齿轮传动
齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一，其应用范围十分广泛，型式多样，传递功率从很小到很大（可高达数万千瓦）。
一、齿轮传动的主要特点：
1.传动效率高：可达99％。在常用的机械传动中，齿轮传动的效率为最高；
2.结构紧凑：与带传动、链传动相比，在同样的使用条件下，齿轮传动所需的空间一般较小；
3.与各类传动相比，齿轮传动工作可靠，寿命长；
4.传动比稳定：无论是平均值还是瞬时值。这也是齿轮传动获得广泛应用的原因之一；
5.与带传动、链传动相比，齿轮的制造及安装精度要求高，价格较贵。
l按齿轮类型分：直齿圆柱齿轮传动、斜齿圆柱齿轮传动、锥齿轮传动、人字齿轮传动
l按传动速度分类：低速传动、一般速度传动、高速传动
l按承载能力分类：轻载传动、一般载荷、传动重载传动
l按装置形式分：开式传动、半开式传动、闭式传动
如在农业机械、建筑机械以及简易的机械设备中，有一些齿轮传动没有防尘罩或机壳，齿轮完全暴露在外边，这叫开式齿轮传动。这种传动不仅外界杂物极易侵入，而且润滑不良，因此工作条件不好，轮齿也容易磨损，故只宜用于低速传动。齿轮传动装有简单的防护罩，有时还把大齿轮部分地浸入油池中，则称为半开式齿轮传动。它工作条件虽有改善，但仍不能做到严密防止外界杂物侵入，润滑条件也不算最好。而汽车、机床、航空发动机等所用的齿轮传动，都是装在经过精确加工而且封闭严密的箱体的，这称为闭式齿轮传动(齿轮箱)。
l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。
l按齿面硬度分：软齿面齿轮（齿面硬度≤HBS或38HRC）、硬齿面齿轮（齿面硬度＞HBS或38HRC）。一般采用淬火处理的齿轮硬度＞HBS，脆性较大。采用调质、常化处理的齿轮硬度≤HBS，且韧性较好。
轮齿传动的失效形式
齿轮传动的失效主要是指轮齿的失效，其失效形式是多种多样的。常见的失效形式有：轮齿折断、齿面磨损、齿面点蚀、齿面胶合、塑性变形。
除上述五种主要形式外，还可能出现齿面融化、齿面烧伤、电蚀、异物啮入和由于不同原因产生的多种腐蚀和裂纹等。由于齿轮其它部分（齿圈、轮辐、轮毂等）通常是经验设计的，其尺寸对于强度和刚度而言均较富裕，实践中也极少失效。
1.轮齿折断
按失效机理分：
l疲劳折断受循环变化的弯曲应力的反复作用的结果
l过载折断短时过载或冲击载荷作用的结果
?直齿轮－齿宽较小时常发生整齿折断；齿宽较大时，因制造装配误差易产生载荷偏置一端，导致局部折断；
?轮齿因短时意外的严重过载而引起的突然折断－过载折断；
?齿根部受较大的交变弯曲应力－疲劳折断；
齿根危险截面的弯曲应力的作用是产生齿根裂纹的主要原因。
l整体折断轮齿齿根部分所受弯曲应力大，同时齿根部分存在刀痕和尺寸变化所引起的应力集中，出现沿整个齿宽折断。―常见于直齿轮。
l局部折断载荷集中作用于斜齿轮啮合线，或直齿轮齿宽大，出现偏载，都会引起局部折断。―常见于斜齿轮和制造精度低的直齿轮。
l折断后果―常导致严重事故
2.齿面点蚀
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。
l常见场所―润滑良好的闭式软齿面齿轮传动。
l点蚀形式：初始点蚀（跑和点蚀）、扩展性点蚀
l点蚀原因―脉动循环变化的接触应力长期作用。
l点蚀过程―细小裂纹→麻点→片状剥落
l点蚀部位―靠近节线的齿根表面。
l点蚀后果―传动状况恶化或失效。
l开式传动一般不会发生点蚀，点蚀未经形成，便被磨掉。
3.齿面磨损
l常见场所―开式传动
l磨损主要形式―磨粒磨损
l磨损结果―侧隙增大，传动恶化
l齿根变薄→折断
改进措施―
（1）采用闭式传动，经常更换或清洁润滑油，保持良好的润滑；
（2）提高齿面硬度，减小齿面粗糙度；
（3）采用合适的跑合措施，使轮齿在工作期处于良好的啮合状态等。改为闭式传动是最有效的预防磨损措施。
4.齿面胶合
两齿面相对运动，较软的齿面金属被撕下，轮齿工作表面形成沿相对滑动方向的沟痕，称齿面胶合。
高速重载：齿面啮合区压力大，瞬间温度高，润滑效果差，金属直接接触，齿面相粘，运动时齿面被撕裂。热焊现象或热胶合。
低速重载：局部压力过大，齿面间油膜遭到破坏，动力润滑无法形成，瞬时温度并无明显增高，故称为冷焊或冷胶合。
改善措施
（1）采用抗胶合能力强的润滑剂。或在润滑剂中加入极压添加剂。
（2）采用抗胶合性能强的材料制作齿轮。
（3）选择合适的齿轮参数（比如适当减小齿轮模数）、减小齿面相对滑动速度、提高齿面硬度、降低表面粗糙度值等。
5.齿面塑性变形
由于在过大的应力作用，轮齿材料处于屈服状态，较软的齿面或齿体材料在相对滑动过程发生局部金属塑性流动的现象，称为齿面塑性变形。塑性变形发生场所：主要为齿轮材料屈服极限和硬度较低的场所。齿面塑性变形的原因：―重载时过大的摩擦力作用。齿面塑性变形特征：
1）沿摩擦力方向形成。
2）在主动轮齿面节线处产生凹坑，在从动轮节线处产生凸台。
轮齿传动的设计准则
1.闭式齿轮传动
（1）闭式软齿面（硬度＜HBS）：先按接触强度设计（确定尺寸），再按弯曲强度进行校核
（2）闭式硬齿面（硬度＞HBS）：同时按接触强度、弯曲强度设计（确定尺寸），选择最优者
2.开式（半开式）传动：
仅按弯曲强度设计，不再进行校核考虑磨损的影响将设计出的m增大10％～15%。
3.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。
对齿轮的轮圈、轮幅、轮毂部位尺寸只作结构设计，不作强度计算
常用材料及许用应力
1、对齿轮材料性能的要求：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，即要求：齿面硬、芯部韧。
2、常用的齿轮材料：钢材的韧性好，耐冲击，通过热处理和化学处理可改善材料的机械性能，最适于用来制造齿轮。
3、齿轮材料的热处理和化学处理
表面淬火（高频淬火、火焰淬火）、渗碳淬火、调质、正火、渗氮
(1)表面淬火：一般用于中碳钢和中碳合金钢，如45、40Cr等。表面淬火后轮齿变形小，可不磨齿，硬度可达52~56HRC，面硬芯软，能承受一定冲击载荷。
(2)渗碳淬火：渗碳钢为含碳量0.15%~0.25%的低碳钢和低碳合金钢，如20、20Cr等。齿面硬度达56~62HRC，齿面接触强度高，耐磨性好，齿芯韧性高。常用于受冲击载荷的重要传动。通常渗碳淬火后要磨齿。
(3)调质：调质一般用于中碳钢和中碳合金钢，如45、40Cr、35SiMn等。调质处理后齿面硬度为：~HBS。因为硬度不高，故可在热处理后精切齿形，且在使用中易于跑合。
(4)正火：正火能消除内应力、细化晶粒、改善力学性能和切削性能。机械强度要求不高的齿轮可用中碳钢正火处理。大直径的齿轮可用铸钢正火处理。
(5)渗氮：渗氮是一种化学处理。渗氮后齿面硬度可达60~62HRC。氮化处理温度低，轮齿变形小，适用于难以磨齿的场合，如内齿轮。材料为：38CrMoAlA.
特点及应用：调质、正火处理后的硬度低，HBS≤，属软齿面，工艺简单、用于一般传动。当大小齿轮都是软齿面时，因小轮齿根薄，弯曲强度低，故在选材和热处理时，小轮比大轮硬度高:20~50HBS。表面淬火、渗碳淬火、渗氮处理后齿面硬度高，属硬齿面。其承载能力高，但一般需要磨齿。常用于结构紧凑的场合。
齿轮材料的选择原则
（1）齿轮材料应能满足工作要求。即正火碳钢常用于载荷平稳或轻度冲击下工作的齿轮；调质钢则用于中等冲击载荷下工作的齿轮；合金钢多用于高速、重载、冲击载荷下工作的齿轮;铸铁和铸钢常用于功率大、速度较低、环境中粉尘含量高等场合。
（2）齿轮尺寸大小、毛坯成型方式、热处理和制造工艺。大尺寸齿轮采用铸钢或铸铁；中等尺寸齿轮采用锻钢；小尺寸齿轮采用圆钢；小功率、运转平稳、噪音小可选用非金属材料。
（3）大、小齿轮都是软齿面时，应使小齿轮齿面硬度比大齿轮高20~50HBS。
（4）当大、小齿轮都是硬齿面时，小齿轮的硬度应略高3～5HRC，也可和大齿轮相等。
（5）硬度高的齿面，表面粗糙度值应当相应减小，以避免对配对齿轮的较软齿面造成过大的磨损。
（6）为提高齿轮抗胶合能力，推荐配对齿轮采用不同牌号的钢制作，同时要求适当提高齿面硬度差。
（7）要考虑工艺条件。如厂家的工艺水平、设备、产品批量等。
（8）要考虑材料、制造技术的合理性、先进性和经济性。此外，还应综合考虑传动比、寿命、可靠性等要求。
齿轮传动的润滑
一、齿轮传动润滑的目的：齿轮传动时，相啮合的齿面间有相对滑动，因此就会产生摩擦和磨损，增加动力消耗，降低传动效率。对齿轮传动进行润滑，就是为了避免金属直接接触，减少摩擦磨损，同时还可以起到散热和防锈蚀的目的。
二、齿轮传动的润滑方式
开式及半开式齿轮传动或速度较低的闭式齿轮传动，通常采用人工周期性加油润滑。通用的闭式齿轮传动，常采用浸油润滑和喷油润滑。
闭式齿轮传动的润滑方式由圆周速度v确定。
当v≤12m/s时，采用油池润滑。
当v12m/s时，采用油泵喷油润滑。
高速齿轮传动采用喷油润滑的理由：(1)v过高，油被甩走，不能进入啮合区；(2)搅油过于激烈，使油温升高，降低润滑性能；(3)搅起箱底沉淀的杂质，加剧轮齿的磨损。
习题练习：
1一般开式齿轮传动的主要失效形式为（）。
轮齿疲劳折断、齿面磨损、齿面疲劳点蚀、齿面胶合
2高速重载齿轮传动，当润滑不良时，最可能出现的失效形式为（）。
轮齿疲劳折断、齿面磨损、齿面疲劳点蚀、齿面胶合
3齿轮的齿面疲劳点蚀经常发生在（）。
靠近齿顶处、靠近齿根处、节线附近的齿顶一侧、节线附近的齿根一侧
4设计一对软齿面齿轮传动，从等强度要求出发，选择硬度时候应使（）。
大小齿轮的硬度相等、小齿轮硬度高于大齿轮硬度、大齿轮硬度高于小齿轮硬度、
小齿轮用硬齿面，大齿轮用软齿面
5其他条件不变，将齿轮传动的载荷增加为原来的4倍，其齿面接触应力（）。
不变、增为原应力的2倍、增为原应力的4倍、增为原应力的16倍
6设计闭式软齿面齿轮传动时，选择小齿轮齿数Z1的原则是（）。
Z1越多越好、Z1越少越好、Z1≥17，不产生根切就好、在保证弯曲强度的前提下选多一些
7设计硬齿面齿轮传动，当直径一定，常取较少的齿数、较大的模数，原因是（）。
提高轮齿的弯曲疲劳强度、提高齿面的接触疲劳强度、减少加工切削量，提高生产率、提高轮齿抗塑性变形的能力
8设计齿轮传动时，若保持传动比以及齿数和不变，增大模数，则齿轮的（）。
弯曲强度提高，接触强度提高、弯曲强度不变，接触强度提高、弯曲强度提高，接触强度不变、弯曲强度和接触强度均不变
9圆柱齿轮传动的中心距不变，减小模数、增加齿数，可以（）。
提高齿轮的弯曲强度、提高齿面的接触强度、改善齿轮传动平稳性、减小齿轮的塑性变形
10齿形系数取决于（）。
模数、齿数、分度圆直径、重合度
羊台子巷32号