下载文档原格式
齿轮材料的许用应力与安全系数齿轮材料许用应力与安全系数不言而喻，如何选用材料许用应力，是齿轮强度设计的关键，安全系数取的太低往往带来使用安全风险，安全系数取的太高则必然造成材料和能源浪费。
上世纪尤其80年代之前一些钢种如45#、40Cr、Q235(A3)、Q345(16Mn) 的许用应力数据比较全，很多设计手册中都有，但齿轮材料(如20CrMnTi、20CrNi3、20CrNiMo、20CrNiMo等)的许用应力数据，往往在设计手册中是找不到的。
本文根据机械设计的基本原则和材料标准中强度数据，演算出齿轮材料弯曲许用应力、疲劳许用应力和接触许用应力数据，供齿轮设计人员参考使用。
一、许用应力选择依据1、许用弯曲应力—用于齿根强度计算根据设计手册，静载荷拉应力安全系数:低强度钢n=1.4-1.8;高强钢n=1.7-2.2;ss以屈服强度为基数。
齿轮材料屈服强度数据可从GB/T699-1999、GB/T1591-2008、GB/T3077-1999标准中选取。
受弯曲应力比拉应力状况会好一些，许用应力可以提高15-20%。
2、许用弯曲疲劳应力—用于齿根疲劳强度计算疲劳载荷安全系数:低强度钢n=1.5-1.8;高强钢n=1.8-2.5。
-1s弯曲疲劳强度极限σ=0.27(σ+σ)，σ和σ数据可从GB/T699-1999、-1sbsbGB/T1591-2008、GB/T3077-1999标准中选取。
3、许用接触应力—用于齿面接触强度计算许用接触应力不但与齿轮本身材料硬度有关，与其配对的齿轮硬度也有关联，下列数据是将齿轮副当同一材料看待。
齿轮硬度根据齿轮材料及其热处理方法来确定，多数数据可以从GB/T5216-2004标准选取。
许用应力数值是材料布式硬度的0.59-0.69，随着硬度提高，比例也增高。
二、常见齿轮材料许用应力屈服强度抗拉强度弯曲许用应力疲劳许用应力接触许用应力序号材料牌号热处理方法硬度HB Mpa Mpa MPa Mpa Mpa 1 Q235 正火 129 235 435 141 85 330 2 Q275 正火 141 275 475 164 92 359 3 Q345 正火 163 345 550 208 124 470 4 Q390 正火 169 390 570 226 135 511 5 45 调质 215 355 685 212 153 470 6 40MnB 调质 280 785 980 470 256 600 7 40Cr 调质 255 785 980 470 256 600 8 20CrMnTi 渗碳淬火回火 320 850 1080 510 280 745 9 20CrNi 渗碳淬火回火 232 590 785 354 199 620 10 20MnTiB 渗碳淬火回火 333 930 1130 558 299 745 11 20CrNi3 渗碳淬火回火 275 735 930 441 241 650 12 20CrMo 渗碳淬火回火 262 685 885 411 228 620 13 20CrNiMo 渗碳淬火回火 290 785 980 471 256 650 14 38CrMoAl 调质后渗氮 290 835 980 501 263 650 15 42CrMo 调质后渗氮319 930 1080 558 280 745 16 12Cr2Ni4 调质后渗氮 348 1030 1180 648 328 745三、使用注意事项1、本表数据与热处理方法紧密相关，包括淬火温度和回火温度。
一、常用的齿轮材料是钢、铸铁和非金属材料。
1、锻钢钢材的韧性好，耐冲击，还可以通过热处理或化学热处理改善其力学性能及提高齿面硬度，故最适应于用来制造齿轮。
除尺寸过大（da＞400~600mm）或者是结构形状复杂只宜铸造者外，一般都用锻钢制造齿轮，常用的是含碳量在(0.15～0.6)%的碳钢或合金钢。
制造齿轮的锻钢可分为：软齿面（硬度≤350HBS）：经热处理后切齿的齿轮所用的锻钢对于强度、速度及精度都要求不高的齿轮，应采用以便于切齿，并使刀具不致迅速磨损变钝。
因此，应将齿轮毛坯经过正火（正火）或调质处理后切齿。
切制后即为成品。
其精度一般为8级，精切时可达7级。
这类齿轮制造简便、经济、生产效率高。
硬齿面（硬度＞350HBS）：需进行精加工的齿轮所用的锻钢高速、重载及精密机器（如精密机床、航空发动机）所用的主要齿轮传动，除要求材料性能优良，轮齿具有高强度及齿面具有高硬度（如58～65HRC）外，还应进行磨齿等精加工。
需精加工的齿轮目前多是先切齿，再做表面硬化处理，最后进行精加工，精度可达5级或4级。
这类齿轮精度高，价格较贵，所以热处理方法有表面淬火、滲碳、氮化、软氮化及氰化等。
所以材料视具体要求及热处理方法而定。
合金钢根据所含金属的成分及性能，可分别使材料的韧性、耐冲击、耐磨及抗胶合的性能等获得提高，也可通过热处理或化学热处理改善材料的力学性能及提高齿面的硬度。
所以对于既是高速、重载又要求尺寸小、质量小的航空用齿轮，就都用性能优良的合金钢（如20CrMnTi，20Cr2Ni4A等）来制造。
2、铸钢铸钢的耐磨性及强度均较好，但应经退火及正火处理，必要时也可进行调质。
铸钢常用于尺寸较大的齿轮。
3．铸铁灰铸铁性质较脆，抗冲击及耐磨性都较差，但抗胶合及抗点蚀的能力较好。
灰铸铁齿轮常用于工作平稳、速度较低、功率不大的场合。
4．非金属材料对高速轻载及精度不高的齿轮传动，为了降低噪声，常用非金属材料（如夹布胶木、尼龙等）做小齿轮，大齿轮仍用钢或铸铁制造。
齿轮的材料、寿命系数和极限应力院（系）名称机械工程学院专业名称机械制造学生姓名李岩学生学号SY13072022013年11月齿轮的材料、寿命系数和极限应力摘要齿轮是机械传动中应用最广泛的零件之一, 它在工作中的受力情况比较复杂。
在齿轮的制造过程中, 合理选择材料与热处理工艺, 是提高承载能力和延长使用寿命的必要保证。
在满足工作要求的前提下合理选择齿轮的寿命系数，这对实际工作有着十分重要的意义。
本文就常用齿轮材料的选择及热处理工艺，不同标准下寿命系数的计算方法进行了分析。
关键词：齿轮材料，热处理，疲劳极限，寿命系数The material, life factor and ultimate stress of gearAbstractThe gear is one of the most widely used parts in mechanical transmission, and the state of forces it suffers in the work is more complicated. In the manufacturing process of gears, the rational choice of material and heat treatment process is a necessary guarantee to improve the bearing capacity and extend the life. Choosing the rational life factor is very important. In this paper, material selection and heat treatment process of gears, as well as different calculation methods of standards commonly used in life factor are analyzed.Key words: material of gears，heat treatment，fatigue limit，life factor目录1绪论 (1)1.1 齿轮的材料和热处理 (1)1.2 齿轮的寿命系数 (1)1.3 齿轮的疲劳极限 (2)2齿轮的材料和热处理 (4)2.1 锻钢 (4)2.1.1 高承载能力的重要齿轮 (4)2.1.2 中等承载能力的齿轮 (5)2.1.3 较低承载能力的齿轮 (6)2.2 铸钢 (7)2.3 铸铁 (7)2.4 有色金属 (7)2.5 非金属材料 (7)3齿轮的疲劳曲线和寿命系数 (9)3.1 疲劳曲线和寿命系数的一般表达式 (9)3.2 疲劳曲线的其它表达式 (12)3.3 接触疲劳曲线中的特征数（p和N∞） (12)3.4 接触强度寿命系数值的比较 (15)N） (16)3.5 弯曲疲劳曲线中的两个特征数（p和4齿轮的疲劳极限 (18)4.1 比较接触疲劳极限的前提条件 (18)4.2 接触疲劳极限值的分析比较 (23)4.3 比较弯曲疲劳极限值的前提条件 (27)4.4 弯曲疲劳极限值的分析比较 (30)结论 (36)参考文献 (37)1绪论1.1齿轮的材料和热处理齿轮是机械传动中应用最广泛的零件之一, 它的功用是按规定的速比传递动力和运动。
齿轮的材料和许用应力一、齿轮的材料及其热处理1 、锻钢(1)常用锻钢有两大类：A、优质碳素钢：45、50等B、合金钢：35SiMn、40Cr、20CrMnTi等(2)热处理A、正火B、调质----得到的均是软齿面(硬度≤350HBS)，常用于对尺寸和精度要求不高的传动注意：为了保证大、小齿轮有相同的使用寿命，小轮齿面硬度应比大轮高30～50HBSC、表面淬火D、渗碳淬火E、表面氮化----得到的均是硬齿面(硬度＞350HBS)，常用于高速、重载、精密传动2、铸钢耐磨性和强度均较好，承载能力稍低于锻钢，常用于尺寸较大(d>400～600mm)且不宜锻造的场合。
3、铸铁：HT300、HT350等抗弯及耐冲击性较差，主要用于低速、工作平稳、传递功率不大和对尺寸与重量无严格要求的开式齿轮。
4、非金属材料：夹布胶木、尼龙等弹性模量小，在承受相同载荷的情况下，接触应力低，但它的硬度、接触强度和抗弯强度低。
常用于高速、小功率、精度不高或要求噪声低的场合。
常用的齿轮材料及其机械性能见表3-3。
表3-3 齿轮常用材料及其机械性能二、许用应力齿轮的许用应力是根据试验齿轮的接触疲劳极限和弯曲疲劳极限确定的，试验齿轮的疲劳极限又是在一定试验条件下获得的。
当设计齿轮的工作条件与试验条件不同时，需加以修正。
经修正后的许用接触疲劳应力和许用弯曲疲劳应力为：许用接触疲劳应力(3-11)许用弯曲疲劳应力(3-12)式中：σHlim、σFlim分别为试验齿轮的接触疲劳极限和弯曲疲劳极限(MPa)；Z N、Y N分别为接触强度和弯曲强度计算的寿命系数；Y ST为试验齿轮的应力修正系数，Y ST＝2.0；S H min、S F min分别为接触强度和弯曲强度计算的最小安全系数。
1、试验齿轮的疲劳极限σHlim、σFlim试验齿轮的疲劳极限是在持久寿命期限内，失效概率为1％时，经运转试验获得，其值分别由图3-16和图3-17查得。
齿轮传动的许用应力
许用应力是根据工作时的应力状态，零件预期寿命和可靠度决定的。
齿轮工作时，轮齿受到的σH 和σF 都是周期性循环变化的，应从材料的疲劳强度出发，确定有限寿命时的疲劳极限。
由前述内容知：式中：
σr——对应于N0时的极限应力
N——有效循环次数
N0 --循环基数，
m--与应力状态有关的指数
许用应力为疲劳极限除以安全系数：
式中：
S--安全系数，接触强度：S＝l，弯曲强度：SF=1.25～1.5
σlim--齿轮材料的极限疲劳（用试验方法确定）
对弯曲疲劳强度极限σFlim值，查书图
对接触疲劳强度极限σHlim值，查书图
KN--寿命系数（与N有效寿命时的应力循环次数有关查书图）
说明：
①一般设计中采取图中偏下的数值
②图中所有数据对应脉动循环应力时的数值；如为对称循环，图中值乘以0.7做为极限值。
③对开式传动齿轮，弯曲疲劳强度许用应力应降低20～40％。
(end)。
9.10齿轮常用材料及许用应力为了保证齿轮工作的可靠性，提高其使用寿命，齿轮的材料及其热处理应根据工作条件和材料的特点来选取。
对齿轮材料的基本要求是：应使齿面具有足够的硬度和耐磨性，齿心具有足够的韧性，以防止齿面的各种失效，同时应具有良好的冷、热加工的工艺性，以达到齿轮的各种技术要求。
常用的齿轮材料为各种牌号的优质碳素结构钢、合金结构钢、铸钢、铸铁和非金属材料等。
一般多采用锻件或轧制钢材。
当齿轮结构尺寸较大，轮坯不易锻造时，可采用铸钢；开式低速传动时，可采用灰铸铁或球墨铸铁、低速重载的齿轮易产生齿面塑性变形，轮齿也易折断，宜选用综合性能较好的钢材；高速齿轮易产生齿面点蚀，宜选用齿面硬度高的材料；受冲击载荷的齿轮，宜选用韧性好的材料。
对高速、轻载而又要求低噪声的齿轮传动，也可采用非金属材料、如夹布胶木、尼龙等。
常用的齿轮材料及其力学性能列于下表。
钢制齿轮的热处理方法主要有以下几种：●表面淬火表面淬火常用于中碳钢和中碳合金钢，如 45、 40Cr钢等。
表面淬火后，齿面硬度一般为40～55HRC。
特点是抗疲劳点蚀、抗胶合能力高。
耐磨性好；由于齿心部分未淬硬，齿轮仍有足够的韧性，能承受不大的冲击载荷。
●渗碳淬火渗碳淬火常用于低碳钢和低碳含金钢，如 20、 20Cr钢等。
渗碳淬火后齿面硬度可达56～62HRC，而齿轮心部仍保持较高的韧性，轮齿的抗弯强度和齿面接触强度高，耐磨性较好，常用于受冲击载荷的重要齿轮传动。
齿轮经渗碳淬火后，轮齿变形较大，应进行磨削加工。
●渗氮渗氮是一种表面化学热处理。
渗氮后不需要进行其他热处理，齿面硬度可达700～900HV。
由于渗氮处理后的齿轮硬度高，工艺温度低，变形小，故适用于内齿轮和难以磨削的齿轮，常用于含铅、钼、铝等合金元素的渗氮钢，如38CrMoAl等。
●调质调质一般用于中碳钢和中碳合金钥，如45、40Cr、35SiMn钢等。
调质处理后齿面硬度一般为220～280HBS。
