齿轮传动失效形式设计准则直齿传动受力分析
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10-02 齿轮传动的失效形式及设计准则
增强轮齿抗点蚀能力的措施： ●在啮合轮齿间加注润滑油可以减小摩擦，减缓点蚀； ●在合理限度内，提高润滑油的粘度，也可减缓点蚀的出现。
（4）齿面胶合
高速重载：压力大，瞬时温升，润滑差，温度过高时，两齿面 就会发生粘连，又滑动将相粘结的部位即被撒破，称为胶合。 低速重载：油膜遭到破坏，也会产生胶合。此时称为冷胶合。
但应采取相应的措施，以增强轮齿抗这些失效的能力。
闭式齿轮传动设计准则
闭式齿轮传动：
在闭式齿轮传动中，通常以保证齿面接触疲劳强度为主。
对于齿面硬度很高，齿芯强度又低的齿轮或材质较脆的齿
轮，通常则以保证齿根弯曲疲劳强度为主。
对于功率较大的齿轮传动: 例如输入功率超过75kW的闭式 齿轮传动，发热量大，易于导致润滑不良及轮齿胶合损伤等， 为了控制温升，还应作散热能力计算。
开式齿轮传动设计准则
开式（半开式）齿轮传动：
按理应按保证齿面抗磨损和齿根抗折断能力两准则进行计
算，由于抗磨损能力的计算方法迄今尚不够完善，所以对于开 式（半开式）齿轮传动，目前仅以保证齿根弯曲疲劳强度作为 设计准则。 为了延长开式（半开式）齿轮传动的寿命，可视具体需要
而将所求得的模数适当增大。
对于齿轮的轮圈、轮幅、轮毂等部位的尺寸,通常仅作结 构设计，不进行强度计算。
（2）齿面磨损
齿面磨损可能出现的形式有多种，但主要是当啮合齿面间 落入磨料性物质时，齿面即被逐渐磨损而致报废。这是开式齿 轮传动的主要失效形式之一。
改善润滑、密封条件，在润滑油中加入减摩添加剂，保持 润滑油的清洁，提高齿面硬度等，均能提高齿面的抗磨料磨损。
（3）齿面点蚀
在润滑良好的闭式齿轮传动中，常见的齿面失效形式多 为点蚀。开式齿轮传动，由于齿面磨损较快，很少出现点蚀。
机械设计 齿轮传动
第九节 齿轮传动的失效形式及计算准则
3、齿面胶合
齿面胶合
高速重载传动中，常因啮合区温度 升高而引起润滑失效，致使齿面金 属直接接触而相互粘连。当齿面向 对滑动时，较软的齿面沿滑动方向 被撕下而形成沟纹。
措施
1、提高齿面硬度 2、减小齿面粗糙度 低速 3、增加润滑油粘度 高速
4、加抗胶合添加剂
第九节§齿1轮1-1传动轮的齿失的效失形效式形及式计算准则
模数m不能成为衡量齿轮接触强度的依据。
第十三节 直齿圆柱齿轮传动的齿面接触强度计算
齿面接触疲劳强度计算公式的说明
1）强度计算公式中，“+”号用于外啮合；“—”号用于内啮合。 2接进）触行配强计对度算齿设。轮计的时接，触应应将力［均σ相H1］同、，［即σσHH21］=σ中H2数。值在较用小公的式代进入行公齿式面 3）在齿轮的齿宽系数、材料及传动比已选定的情况下，影响齿 轮齿面接触疲劳强度的主要因素是齿轮直径。小齿轮直径（或传 动中心距）越大，齿轮的齿面接触强度就越高。所以在其他条件 不变的情况下，小齿轮的齿数选的适当多些可提高齿轮传动的接 触强度。 4）许用接触应力的计算
O2
赫兹公式
H
1 1
Fn •
1
2
b
1 12
1
2 2
E1
E2
“+”用于外啮合，“-”用于内啮合 节圆处齿廓曲率半径 实验表明：齿根部分靠近节点处最容易发
生点蚀，故取节点处的应力作为计算依据。
1
N1C
d1
s in
2
2
N2C
d2
s in
2
传动比 i= z2 /z1 = d2 /d1
中心距 a=(d2 ± d1)/2 = d1(i ±1)/2 或 d1 = 2a /(i ±1)
机械设计基础第七章齿轮传动
§7-7 直齿圆锥齿轮传动的强度计
算 方向： Ft——主反从同
Fr——指向各自的轴线
一、直F齿a—圆—锥指齿向轮大传端 动的受力分析
Fr1 Fa2
Fa1 Fr 2
Ft1=-Ft2
二、强度计算
1、齿面接触强度的计算 2、齿根弯曲强度的计算
P120
§7-8 蜗杆传动强度计算
一、蜗杆传动的失效形式、设计准则及常用材料
2T1 d1
Fa2
பைடு நூலகம்Ft 2
2T2 d2
Fa1
Fr1 Fr2 Ft2tg
力的方向和蜗轮转向的判别
蜗轮转向的判别 ： Fa1的反向即为蜗轮的角速度w2方向
圆周力
Ft——主反从 同
径向力
Fr——指向各自 的轴线
轴向力 Fa1——蜗杆左右
手螺旋定则
三、蜗杆传动强度计算
1、蜗轮齿面接触强度的计算 2、蜗轮齿根弯曲强度的计算
（2）铸钢 用于尺寸较大齿轮，需正火和退火以消除 铸造应力。 强度稍低 。
2、铸铁 脆、机械强度，抗冲击和耐磨性较差， 但抗胶合和点蚀能力较强，用于工作平 稳、低速和小功率场合。
常用铸铁：灰铸铁；球墨铸铁（有较好
的机械性能和耐磨性 ）
3、非金属材料——工程塑料（ABS、尼 龙）、夹布胶木
适于高速、轻载和精度不高的传动中， 特点是噪音较低，无需润滑；
四、蜗杆传动热平衡计算
1、原因 效率低，发热大，温升高，润滑油粘度 下降润滑油在齿面间被稀释，加剧磨损 和胶合。
2、冷却措施 加散热片以增大散热面积；风扇；
冷却水管；循环油冷却
§7-9 齿轮、蜗杆和蜗轮的构造 一、结构
1、齿轮轴 2、实体式 3、辐板式(孔板式) 4、轮辐式 5、镶圈齿轮
齿轮传动
（2）滚子半径的选择：
对内凹的凸轮轮廓曲线：工作廓线的曲率半径 a 理论廓线的曲率半径 +工作半径 r
对外凸的凸轮轮廓曲线 当 r 时，工作廓线出现尖点，使尖点磨损 当 r 时，工作廓线出现交叉，会出现失真现象
由此可知，对外的凸轮轮廓曲线，应使滚子半径小于理论廓线的最小曲率半径，即出现失真时，增大基 圆半径或适当减小滚子半径
当配对的两齿轮的齿面均属于硬齿面时，分别按齿根弯曲疲劳强度和齿面接触疲劳强度进行计算。 影响齿轮弯曲疲劳强度的主要是模数，模数越大，齿轮的弯曲疲劳强度越高。 影响齿面接触疲劳强度的主要是直径，小齿轮直径越大，齿轮接触疲劳强度越高。
三、凸轮机构 1、分类 （1）按凸轮形状：盘形凸轮、圆柱凸轮 （2）按推杆形状：尖顶推杆，适用于作用力不大和速度较低的场合 滚子推杆，磨损较小，可传递较大的力 平底推杆，凸轮与平底的接触面间易形成油膜，润滑较好，用于高速传动中 （3）按推杆运动形式：直动推杆、摆动推杆 2、推杆常用的运动规律 （1）几个概念：基圆半径：凸轮的最小半径 推程：推杆由最低位置推到最高位置，推杆的运动过程 远（近）休止角：推杆处于最高（低）位置不动，凸轮转过的角度 ④推杆的行程：推杆在推程或回程在推动的距离 （2）常用运动规律的特点 一次多项式运动规律（等速运动规律）：推杆在运动开始和终止的瞬时，速度有突变，凸轮机构有 刚性冲击。 二次多项式运动规律（等加速等减速运动规律）：加速度有突变，有柔性冲击。 五次多项式运动规律：无刚性也无柔性冲击。 ④余弦加速度运动规律（简谐运动规律）：首末两点推杆加速度有突变，有柔性冲击。 ⑤正弦加速度运动规律（摆线运动规律）：都无 注：除等速运动规律外，正弦加速度运动规律加速度最大值最大。 为了消除等加速等减速运动规律中的柔性冲击，可由等减速运动规律和余弦减速度运动规律组合 而成的修正梯形运动规律。
对内凹的凸轮轮廓曲线：工作廓线的曲率半径 a 理论廓线的曲率半径 +工作半径 r
对外凸的凸轮轮廓曲线 当 r 时，工作廓线出现尖点，使尖点磨损 当 r 时，工作廓线出现交叉，会出现失真现象
由此可知，对外的凸轮轮廓曲线，应使滚子半径小于理论廓线的最小曲率半径，即出现失真时，增大基 圆半径或适当减小滚子半径
当配对的两齿轮的齿面均属于硬齿面时，分别按齿根弯曲疲劳强度和齿面接触疲劳强度进行计算。 影响齿轮弯曲疲劳强度的主要是模数，模数越大，齿轮的弯曲疲劳强度越高。 影响齿面接触疲劳强度的主要是直径，小齿轮直径越大，齿轮接触疲劳强度越高。
三、凸轮机构 1、分类 （1）按凸轮形状：盘形凸轮、圆柱凸轮 （2）按推杆形状：尖顶推杆，适用于作用力不大和速度较低的场合 滚子推杆，磨损较小，可传递较大的力 平底推杆，凸轮与平底的接触面间易形成油膜，润滑较好，用于高速传动中 （3）按推杆运动形式：直动推杆、摆动推杆 2、推杆常用的运动规律 （1）几个概念：基圆半径：凸轮的最小半径 推程：推杆由最低位置推到最高位置，推杆的运动过程 远（近）休止角：推杆处于最高（低）位置不动，凸轮转过的角度 ④推杆的行程：推杆在推程或回程在推动的距离 （2）常用运动规律的特点 一次多项式运动规律（等速运动规律）：推杆在运动开始和终止的瞬时，速度有突变，凸轮机构有 刚性冲击。 二次多项式运动规律（等加速等减速运动规律）：加速度有突变，有柔性冲击。 五次多项式运动规律：无刚性也无柔性冲击。 ④余弦加速度运动规律（简谐运动规律）：首末两点推杆加速度有突变，有柔性冲击。 ⑤正弦加速度运动规律（摆线运动规律）：都无 注：除等速运动规律外，正弦加速度运动规律加速度最大值最大。 为了消除等加速等减速运动规律中的柔性冲击，可由等减速运动规律和余弦减速度运动规律组合 而成的修正梯形运动规律。
齿轮传动设计
不能无极变速；
精度低时，噪声和振动较大； 不宜用于轴间距离较大的传动。
§3-2 齿轮传动失效形式和设计准则
一、失效形式
1、轮齿折断 ★ ★ 疲劳折断 过载折断
全齿折断—常发生于齿宽较小的直齿轮
局部折断—常发生于齿宽较大的直齿轮 和斜齿轮
措施：增大齿根圆角半径、 提高齿
面精度、正变位、增大模数等
2、齿面疲劳点蚀
各力关系：
F 1 F 2 t t Fr1 Fr 2
各力方向： Ft1与主动轮回转方向相反 Ft2与从动轮回转方向相同 Fr1 、Fr2分别指向各自齿轮的轮 心 例：
n2 n2 Fr2
2 1 Fr1
注意： 各力应画在 啮合点上！
Ft2
Ft1
n1
n1
二、计算载荷Fnc
Fnc = K Fn = K Ft /cosα
非对称布置：ψd = 0.6~1.2 悬臂布置、开式传动：ψd = 0.3~0.4
直齿轮取小 斜齿轮取大 硬齿面降低 50%
HP
H Z E Z H Z
2 KT1 (u 1) 3 d d1 u
模数的大小对接触强度无直接影响
设计式：
d1
3
Z E Z H Z 2 KT1 u 1 u HP d
FP
F limYST
S F min
YN
MPa
σFlim — 试验齿轮的弯曲疲劳极限， 见图3-17 YST — 试验齿轮的应力修正系数, YST = 2 YN — 寿命系数, 无限寿命时YN =1，有限寿命时 YN >1 SFmin — 弯曲强度最小安全系数 一般取 SFmin =1.4~1.5，重要传动SFmin =1.6~3.0
第六章齿轮传动总结
第六章齿轮传动
第一节齿轮传动的特点、类型及其应用 第二节齿廓啮合的基本定律 第三节渐开线齿廓及其啮合特性 第四节渐开线标准直齿圆柱齿轮各部分名称、基
本参数和几何尺寸的计算 第五节渐开线直齿圆柱齿轮的啮合传动 第六节渐开线齿廓的根切现象、变位齿轮的概念 第七节平行轴斜齿圆柱齿轮机构
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第六章齿轮传动
分度圆直径为
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第四节渐开线标准直齿圆柱齿轮各部分名称、 基本参数和几何尺寸的计算
3.压力角 齿轮轮齿各圆上的压力角的值是不同的，通常所说的压力角是指
齿轮分度圆上的压力角。齿轮的分度圆压力角α，基圆半径rb和分度 圆半径r之间的关系为
4.齿顶高系数ha* 齿轮的齿顶高ha=ha*m,可称为齿顶高系数。国标规定:对于正常
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第六节渐开线齿廓的根切现象、变位齿 轮的概念
3.变位齿轮的几何尺寸 变位齿轮与同参数的标准齿轮相比，它们的渐开线相同，只是使
用同一条渐开线的不同部分。分度圆、基圆、齿距、基圆齿距不变， 而齿顶圆、齿根圆，齿顶高、齿根高，分度圆齿厚和齿槽宽均发生了 变化。 (1)齿厚与齿槽宽
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齿轮传动是靠轮齿依次啮合来实现的。如图6一15所示的一对齿 轮，要想使啮合正确进行，应保证处于啮合线上的各对轮齿都能进入 正确的啮合状态。即前一对轮齿在啮合线上的K点啮合，后一对轮齿 应在啮合线上的K‘点啮合。根据渐开线的性质有
因为 于是
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第五节渐开线直齿圆柱齿轮的啮合传动
由于齿轮的模数和压力角都已经标准化了，所以两渐开线直齿圆 柱齿轮的正确啮合条件为
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第四节渐开线标准直齿圆柱齿轮各部分名称、 基本参数和几何尺寸的计算
第一节齿轮传动的特点、类型及其应用 第二节齿廓啮合的基本定律 第三节渐开线齿廓及其啮合特性 第四节渐开线标准直齿圆柱齿轮各部分名称、基
本参数和几何尺寸的计算 第五节渐开线直齿圆柱齿轮的啮合传动 第六节渐开线齿廓的根切现象、变位齿轮的概念 第七节平行轴斜齿圆柱齿轮机构
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分度圆直径为
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第四节渐开线标准直齿圆柱齿轮各部分名称、 基本参数和几何尺寸的计算
3.压力角 齿轮轮齿各圆上的压力角的值是不同的，通常所说的压力角是指
齿轮分度圆上的压力角。齿轮的分度圆压力角α，基圆半径rb和分度 圆半径r之间的关系为
4.齿顶高系数ha* 齿轮的齿顶高ha=ha*m,可称为齿顶高系数。国标规定:对于正常
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第六节渐开线齿廓的根切现象、变位齿 轮的概念
3.变位齿轮的几何尺寸 变位齿轮与同参数的标准齿轮相比，它们的渐开线相同，只是使
用同一条渐开线的不同部分。分度圆、基圆、齿距、基圆齿距不变， 而齿顶圆、齿根圆，齿顶高、齿根高，分度圆齿厚和齿槽宽均发生了 变化。 (1)齿厚与齿槽宽
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齿轮传动是靠轮齿依次啮合来实现的。如图6一15所示的一对齿 轮，要想使啮合正确进行，应保证处于啮合线上的各对轮齿都能进入 正确的啮合状态。即前一对轮齿在啮合线上的K点啮合，后一对轮齿 应在啮合线上的K‘点啮合。根据渐开线的性质有
因为 于是
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第五节渐开线直齿圆柱齿轮的啮合传动
由于齿轮的模数和压力角都已经标准化了，所以两渐开线直齿圆 柱齿轮的正确啮合条件为
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第四节渐开线标准直齿圆柱齿轮各部分名称、 基本参数和几何尺寸的计算
齿轮传动
对于软齿面（齿面硬度 ≤350HBS）的闭式齿轮传动常因 齿面疲劳点蚀而失效。
■抗点蚀措施：提高齿面硬度和齿面加工精度；选用黏度合 适的润滑油等。
机械设计基础
（三）齿面胶合 对于重载、高速齿轮传动，因啮合区产生很大的摩擦热，导 致局部温度过高，使润滑油膜破裂，接触齿面金属发生粘着，随 着齿面的相对运动，使金属从齿面上撕落而引起严重的粘着磨损， 这种现象称为齿面胶合。 此外在重载低速齿轮传动中，由于局部齿面啮合处压力很 高，且速度低，不易形成油膜，使接触表面膜被刺破而粘着，也 产生胶合破坏，称之为冷胶合。 ■抗胶合措施：提高齿面硬度，减 小齿面粗糙度和齿轮模数，采用抗胶合 能力强的润滑油等。
常用材料及热处理选择
齿轮常用材料是钢、铸铁、非金属材料。
机械设计基础
1．钢 齿轮常用钢材为优质碳素钢、合金钢和铸钢，一般多用锻件 或轧制钢材； 较大直径（d>400~600mm）的齿轮不宜锻造，需采用铸钢 如ZG340-640、ZG40Cr等。因铸钢收缩率大，内应力大故加工前 应进行正火或回火处理。 齿轮按照不同的热处理方法所获得的齿面硬度的高低，分为 软齿面和硬齿面两类。
机械设计基础
计算载荷
Fnc KFn
式中， K为载荷系数，用以考虑以下因素影响：
1）原动机和工作机的动力特性、轴和联轴器系统的质量和 刚度，以及运行状态等外部因素引起的附加动载荷。
2）齿轮副在啮合过程中，因制造 误差及运转速度变化引起的内部附加 动载荷。
3）由于轴的变形和齿轮制造误差 等引起载荷沿齿宽方向分布不均性。
机械设计基础
直齿圆柱齿轮传动设计
直齿圆柱齿轮传动的设计计算步骤
1．闭式软齿面齿轮传动（硬度≤350 HBW） 1）选择齿轮材料、热处理方式、精度等级及计算许用应力； 2）合理选择齿轮参数，按接触疲劳强度设计公式算出小齿 轮分度圆直径； 3）计算齿轮的主要尺寸； 4）校核所设计的齿轮传动的弯曲疲劳强度； 5）确定齿轮的结构尺寸； 6）绘制齿轮的工作图。
■抗点蚀措施：提高齿面硬度和齿面加工精度；选用黏度合 适的润滑油等。
机械设计基础
（三）齿面胶合 对于重载、高速齿轮传动，因啮合区产生很大的摩擦热，导 致局部温度过高，使润滑油膜破裂，接触齿面金属发生粘着，随 着齿面的相对运动，使金属从齿面上撕落而引起严重的粘着磨损， 这种现象称为齿面胶合。 此外在重载低速齿轮传动中，由于局部齿面啮合处压力很 高，且速度低，不易形成油膜，使接触表面膜被刺破而粘着，也 产生胶合破坏，称之为冷胶合。 ■抗胶合措施：提高齿面硬度，减 小齿面粗糙度和齿轮模数，采用抗胶合 能力强的润滑油等。
常用材料及热处理选择
齿轮常用材料是钢、铸铁、非金属材料。
机械设计基础
1．钢 齿轮常用钢材为优质碳素钢、合金钢和铸钢，一般多用锻件 或轧制钢材； 较大直径（d>400~600mm）的齿轮不宜锻造，需采用铸钢 如ZG340-640、ZG40Cr等。因铸钢收缩率大，内应力大故加工前 应进行正火或回火处理。 齿轮按照不同的热处理方法所获得的齿面硬度的高低，分为 软齿面和硬齿面两类。
机械设计基础
计算载荷
Fnc KFn
式中， K为载荷系数，用以考虑以下因素影响：
1）原动机和工作机的动力特性、轴和联轴器系统的质量和 刚度，以及运行状态等外部因素引起的附加动载荷。
2）齿轮副在啮合过程中，因制造 误差及运转速度变化引起的内部附加 动载荷。
3）由于轴的变形和齿轮制造误差 等引起载荷沿齿宽方向分布不均性。
机械设计基础
直齿圆柱齿轮传动设计
直齿圆柱齿轮传动的设计计算步骤
1．闭式软齿面齿轮传动（硬度≤350 HBW） 1）选择齿轮材料、热处理方式、精度等级及计算许用应力； 2）合理选择齿轮参数，按接触疲劳强度设计公式算出小齿 轮分度圆直径； 3）计算齿轮的主要尺寸； 4）校核所设计的齿轮传动的弯曲疲劳强度； 5）确定齿轮的结构尺寸； 6）绘制齿轮的工作图。
齿轮的失效形式和设计准则
齿轮的失效形式和设计准则
1. 齿轮传动常见的失效形式
齿轮传动是依靠轮齿的相互啮合来传递运动和动力 的，由于轮齿的尺寸小，受载荷大，因此，轮齿是齿轮 常见的主要失效部位。由于齿轮传动的形式、承受的载 荷、齿面硬度及传动速度等情况的不同，轮齿的失效形 式也是多种多样的，主要有以下五种：
齿轮的失效形式和设计准则
齿轮的失效形式和设计准则
（3）齿面磨损。两轮齿在 啮合过程中存在相对滑动，当 其工作面间进入灰尘、砂粒、 金属屑等杂质时，将引起磨粒 磨损，如图1-16所示。当齿面 严重磨损后，渐开线齿廓被破 坏，齿侧间隙加大，引起冲击 和振动。严重时会因轮齿变薄， 抗弯强度降低而折断。
图-16 齿面磨损
齿轮的失效形式和设计准则
图1-15 齿面点蚀
齿轮的失效形式和设计准则
齿面点蚀是润滑良好的闭式齿 轮传动常见的失效形式，对于开式 齿轮传动，由于齿面磨损较快，点 蚀未形成之前就已被磨掉，因而一 般不会发生点蚀破坏。
齿面疲劳点蚀严重时，齿廓失 去准确形状，产生冲击和噪声。提 高齿面疲劳点蚀的能力，可采用提 高齿面硬度、降低表面粗糙度、使 用高黏度的润滑油润滑等措施。
（1）对于闭式软齿面（≤350 HBS）齿轮传动，齿面主 要失效形式为齿面点蚀，故按齿面接触疲劳强度设计，确定齿 轮的主要参数和尺寸，然后按齿根弯曲疲劳强度进行校核。
齿轮的失效形式和设计准则
（4）齿面胶合。在高速重载 的齿轮传动中，由于齿面滑动速度 高，齿面间的高压、高温使润滑油 被挤出，齿面油膜破裂，两金属表 面啮合处摩擦面瞬时产生高热，局 部温升过高，使齿面接触区熔化并 黏结在一起。当齿面相互滑动时， 较软的金属表面沿滑动方向被撕下 一部分，形成沟纹，这种现象称为 胶合，如图1-17所示。
1. 齿轮传动常见的失效形式
齿轮传动是依靠轮齿的相互啮合来传递运动和动力 的，由于轮齿的尺寸小，受载荷大，因此，轮齿是齿轮 常见的主要失效部位。由于齿轮传动的形式、承受的载 荷、齿面硬度及传动速度等情况的不同，轮齿的失效形 式也是多种多样的，主要有以下五种：
齿轮的失效形式和设计准则
齿轮的失效形式和设计准则
（3）齿面磨损。两轮齿在 啮合过程中存在相对滑动，当 其工作面间进入灰尘、砂粒、 金属屑等杂质时，将引起磨粒 磨损，如图1-16所示。当齿面 严重磨损后，渐开线齿廓被破 坏，齿侧间隙加大，引起冲击 和振动。严重时会因轮齿变薄， 抗弯强度降低而折断。
图-16 齿面磨损
齿轮的失效形式和设计准则
图1-15 齿面点蚀
齿轮的失效形式和设计准则
齿面点蚀是润滑良好的闭式齿 轮传动常见的失效形式，对于开式 齿轮传动，由于齿面磨损较快，点 蚀未形成之前就已被磨掉，因而一 般不会发生点蚀破坏。
齿面疲劳点蚀严重时，齿廓失 去准确形状，产生冲击和噪声。提 高齿面疲劳点蚀的能力，可采用提 高齿面硬度、降低表面粗糙度、使 用高黏度的润滑油润滑等措施。
（1）对于闭式软齿面（≤350 HBS）齿轮传动，齿面主 要失效形式为齿面点蚀，故按齿面接触疲劳强度设计，确定齿 轮的主要参数和尺寸，然后按齿根弯曲疲劳强度进行校核。
齿轮的失效形式和设计准则
（4）齿面胶合。在高速重载 的齿轮传动中，由于齿面滑动速度 高，齿面间的高压、高温使润滑油 被挤出，齿面油膜破裂，两金属表 面啮合处摩擦面瞬时产生高热，局 部温升过高，使齿面接触区熔化并 黏结在一起。当齿面相互滑动时， 较软的金属表面沿滑动方向被撕下 一部分，形成沟纹，这种现象称为 胶合，如图1-17所示。
直齿圆柱齿轮设计
接触线的长度为：
计入载荷系数K后，得最大接触应力σH和小齿轮 分度圆直径d1分别为：
式中：“＋”号用于外啮合，“－”号用于内啮合。 许用接触应力［σH］（ HP ）——代入两齿轮
中的小者计算。
( HP )
❖ 斜齿圆柱齿轮用下式代入上式：
节点处的载荷： 综合曲率半径： 接触线的长度：
Fn
Hale Waihona Puke Ftcost cos b
σF≤〔 σF 〕； ❖ 提高轮齿的抗疲劳折断能力方法： ❖ 增大齿根过渡曲线半径； ❖ 降低表面粗糙度值； ❖ 减轻加工损伤（如磨削烧伤、滚切拉伤）； ❖ 采用表面强化处理（如喷丸、辗压）。
2. 齿面失效 (1)点蚀
❖ 点蚀是润滑良好的闭式传动常见的失效形式。 开式传动没有点蚀现象。
❖ 避免疲劳点蚀失效，可计算齿面接触疲劳强度 ： σH≤〔 σH 〕；
• 提高齿面接触疲劳强度措施有：
❖ 提高齿面硬度和降低表面粗糙度值；
❖ 在许可范围内采用大的变位系数和，以增大综 合曲率半径；
❖ 采用粘度较高的润滑油；
❖ 减小动载荷。
(2)齿面胶合
❖ 防止或减轻齿面胶合的主要措施有： ❖ 采用角度变位齿轮传动以降低啮合开始和终了
时的滑动系数； ❖ 减小模数和齿高以降低滑动速度； ❖ 采用极压润滑油； ❖ 选用抗胶合性能好的齿轮副材料； ❖ 材料相同时，使大、小齿轮保持适当硬度差； ❖ 提高齿面硬度和降低表面粗糙度值等。
滑油。
2. 设计计算准则
闭式传动的齿轮： ❖ 主要失效形式： ❖ 接触疲劳磨损； ❖ 弯曲疲劳折断； ❖ 胶合。 ❖ 一般只进行接触疲劳强度和弯曲疲劳强度计算。 ❖ 有短时过载时，应进行静强度计算。
闭式齿轮传动：
计入载荷系数K后，得最大接触应力σH和小齿轮 分度圆直径d1分别为：
式中：“＋”号用于外啮合，“－”号用于内啮合。 许用接触应力［σH］（ HP ）——代入两齿轮
中的小者计算。
( HP )
❖ 斜齿圆柱齿轮用下式代入上式：
节点处的载荷： 综合曲率半径： 接触线的长度：
Fn
Hale Waihona Puke Ftcost cos b
σF≤〔 σF 〕； ❖ 提高轮齿的抗疲劳折断能力方法： ❖ 增大齿根过渡曲线半径； ❖ 降低表面粗糙度值； ❖ 减轻加工损伤（如磨削烧伤、滚切拉伤）； ❖ 采用表面强化处理（如喷丸、辗压）。
2. 齿面失效 (1)点蚀
❖ 点蚀是润滑良好的闭式传动常见的失效形式。 开式传动没有点蚀现象。
❖ 避免疲劳点蚀失效，可计算齿面接触疲劳强度 ： σH≤〔 σH 〕；
• 提高齿面接触疲劳强度措施有：
❖ 提高齿面硬度和降低表面粗糙度值；
❖ 在许可范围内采用大的变位系数和，以增大综 合曲率半径；
❖ 采用粘度较高的润滑油；
❖ 减小动载荷。
(2)齿面胶合
❖ 防止或减轻齿面胶合的主要措施有： ❖ 采用角度变位齿轮传动以降低啮合开始和终了
时的滑动系数； ❖ 减小模数和齿高以降低滑动速度； ❖ 采用极压润滑油； ❖ 选用抗胶合性能好的齿轮副材料； ❖ 材料相同时，使大、小齿轮保持适当硬度差； ❖ 提高齿面硬度和降低表面粗糙度值等。
滑油。
2. 设计计算准则
闭式传动的齿轮： ❖ 主要失效形式： ❖ 接触疲劳磨损； ❖ 弯曲疲劳折断； ❖ 胶合。 ❖ 一般只进行接触疲劳强度和弯曲疲劳强度计算。 ❖ 有短时过载时，应进行静强度计算。
闭式齿轮传动：
齿轮传动失效形式和设计准则
齿轮传动失效形式和设计准则齿轮传动的失效主要是轮齿的失效，而轮齿的失效形式又多种多样，较为常见的是下面叙述的五种失效形式。
齿轮的其它部分（如齿圈、轮辐、轮毂等），除了对齿轮的质量大小需加严格限制外，通常只需按经验设计，所定的尺寸对强度及刚度均较富裕，实践中也极少失效。
1、轮齿折断轮齿折断有多种形式，在正常情况下，主要是齿根弯曲疲劳折断，因为在轮齿受载时，齿根处产生的弯曲应力最大，再加上齿根过渡部分的截面突变及加工刀痕等引起的应力集中作用，当轮齿重复受载后，齿根处就会产生疲劳裂纹，并逐步扩展，致使轮齿疲劳折断。
此外，在轮齿受到突然过载时，也可能出现过载折断或剪断；在轮齿受到严重磨损后齿厚过分减薄时，也会在正常载荷作用下发生折断。
在斜齿圆柱齿轮传动中，轮齿工作面上的接触线为一斜线（参看图例），轮齿受载后，如有载荷集中时，就会发生局部折断。
若制造或安装不良或轴的弯曲变形过大，轮齿局部受载过大时，即使是直齿圆柱齿轮，也会发生局部折断。
为了提高齿轮的抗折断能力，可采取下列措施：1）用增加齿根过渡圆角半径及消除加工刀痕的方法来减小齿根应力集中；2）增大轴及支承的刚性，使轮齿接触线上受载较为均匀；3）采用合适的热处理方法使齿芯材料具有足够的韧性；4）采用喷丸、滚压等工艺措施对齿根表层进行强化处理。
2、齿面磨损在齿轮传动中，齿面随着工作条件的不同会出现不同的磨损形式。
例如当啮合齿面间落入磨料性物质（如砂粒、铁屑等）时，齿面即被逐渐磨损而至报废。
这种磨损称为磨粒磨损。
它是开式齿轮传动的主要形式之一。
改用闭式齿轮传动是避免齿面磨粒磨损最有效的方法。
3、齿面点蚀点蚀是齿面疲劳损伤的现象之一。
在润滑良好的闭式齿轮传动中，常见的齿面失效形式多为点蚀。
所谓点蚀就是齿面材料变化着的接触应力作用下，由于疲劳而产生的麻点状损伤现象。
齿面上最初出现的点蚀仅为针尖大小的麻点，如工作条件未加改善，麻点就会逐渐扩大，甚至数点连成一片，最后形成了明显的齿面损伤。
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铸铁 ——含碳量>2% 有色金属合金
铁碳合金
非金属材料
橡胶 塑料等
机械设计—带传动
1、钢： 按化学成分：碳素钢 合金钢
按含碳量：低碳钢<0.25% 中碳钢0.25%~0.5% 高碳钢>0.5%
按质量：普通钢 优质钢
按用途：结构钢 特殊钢
按冶炼时脱氧程度和钢锭中气孔存在情况：镇静钢 沸腾钢
机械设计—带传动二、齿轮传动分类按齿轮类型分：直齿圆柱齿轮传动 锥齿轮传动
斜齿圆柱齿轮传动
按装置形式分：开式传动、半开式传动、闭式传动。
按使用情况分：动力齿轮─以动力传输为主，常为高速重载 或低速重载传动。
传动齿轮─以运动准确为主，一般为轻载高精度传动。
按齿面硬度分：软齿面齿轮（齿面硬度≤350HBS或38HRS） 硬齿面齿轮（齿面硬度＞350HBS或38HRS）
2．铸钢 当齿轮的尺寸较大(大于400一600mm)而不便于锻造时，可
用铸造方法制成铸钢齿坯，再进行正火处理以细化晶粒。 3．铸铁
低速、轻载场合的齿轮可以制成铸铁齿坯。当尺寸大于 500mmm时可制成轮辐式齿轮。
机械设计—带传动 补充：机械制造常用材料
一、常用材料 常用金属材料
钢 ——含碳量≤ 2%
机械设计—带传动
3.齿面磨损
主要措施：采用闭式传动；提高齿面硬度；降低齿面 粗糙度；采用清洁的润滑油。
机械设计—带传动
4.齿面胶合
防止胶合的措施：提高齿面硬度；降低齿面 粗糙度；增大润滑油粘度；限制油温。
机械设计—带传动
5.塑性变形
措施：提高齿面硬度；增大润滑油粘度。
机械设计—带传动
二.齿轮传动设计准则
优选碳素钢，其次是硅、锰、硼、钒类合金钢。
机械设计—带传动
2、铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。 特点：良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零件。 较好的减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）、成本低廉 应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之
机械设计—带传动
二、钢的热处理简介
钢的热处理是指将钢在固态下进行不同温度的加热、 保温和冷却的方法，是其内部组织结构发生变化， 从而达到提高零件的力学性能和改善其工艺性能的 目的。
（1）普通碳素结构钢
Q235-A、F， s 235 MPa
（2）优质碳素结构钢 25、35、45、60--平均含碳量
（3）合金结构钢
25Cr2MoV
（4）铸钢
ZG235-450、ZG35SiMn
特点：钢具有高的强度、韧性和塑性。可用热处理方法改 善其力学性能和加工性能。
零件毛坯获取方法：锻造、冲压、焊接、铸造等。 应用：应用范围极其广泛。 选用原则：
常用的热处理方法有：退火、正火、淬火、回火、调 质及表面热处理等。
温
保温
度
退火
加 热
临界温度
淬
火
回
火
正火 调质
机械设计—带传动
1 退火 是将钢加热到临界温度（约723℃）以上（3050℃），保温一段时间，然后工件随炉温缓慢冷却。 消除锻造、焊接的内应力，降低硬度，改善切削加工 性能。
2 正火 与退火相似，只是在保温后，在空气中冷却，冷 却速度比退火快。作用于退火类似，但比退火经济， 可作为零件的最终热处理。
1、对于闭式齿轮传动：
1）软齿面（≤350HBS）齿轮主要失效形式是齿面点蚀，故 可按齿面接触疲劳强度设计计算，按齿根弯曲疲劳强度校核.
2）硬齿面（>350HBS）或铸铁齿轮，由于抗点蚀能力 较高，轮齿折断的可能性较大，故可按齿根弯曲疲劳强度设 计计算，按齿面接触疲劳强度校核。
对高速重载齿轮传动，除以上两设计准则外，还应按齿面抗胶 合能力的准则进行设计。
机械设计—带传动
二、齿轮的常用材料
1．锻钢 锻钢因具有强度高、韧性好、便于制造、便于热处
理等优点，大多数齿轮都用锻钢制造。
(1)软齿面齿轮：齿面硬度<350HBS，常用中碳钢和中 碳合金钢，如45钢．40Cr，35SiMn等材料，进行调质或 正火处理。这种齿轮适用于强度、精度要求不高的场合， 轮坯经过热处理后加工，生产便利、成本较低。
机械设计—带传动
第二节 齿轮传动的失效形式及设计准则 一、齿轮的失效形式
1.轮齿折断
提高轮齿抗折断能力的措施：增大齿根圆角半径，消除加工刀痕以降 低齿根应力集中；增大轴及支承物的刚度以减轻局部过载的程度；对 轮齿进行表面处理以提高齿面硬度
机械设计—带传动
2.齿面点蚀
主要措施：提高齿面硬 度；降低齿面粗糙度； 增大润滑油粘度；采用 合理变位。
3 淬火 是将钢加热到临界温度以上，保温一段时间，而 后在水、盐水或油中快速冷却。获得高强度和高硬度， 提高耐磨性和耐蚀性。但产生很大内应力，降低塑性 和韧性，故应回火已得到较好的综合性能。
2、对于开式齿轮传动，齿面磨损为其主要失效形式， 故通常按照齿根弯曲疲劳强度进行设计计算，确定齿轮的 模数，考虑磨损因素，再将模数增大10%——20%。
机械设计—带传动
第三节 齿轮的材料及其选用原则
一、齿轮材料的基本要求
齿面要硬、齿芯要韧，即: (1)齿面应有足够的硬度，以抵抗齿面磨损、点蚀、 胶合以及塑性变形等； (2)齿芯应有足够的强度和较好的韧性，以抵抗齿 根折断和冲击载荷； (3)应有良好的加工工艺性能及热处理性能，使之 便于加工且便于提高其力学性能。
机械设计—带传动
第一节 概述
一、齿轮传动的特点
1、优点： （1）适用的圆周速度和功率范围广； （2）传动效率高； （3）传动比稳定； （4）工作可靠,寿命较长； （5）可实现任意轴之间的传动。
2、缺点：（1）要求较高的制造和安装精度，成本高； （2）不适宜于远距离两轴之间的传动。
机械设计—带传动
机械设计—带传动
机械设计—带传动
机械设计—带传动
第7章 齿轮传动
教学目标：了解齿轮传动的失效形式及设计准则； 了解齿轮材料及选用原则； 能够计算齿轮传动的计算载荷； 能够进行标准直齿圆柱齿轮的受力分析。
教学重点: 1.齿轮传动的失效形式及设计准则； 2.标准直齿圆柱齿轮的受力分析。
教学难点：标准直齿圆柱齿轮的受力分析。
(2)硬齿面齿轮: 硬齿面齿轮的齿面硬度大于350HBS， 常用的材料为中碳钢或中碳合金钢经表面淬火或渗碳淬火 处理。加工后进行热处理,若变形过大,则需精加工。
机械设计—带传动
在确定大、小齿轮硬度时应注意使小齿轮的齿面硬度比大 齿轮的齿面硬度高20一50HBS，这是因为小齿轮轮齿啮合次 数比大齿轮多，且小齿轮齿根较薄．为使两齿轮的轮齿接近等 强度，小齿轮的齿面要比大齿轮的齿面硬一些。
铁碳合金
非金属材料
橡胶 塑料等
机械设计—带传动
1、钢： 按化学成分：碳素钢 合金钢
按含碳量：低碳钢<0.25% 中碳钢0.25%~0.5% 高碳钢>0.5%
按质量：普通钢 优质钢
按用途：结构钢 特殊钢
按冶炼时脱氧程度和钢锭中气孔存在情况：镇静钢 沸腾钢
机械设计—带传动二、齿轮传动分类按齿轮类型分：直齿圆柱齿轮传动 锥齿轮传动
斜齿圆柱齿轮传动
按装置形式分：开式传动、半开式传动、闭式传动。
按使用情况分：动力齿轮─以动力传输为主，常为高速重载 或低速重载传动。
传动齿轮─以运动准确为主，一般为轻载高精度传动。
按齿面硬度分：软齿面齿轮（齿面硬度≤350HBS或38HRS） 硬齿面齿轮（齿面硬度＞350HBS或38HRS）
2．铸钢 当齿轮的尺寸较大(大于400一600mm)而不便于锻造时，可
用铸造方法制成铸钢齿坯，再进行正火处理以细化晶粒。 3．铸铁
低速、轻载场合的齿轮可以制成铸铁齿坯。当尺寸大于 500mmm时可制成轮辐式齿轮。
机械设计—带传动 补充：机械制造常用材料
一、常用材料 常用金属材料
钢 ——含碳量≤ 2%
机械设计—带传动
3.齿面磨损
主要措施：采用闭式传动；提高齿面硬度；降低齿面 粗糙度；采用清洁的润滑油。
机械设计—带传动
4.齿面胶合
防止胶合的措施：提高齿面硬度；降低齿面 粗糙度；增大润滑油粘度；限制油温。
机械设计—带传动
5.塑性变形
措施：提高齿面硬度；增大润滑油粘度。
机械设计—带传动
二.齿轮传动设计准则
优选碳素钢，其次是硅、锰、硼、钒类合金钢。
机械设计—带传动
2、铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。 特点：良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零件。 较好的减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）、成本低廉 应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之
机械设计—带传动
二、钢的热处理简介
钢的热处理是指将钢在固态下进行不同温度的加热、 保温和冷却的方法，是其内部组织结构发生变化， 从而达到提高零件的力学性能和改善其工艺性能的 目的。
（1）普通碳素结构钢
Q235-A、F， s 235 MPa
（2）优质碳素结构钢 25、35、45、60--平均含碳量
（3）合金结构钢
25Cr2MoV
（4）铸钢
ZG235-450、ZG35SiMn
特点：钢具有高的强度、韧性和塑性。可用热处理方法改 善其力学性能和加工性能。
零件毛坯获取方法：锻造、冲压、焊接、铸造等。 应用：应用范围极其广泛。 选用原则：
常用的热处理方法有：退火、正火、淬火、回火、调 质及表面热处理等。
温
保温
度
退火
加 热
临界温度
淬
火
回
火
正火 调质
机械设计—带传动
1 退火 是将钢加热到临界温度（约723℃）以上（3050℃），保温一段时间，然后工件随炉温缓慢冷却。 消除锻造、焊接的内应力，降低硬度，改善切削加工 性能。
2 正火 与退火相似，只是在保温后，在空气中冷却，冷 却速度比退火快。作用于退火类似，但比退火经济， 可作为零件的最终热处理。
1、对于闭式齿轮传动：
1）软齿面（≤350HBS）齿轮主要失效形式是齿面点蚀，故 可按齿面接触疲劳强度设计计算，按齿根弯曲疲劳强度校核.
2）硬齿面（>350HBS）或铸铁齿轮，由于抗点蚀能力 较高，轮齿折断的可能性较大，故可按齿根弯曲疲劳强度设 计计算，按齿面接触疲劳强度校核。
对高速重载齿轮传动，除以上两设计准则外，还应按齿面抗胶 合能力的准则进行设计。
机械设计—带传动
二、齿轮的常用材料
1．锻钢 锻钢因具有强度高、韧性好、便于制造、便于热处
理等优点，大多数齿轮都用锻钢制造。
(1)软齿面齿轮：齿面硬度<350HBS，常用中碳钢和中 碳合金钢，如45钢．40Cr，35SiMn等材料，进行调质或 正火处理。这种齿轮适用于强度、精度要求不高的场合， 轮坯经过热处理后加工，生产便利、成本较低。
机械设计—带传动
第二节 齿轮传动的失效形式及设计准则 一、齿轮的失效形式
1.轮齿折断
提高轮齿抗折断能力的措施：增大齿根圆角半径，消除加工刀痕以降 低齿根应力集中；增大轴及支承物的刚度以减轻局部过载的程度；对 轮齿进行表面处理以提高齿面硬度
机械设计—带传动
2.齿面点蚀
主要措施：提高齿面硬 度；降低齿面粗糙度； 增大润滑油粘度；采用 合理变位。
3 淬火 是将钢加热到临界温度以上，保温一段时间，而 后在水、盐水或油中快速冷却。获得高强度和高硬度， 提高耐磨性和耐蚀性。但产生很大内应力，降低塑性 和韧性，故应回火已得到较好的综合性能。
2、对于开式齿轮传动，齿面磨损为其主要失效形式， 故通常按照齿根弯曲疲劳强度进行设计计算，确定齿轮的 模数，考虑磨损因素，再将模数增大10%——20%。
机械设计—带传动
第三节 齿轮的材料及其选用原则
一、齿轮材料的基本要求
齿面要硬、齿芯要韧，即: (1)齿面应有足够的硬度，以抵抗齿面磨损、点蚀、 胶合以及塑性变形等； (2)齿芯应有足够的强度和较好的韧性，以抵抗齿 根折断和冲击载荷； (3)应有良好的加工工艺性能及热处理性能，使之 便于加工且便于提高其力学性能。
机械设计—带传动
第一节 概述
一、齿轮传动的特点
1、优点： （1）适用的圆周速度和功率范围广； （2）传动效率高； （3）传动比稳定； （4）工作可靠,寿命较长； （5）可实现任意轴之间的传动。
2、缺点：（1）要求较高的制造和安装精度，成本高； （2）不适宜于远距离两轴之间的传动。
机械设计—带传动
机械设计—带传动
机械设计—带传动
机械设计—带传动
第7章 齿轮传动
教学目标：了解齿轮传动的失效形式及设计准则； 了解齿轮材料及选用原则； 能够计算齿轮传动的计算载荷； 能够进行标准直齿圆柱齿轮的受力分析。
教学重点: 1.齿轮传动的失效形式及设计准则； 2.标准直齿圆柱齿轮的受力分析。
教学难点：标准直齿圆柱齿轮的受力分析。
(2)硬齿面齿轮: 硬齿面齿轮的齿面硬度大于350HBS， 常用的材料为中碳钢或中碳合金钢经表面淬火或渗碳淬火 处理。加工后进行热处理,若变形过大,则需精加工。
机械设计—带传动
在确定大、小齿轮硬度时应注意使小齿轮的齿面硬度比大 齿轮的齿面硬度高20一50HBS，这是因为小齿轮轮齿啮合次 数比大齿轮多，且小齿轮齿根较薄．为使两齿轮的轮齿接近等 强度，小齿轮的齿面要比大齿轮的齿面硬一些。