CA6140机械系统设计(5)

4、齿面胶合 5、塑性变形 §4.2.2 齿轮材料

一、钢-最常用的齿轮材料，可通过热处理改善机械性能 1、锻钢

软齿面齿轮（HBS≤350）：如45、40Cr热处理，正火调质，加工方法，热处理后精切齿形→ 8、7级，适合于对精度、强度和速度要求不高的齿轮传动。

硬齿面齿轮（HBS>350）（是发展趋势）：20Cr，20CrMnTi，40Cr，30CrMoAlA，表面淬火，渗碳淬火，氮化和氰化，先切齿→表面硬化→磨齿精切齿形→ 5、6级 ，适合于高速、重载及精密机械（如精密机床、航空发动机等）。

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。 二、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。

铸铁分为：灰铸铁；球墨铸铁—有较好的机械性能和耐磨性。

三、非金属材料—工程塑料（ABS、尼龙、取胜酰铵）、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。在某些低速和仪器仪表中还用铜合金和铝合金作齿轮材料（具有耐腐蚀、自润滑等特性）。

§4.2.3 齿轮材料的选择原则

1、材料应有足够的强度，且外硬内韧；

2、合理选择材料配对，软齿面齿轮要求 HBS 1 =HBS 2 +35～50； 3、考虑加工工艺。 §4.2.4 齿轮的具体制造方法

制造齿轮的方法很多，除铸造法，热扎法，冲压法之外，切削齿轮的方法按形成齿形的原理可分为两大类：仿形法（也称成形法）和范成法（也称展成法，创成法）用仿行法加工齿轮时，可用盘形或指形齿轮铣刀在普通铣床上加工，也可用成形刀具在刨床上刨削，或在插床上插削.通常仿行法加工齿轮生产率低，精度也低，但此法加工时运动很简单，不需要专门的机床，故适用于单件小批生产和精度要求不高的齿轮。

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在工业生产中广泛应用范成法加工齿轮，这种方法是利用齿轮啮合原理进行的，把啮合中的一个齿轮做成刀具来加工另外一个齿轮，因而用一把刀具模数相同而齿数不同的任意齿轮。用范成法加工齿轮的加工精度和生产率也比较高。根据齿轮的加工方法以及CA6140车床齿轮的结构特点，所以车床齿轮的加工应该采用范成法加工齿轮，即是把啮合中的一个齿轮做成刀具来加工另外一个齿轮，这种方法加工效率高，满足工业生产的需要。故采用这种方法。

§4.3 齿轮的强度计算推理方法

§4.3.1 齿轮的受力分析

齿轮传动的强度计算时，首先要知道齿轮上所受的力，这就需要对齿轮传动作受力分析。当然，对齿轮传动进行受力分析也是计算安装齿轮的轴及轴承时所必须的。齿轮传动一般均加以润滑，啮合齿轮间的摩擦力通常很小，计算齿轮受力时，可不予考虑.沿啮合线作用在齿面上的法向载荷Fn垂直于齿面，为了计算方便，将法向载荷Fn（单位为N）在节点P处分解为两个相互垂直的分力，即圆周力Ft与径向力Fr（单位均为N），如下图3-4表示

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图3-4 齿轮受力分析

由上图3-4得： Ft=2T1/d1

Fr=Fttanα

Fn=Ft/cosα （3-1） 式中

T1-小齿轮传递的转矩，单位为N.mm；

d1-小齿轮的节圆直径，对标准齿轮即为分度圆直径，单位为mm； α-啮合角，对标准齿轮， α=20度；

以上分析是主动轮齿轮上的力，从动轮齿轮上的各力分别与其大小相等，方向相反。

§4.3.2 齿根弯曲疲劳强度计算

轮齿在受载时，齿根所受的弯矩最大，因此齿根处的弯曲疲劳强度最弱.当齿轮在齿顶处啮合时，处于双对啮合区，此时弯矩的力臂虽然最大，但力并不是最大，因此弯矩并不是最大.根据分析，齿根所受的最大弯矩发生在齿轮啮合点位于单对齿啮合区最高点时。因此，齿根弯曲强度也应按载荷作用于单对齿啮合区最高点来计算。由于这种方法比较复杂，通常只用于高精度的齿轮传动（如6级以上的齿轮传动）。

对于制造精度较低的齿轮传动（如7，8，9级精度），由于制造误差大，实际上多由在齿顶处啮合的齿轮分担较多的载荷，为便于计算，通常按全部载荷作用于齿顶来计算齿根的弯曲强度。当然，采用这种方法，齿轮的弯曲强度比较富裕。

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图3-5齿顶啮合受载情况 图3-6齿轮根部的应力图

如图3-6所示,假设齿轮为一悬臂梁,则单位齿宽(b=1)时齿根危险截面的弯曲应力

σFo=

Mpcacos??h6pcacos??h== 221?sWs6 取h=khm,s=ksm ,并将式(pca=kp=kFn/L)及式(3-1)代入上式,对直齿圆柱齿轮,齿面上的接触线长L即为齿宽b(mm),得 ?F0 =

KFt6Khcos? xbmKs2cos?

6khcos?令 YFa=2kscos? YFa是一个量纲为一的系数,只与齿轮的齿廓形状有关,而与齿轮的齿的大小(模数m)无关。因此,称为齿形系数.S值或h值小的齿轮,YFa的值要小些,YFa值小的齿轮抗弯曲强度高。载荷作用于齿顶时的齿顶系数YFa可查下表10-5[7]。齿根危险截面的弯曲应力为 ?F0=

KFtYFa bm上式中的σFo仅为齿根危险截面处的理论弯曲应力，实际计算时，还应计入齿根危险截面处的过渡圆角所引起的应力集中作用以及弯曲应力以外的其他应力对齿根应力的影响,因而得齿根危险截面的弯曲强度条件式为

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σF=?F0×Ysa

=

KFtYFaYsa≤[σF] (3-2) bm式中Ysa为作用于齿顶时的应力校正系数 ?d=b/d1

?d称为齿宽系数

并将Ft=2T1/d1及m=d1/z1 带入(3-2)式得 σF=

2KT1YFaYsa≤[σF] 33?dmz1于是得

m≥32KT1YFaYsa 3?dz1[?F]§4.3.3 齿面接触疲劳强度计算—防止疲劳点蚀

图3-7 齿面接触疲劳强度计算力学模型

一 、计算依据：节点处的接触应力不超过接触疲劳极限应力

σH≤[σ]H

二 、接触疲劳强度公式 1、接触应力计算

原始公式：赫兹公式

σH=qE?? ２５

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