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齿轮承载能力
作者：佚名 文章来源：网络转载 点击数： 3 更新时间：2006-5-2
        在齿轮传动中﹐齿轮失效前所能传递的最大允许载荷。齿轮的承载能力取决於齿轮的尺寸﹑结构﹑材质﹑製造水平﹑润滑条件﹑允许的损伤程度﹑要求的寿命和可靠度等。
         失效形式 齿轮的齿圈﹑轮辐和轮轂等部分通常按经验设计﹐结构尺寸的安全係数较大﹐一般很少遭受破坏。齿轮的失效主要出现在轮齿上。轮齿的失效形式主要有轮齿摺断﹑点蚀﹑胶合﹑磨损和塑性变形等(图1 齿轮轮齿的主要失效形式 )。不过﹐轮齿每一种失效形式的出现并不是孤立的﹐齿面一旦出现了点蚀或胶合﹐就会加剧齿面的磨损﹔齿面的严重磨损又将导致轮齿的摺断等。

         轮齿摺断 轮齿受载后齿根处的弯曲应力最大﹐当轮齿弯曲应力超过其极限应力时就会发生过载摺断或疲劳摺断。轮齿摺断一般发生在齿根部分﹐可能一个或多个齿沿齿长整体摺断﹐也可能发生局部摺断。
         点蚀 在润滑良好的闭式传动中﹐齿面在过高的循环变化的接触应力作用下產生疲劳裂纹﹐裂纹不断扩展蔓延﹐导致工作齿面小块金属剥落﹐形成麻点﹐即点蚀。点蚀严重时会產生强烈振动和机械噪声﹐使齿轮不能正常工作。点蚀一般首先出现在节线附近的齿根表面。
         胶合 在高速重载齿轮传动中﹐油膜会因瞬时高温而破坏﹐相嚙合齿面的金属形成局部熔焊﹐导致较软齿面上的金属撕落﹐形成沟痕。在低速重载齿轮传动中﹐有时也常因局部压应力很高﹐两接触齿面间油膜被刺破而黏著。胶合时振动和噪声增大﹐轮齿很快失效。
         磨损 在闭式传动中﹐润滑油供应不足﹐油不清洁﹐齿面易產生磨损。在开式传动中﹐灰尘和各种颗粒等进入嚙合齿面会造成磨料磨损。磨损使齿厚减薄﹑侧隙加大﹐造成衝击﹐降低弯曲强度﹐严重时使轮齿过载摺断。
         塑性变形 在过大的应力作用下﹐轮齿材料因屈服而產生的塑性流动﹐如齿面碾击塑变﹑鳞皱﹑起脊﹑齿体的歪扭和齿形剧变等。这些现象多发生在硬度低的齿轮上﹐严重时会破坏正常齿廓﹐使之失去工作能力。

强度计算 在机械工程中﹐轮齿的强度计算方法主要有两种。一种是以轮齿点蚀为依据的齿面接触强度计算法﹔一种是以轮齿摺断为依据的齿根弯曲强度计算法。此外﹐对於齿面抗胶合能力也有相应的强度计算法。对於轮齿的磨损和塑性变形﹐由於缺乏试验数据和手段﹐尚无较为成熟的计算法。中国参照 ISO直齿和斜齿轮承载能力计算的基本原则﹐制定了关於渐开线圆柱齿轮承载能力计算方法的国家标準。 

　　　齿面接触强度计算 由於点蚀常首先在节线附近发生﹐通常以节点处两齿廓的曲率半径p1和p2为半径﹐分别作两个圆柱体(图2 齿面接触强度计算 )﹐根据赫兹公式导出齿轮的接触强度计算公式﹐其强度条件为

        式中H为最大接触应力(兆帕)﹔Ft 为分度圆上名义切向力(牛)﹔K 为载荷係数﹐考虑工作情况﹑製造误差和弹性变形等对齿轮承载能力的影响﹔b为齿轮的工作宽度(毫米)﹔ d1为小齿轮的分度圆直径(毫米)﹔u为齿数比﹐

        Z 2﹑Z 1分别为大轮和小轮的齿数﹔式中“＋”号用於外嚙合﹐“－”号用於内嚙合﹔Z H为节点区域係数﹐主要考虑节点处齿廓曲率对接触应力的影响﹔Z E为弹性係数()﹐考虑材料弹性模量和泊桑比对最大接触应力的影响﹔HP为许用接触应力(兆帕)。

齿根弯曲强度计算 主要根据1892年美国W.刘易斯提出的论点(把轮齿看作悬臂樑)为基础来进行计算。轮齿在齿顶处嚙合时弯曲力臂最大﹐齿根危险截面AB 处的弯曲应力也最大(图3 齿顶嚙合受载和齿根应力图 )。由於齿轮传动重合度大於1﹐在齿顶嚙合时载荷由几对齿来分担。对较低精度的齿轮传动﹐考虑到製造误差的影响﹐仍以一对齿嚙合进行计算为宜。略去压应力和切应力后其强度条件为

        式中F 为齿根弯曲应力(兆帕)﹔m为模数(毫米)﹐对斜齿轮用法模数mn﹔yF为齿形係数﹐考虑齿形对弯曲应力的影响﹔FP为许用弯曲应力(兆帕)。
         齿面胶合计算 通常以限制接触齿面的温度作为胶合计算的依据。常用方法有两种﹕一种是计算齿面各接触点的最高瞬时温度﹐使之小於某极限温度的闪温法﹔另一种是计算齿面嚙合过程的平均温度﹐使之小於某极限温度的积分温度法。
         润滑 为充分发挥齿轮的承载能力﹑减少失效﹑延长寿命和提高传动效率﹐润滑是重要环节。齿轮齿面工作时每一点的嚙合时间非常短促﹐接触应力大﹐而且常存在加工和装配误差等﹐故在一般条件下较难形成流体动压润滑状态﹐而处於边界润滑和混合润滑状态。为了提高齿轮的承载能力﹐必须改进润滑材料和使用特殊的润滑剂。一般是在齿轮装配后先加入硫﹑磷型极压添加剂﹐然后进行跑合﹐以降低齿面粗糙度﹐增加油膜厚度﹐提高润滑效果。润滑剂和润滑方式根据齿轮圆周速度和工作条件来选择。对开式﹑半开式齿轮传动﹐通常用人工定期加润滑脂或黏度大的润滑油进行润滑。对於齿轮圆周速度 v≦12米/秒的闭式齿轮传动﹐常採用浸油润滑。高速级轮齿浸入油中深度约为一个齿高﹐但不小於10毫米﹐低速级齿轮也不宜大於100毫米。当v 〉12～15米/秒时﹐应採用喷油润滑。对高速轻载齿轮﹐应选黏度较小的润滑油﹐对低速重载齿轮﹐应选黏度较大的润滑油。为了改善润滑油的性能﹐一般在润滑油中加二硫化鉬﹑石墨或氯﹑铅的烷基化合物﹑硫氰化合物等﹐有普遍採用硫-磷型极压齿轮油的趋势。