控制传动的平稳性。 第三公差组：－－控制载荷分布的均匀性。 § 10-2 齿轮传动的失效形式及设计准则 一、失效形式 齿轮传动的失效主要是轮齿的失效，常见的失效形式有： 1. 轮齿折断： 疲劳折断和过载折断（属于静强度破坏） 2．齿面磨损： 使轮齿变薄，最后导致轮齿折断。 3 第十章 齿轮传动 授课时间：第 8-9 周 3. 齿面点蚀： 多发生在轮齿的节线附近靠近齿根的一侧。
注：由于磨损的比点蚀的形成快，故开式传动中见不到点蚀现象。 4．齿面胶合： 是在重载条件下产生的粘着磨损现象。分为冷胶和、热胶合 5．塑性变形： 是重载软齿面，在摩擦力作用下引起的材料塑性流动。主动轮的轮齿上在节 线处被碾出沟槽，从动轮的轮齿上在节线处被挤出脊棱。 普通闭式传动的主要失效形式为：轮齿的疲劳折断和点蚀 普通开式传动的主要失效形式为：轮齿的疲劳折断和磨粒磨损 二、设计准则 为防止轮齿的疲劳折断，需计算齿根弯曲疲劳强度。为防止齿面点蚀，需计算齿面接触疲 劳强度。对一般工况下的普通齿轮传动，其设计准则为： 1. 闭式传动 软齿面： 按齿面接触疲劳强度进行设计计算 （确定齿轮的参数和尺寸） ，然后校核齿根弯曲 疲劳强度。 硬齿面： 按齿根弯曲疲劳强度进行设计计算（确定齿轮的参数和尺寸） ，然后校核齿 面接触疲劳强度 2. 开式传动： 只计算齿根弯曲疲劳强度，适当加大模数（预留磨损量） 。 注：对高速重载传动，还应按齿面抗胶合能力进行计算。 § 10-3 齿轮的材料及其选择 齿轮材料及其热处理方法的选择，应根据齿轮传动的载荷大小与性质、工作环境条件、结 构尺寸和经济性等多方面的要求来确定。 基本的要求是使齿轮具有一定的抗点蚀、 抗疲劳折断、 抗磨损、抗胶合、抗塑性变形等能力。总之，齿轮材料性能的要求是： 齿面硬、芯部韧。 一、常用的齿轮材料 最常用的材料是钢，其次是铸铁，还有非金属材料。 4 第十章 齿轮传动 授课时间：第 8-9 周 锻钢： 由于锻钢的力学综合性能好， 它是最常用的齿轮材料。 常用含碳量为 0.15%~0.6% 的碳钢或 者合金钢，适用于中小直径的齿轮。 铸钢： 直径较大的齿轮采用， 其毛坯要进行正火处理以消除残余应力和硬度不均匀的现象。 铸铁： 普通灰铸铁的铸造性能和切削性能好、性质较脆，抗点蚀及抗胶合能力强，但是抗 冲击及韧性差，弯曲强度低、常用于低速、轻载、小功率的场合；球墨铸铁的力学性能和抗冲 击性能远高于灰铸铁。 非金属材料： 如尼龙、塑料等。适用于高速、轻载、且要求降低噪音的场合。非金属材料 的导热性差，使用时应注意润滑和散热。 齿轮的毛坯：锻造（适用于中、小尺寸的齿轮） 、铸造（适用于形状复杂、尺寸大的齿轮） 二、常用的热处理方法 调质、正火：——获得软齿面，强度低，工艺简单。 正火： 正火能消除内应力、细化晶粒、改善力学性能。强度要求不高和不很重要的齿轮， 可用中碳钢或中碳合金钢正火处理。大直径的齿轮可用铸钢正火处理。 调质： 调质后齿面硬度不高，易于跑合，可精切成形，力学综合性能较好。对中速、中等 平稳载荷的齿轮，可采用中碳钢或中碳合金钢调质处理。 整体淬火、表面淬火、表面渗碳淬火、渗氮等：——获得硬齿面，强度高。 整体淬火 ：整体淬火后再低温回火，这种热处理工艺较简单，但轮齿变形较大，质量不易 保证，心部韧性较低，不适于承受冲击载荷，热处理后必须进行磨齿、研齿等精加工。中碳钢 或中碳合金钢可采用这种热处理。 表面淬火： 表面淬火后再低温回火，由于心部韧性高，接触强度高，耐磨性能好，能承受 中等冲击载荷。因为只在表面加热，轮齿变形不大，一般不需要最后磨齿，如果硬化层较深， 5 第十章 齿轮传动 授课时间：第 8-9 周 则变形较大，应进行热处理后的精加工。 表面渗碳淬火：表面渗碳淬火的齿轮表面硬度高，接触强度好，耐磨性好，心部韧性好， 能承受较大的冲击载荷， 但轮齿变形较大， 弯曲强度也较低， 载荷较大时渗碳层有剥离的可能， 常用低碳钢或低碳合金钢。 即：整体淬火、表面淬火适用于中碳钢；渗碳淬火适用于低碳钢；淬火后需磨齿，工艺较 复杂；渗氮不需要磨齿。 三、齿轮材料选用的基本原则 1. 齿轮材料必须满足工作条件的要求，如强度、寿命、可靠性、经济性等； 2. 应考虑齿轮的尺寸大小，毛坯成型方法及热处理和制造工艺； 3. 钢制软齿面齿轮，小轮的齿面硬度应比大齿轮高 30～50HBS 。 4. 硬齿面齿轮传动，两轮的齿面硬度可大致相同，或小轮硬度略高。 § 10-4 齿轮传动的计算载荷 在计算齿轮的强度时，要考虑影响齿轮受载的各种因素比较多，所以这里把齿轮传动的计 算载荷单独列出一节来讲。国家标准规定的载荷系数为 4 个系数：使用系数、动载系数、齿间 载荷分配系数和齿向载荷分布系数。 在齿轮的轮齿受力分析中， Fn 为轮齿所受的名义法向力。 在计算齿轮强度的时候， 需要对 这个名义法向力进行修正，因为在实际传动中，由于原动机、工作机性能以及齿轮本身的制造 误差都会对法向载荷产生影响，会使法向载荷增大。计算齿轮强度时，将法向载荷乘以一个载 荷系数 K。
计算载荷为： KF p n
Kp
ca ， L
p 是沿齿面接触线单位长度上的平均载荷， Nmm ；L 是接触线的长度， mm