第十章
本章内容
齿轮传动的失效形式 齿轮的材料及其选择原则
齿轮传动的计算载荷
圆柱齿轮传动的强度计算
齿轮设计参数与许用应力
斜齿轮、锥齿轮的强度计算
齿轮的结构设计及齿轮传动的润滑等。
本章学习目标
1、熟悉齿轮传动特点及应用，掌握齿轮传动的几种失效形式及其产生原因。
2、了解齿轮材料及热处理方法，掌握齿轮材料的选择原则。
3、掌握直齿圆柱齿轮传动的受力分析及强度计算方法。
4、熟悉齿轮传动的设计参数、许用应力。
5、了解斜齿圆柱齿轮、直齿锥齿轮的受力分析及强度计算方法。
6、熟悉齿轮的结构形式及齿轮传动的润滑方式。
本章重点和难点
一、齿轮的失效形式和设计准则
1、齿轮按工作条件分类
开式传动：适于低速及不重要的场合
半开式传动：只有简单防护罩适于农业机械、建筑机械及简单机械设备
闭式传动：润滑、密封良好，适于汽车、机床及航空发动机等的齿轮传动中
软齿面HBS≤350，硬齿面HBS＞350。
2、失效形式
一般地说，齿轮传动的失效主要是轮齿的失效。
1）轮齿折断（开式齿轮传动或硬齿面齿轮传动的主要失效形式）：一般发生在齿根处，严重过载齿根弯曲静应力超过强度极限导致突然断裂、正常工作载荷下齿根弯曲交变应力超过疲劳极限导致的疲劳折断。
2）齿面点蚀（闭式软齿面齿轮传动的主要失效形式）：齿面接触应力按脉动循环变化当超过疲劳极限时，表面产生微裂纹、高压油挤压使裂纹扩展、微粒剥落。点蚀首先出现在节线处，齿面越硬，抗点蚀能力越强。
3）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。当齿面相对滑动时，较软的齿面沿滑动方向被撕下而形成沟纹。有些低速重载的重型齿轮传动，由于齿面间的油膜遭到破坏，也会产生胶合失效。此时，齿面的瞬时温度并无明显增高，故称为冷胶合。
4）齿面磨损（开式齿轮传动的主要形式之一）：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，改用闭式齿轮传动是避免齿面磨粒磨损最有效的方法。
5）齿面塑性变形：在过大的应力作用下，轮齿材料处于屈服状态而产生的齿面或齿体塑性流动所形成的。塑性变形一般发生在硬度低的齿轮上；但在重载作用下，硬度高的齿轮上也会出现。齿面塑性变形属于轮齿永久变形。
3、设计准则
保证足够的齿根弯曲疲劳强度，以免发生齿根折断。
保证足够的齿面接触疲劳强度，以免发生齿面点蚀。
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。
工程实践中：
1）闭式软齿面齿轮传动，以保证齿面接触疲劳强度为主。
2）闭式硬齿面或或材质较脆的齿轮传动，以保证齿根弯曲疲劳强度为主。
3）开式传动以保证弯曲疲劳强度为准则，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。
二、对齿轮材料的基本要求
齿轮的齿体应有较高的抗折断能力，齿面应有较强的抗点蚀、抗磨损和较高的抗胶合能力。
1、齿面要硬，齿芯要韧
2、易于加工及热处理
3、软齿面齿轮齿面配对硬度差为30~50HBS
三、齿轮传动的计算载荷
Fn为轮齿所受的公称法向载荷，实际传动中由于原动机、工作机性能的影响以及制造误差的影响，载荷会有所增大，Fca=KFn。
载荷系数K=KA Kv Kα Kβ
使用系数KA, 考虑了齿轮啮合时，外部因素引起的附加动载荷对传动的影响。它与原动机与工作机的类型与特性，联轴器类型等有关。
动载系数Kv, 考虑齿轮制造误差及弹性变形引起的附加动载荷。影响因素：齿轮的制造精度及圆周速度。
齿间载荷分配系数Kα, 考虑同时有多对齿啮合时各对轮齿间载荷分配的不均匀，影响因素：齿轮的精度、齿面硬度。
齿向载荷分布系数Kβ, 由于受力变形、制造误差、安装误差，齿面上载荷沿接触线分布不均（载荷集中），引起附加动载荷的现象。影响因素：精度、齿面硬度 、齿宽、齿轮相对轴承的位置。
四、轮齿受力分析
圆周力Ft：主动轮圆周力Ft1与n1相反，从动轮圆周力Ft2与n2相同。Ft1=(2T1)/d1
径向力Fr：指向各自的回转中心。
轴向力Fa：斜齿轮传动中主动轮轴向力用主动轮左右手定则判断(主动轮为左旋齿轮用左手，主动轮为右旋齿轮用右手。判断时，用手握住主动齿轮的轴线，让四指弯曲的方向与主动齿轮的转向相同，则大拇指的指向即为主动齿轮所受轴向力Fa1的方向。而从动轮所受轴向力的方向与主动轮的相反)。圆锥齿轮传动中轴向力指向圆锥齿轮各自的大端。
七、齿轮的结构和齿轮传动的润滑
1、按齿轮直径大小，选定合适的结构形式
da≤160mm时采用实心结构，当圆柱齿轮e≤2mn，圆锥齿轮e≤1.6m时做齿轮轴。
160mm<da<500mm采用腹板结构
400mm<da<1000mm 采用轮辐结构
2、齿轮传动的润滑取决于圆周速度
v≤12m/s 采用浸油润滑
v>12m/s 采用喷油润滑
本章学习时间：建议6小时。