链转动

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第14章 链转动

㈠基本内容：

1. 链传动的工作原理；

2.链传动的零件和材料；

3.链传动的运动特性；

4.链传动的受力分析；

5.滚子链传动的计算；

6.链传动的合理布置和张紧方法；

7.链传动的润滑、护罩或链条箱.

㈡重点与难点：

1重点：链传动的运动分析、动载荷及受力分析；滚子链传动的参数选择和设计计算.

2难点：链传动的运动不均匀性分析.

㈢基本要求：

1了解链传动的工作原理、特点及应用范围；

2了解链传动的标准、规格及链轮的结构特点；

3了解齿形链的结构特点以及链传动的布置、张紧和润滑方法；

4掌握链传动的运动不均匀性和动载荷的概念；

5掌握滚子链传动的设计计算方法及主要参数选择；
　

14，1  概述  ，

    链传动是在两个或多于两个链轮之间用链作为挠性拉曳元件的一种啮合传动。因其经济、可靠，故广泛用于农业、采矿、冶金、起重、运输、石油、化工、纺织等各种机械的动力传动中。

14，1．1优缺点  

    和带传动比较，链传动的主要优点是：1)没有滑动；2)工况相同时，传动尺寸比较紧凑；3)不需要很大的张紧力，作用在轴上的载荷较小；4)效率较高，约为98％；5)能在温度较高、湿度较大的环境中使用等。因链传动具有中间元件(链)，和齿轮、蜗杆传动比较，需要时轴间距离可以很大。

    链传动的缺点是：1)只能用于平行轴间的传动；2)瞬时速度不均匀，高速运转时不如带传动平稳；3)不宜在载荷变化很大和急促反向的传动中应用；4)工作时有噪声；5)制造费用比带传动高等。   

14．1．2  链的种类

     按照工作性质的不同，链有传动链、起重链、曳引链三种。传动链主要用来传递动力，通常都在中等速度(u≤20m／s)以下工作。起重链主要用在起重机械中提升重物，其工作速度不大于0．25m／s。曳引链主要用在运输机械中移动重物，其工作速度不大于2m／s一4m／s。本章只讨论传动链。

14，1．3  应用范围

    链传动在传递功率、速度、传动比、中心距等方面都有很广的应用范围。目前，最大传递功率达到5 000kW，最高速度达到40n／s，最大传动比达到15，最大中心距达到8mb由于经济及其他原因，链传动的传动功率一般小于100kW，速度小于15m／s，传动比小于8。

链传动除广泛用作定传动比的传动外，也能做成有级链式变速器和无级链式变速器。  

14.2 链传动的零件和材料

14.2.1  传动链

    传动链主要有下列几种型式：套简链、套筒滚子链(简称滚子链)、齿形链和成型链。

    套筒链和滚子链   

    滚子链是由内链板、外链板、销轴、套筒、滚子等所组成。销轴与外链板、套筒与内链板分别用过盈配合固定，滚子与套筒为间隙配合。套筒链除没有滚子外，其他结构与滚子链相同。当链节屈伸时，套筒可在销轴上自由转动。当套筒链和链轮进入啮合和脱离啮合时，套筒将沿链轮轮齿表面滑动，易于引起轮齿磨损。滚子链则不同，滚子起着变滑动摩擦为滚动摩擦的作用，有利于减小摩擦和磨损。套筒链结构较简单、重量较轻、价格较便宜，常在低速传动中应用。滚子链较套筒链贵，但使用寿命长，且有减低噪声的作用，故应用很广。

节距是链的基本特性参数。滚子链的节距是指链在拉直情况下，相邻滚子外圆中心之间的距离.把一根以上的单列链并列、用长销轴联接起来的链称为多排链，图14．3为双排链。排数愈多，愈难使各排受力均匀，故一般不超过3或4排。当载荷大而要求排数多时，可采用两根或两根以上的双排链或三排链。滚于链已标准化，其系列、尺寸、极限拉伸载荷见相关标准。

链接头形式有多种。当一根链的链节数为偶数时采用连接链节，其形状与链节相同，仅连接链板与销轴为间隙配合，用弹簧卡片或钢丝锁销等止锁件将销轴与连接链板固定；当链节数为奇数时，则必须加一个过渡链节。过渡链节的链板受有附加弯矩，最好不用，但在重载、冲击、反向等繁重条件下工作时，采用全部由过渡链节构成的链，柔性较好，能减轻冲击和振动。

14．2．2  链轮

链轮轮齿的齿形应保证链节能自由地进入和退出啮合，在啮合时应保证良好的接触，同时

它的形状应尽可能地简单。

1.滚子链链轮   

标准只规定链轮的最大齿槽形状和最小齿槽形状。实际齿槽形状在最大、最小范围内都可

用，因而链轮齿廓曲线的几何形状可以有很大的灵活性。

2.齿形链链轮

齿形链链轮端面齿形，齿廓线工作段最低点至节距线的距离A。是一主要啮合尺寸参数。

  3．链轮结构

  小直径链轮可采用实心式、腹板式，或将链轮与轴做成一体。链轮损坏主要由于齿的磨损，所以大链轮最好采用齿圈可以更换的组合式。

14，2．3链和链轮的材料

    链的使用寿命在很大程度上取决于链的材料及其热其链传动的运动特性硬度要求均见有关标准。

       采用低碳钢、低碳合金钢表面渗碳淬火(如用15、20Cr、12CrNi3等钢淬硬至55 HRC一60HRC)或中碳钢、中碳合金钢表面淬火(如用45、40Cr、45Mn，35SiMn、35CrMo等钢淬硬到40HRC一50HRC)。

    载荷平稳、速度较低、齿数较多时，也允许采用Ju≥200MPe的铸铁制造链轮。在工作环境较差、链轮容易磨损的场合，铸铁最好经过婷温淬火处理或采用优质铸铁。

    由于小链轮的啮合次数比大链轮多，因此对材料的要求也比大链轮高。当大链轮用铸铁制造时，小链轮通常都用钢；

14，3  链传动的运动特性

14．3.1  传动比、链遍和速度不均匀性

    链传动的运动情况和绕在多边形轮子上的带传动很相似，边单相当于链节距，当链节进入主动轮时，其销轴总是随着链轮的转动而不断改变其位置。链速应为销轴圆周速度在水平方向的分速度，不可能得到常数。这也说明了链传动的瞬时传动比不等于常数。由此可知，链速是作着由小至大、又由大至小的变化，而且每转过一个链节要重复上述的变化一次。正由于链速作着周期性的变化，因而给链传动带来了速度的不均匀性。链轮齿数愈少，链速不均匀性也愈增加。  

    链在水平方向上的速度作周期性变化的同时，在垂直方向上还要作上下移动。开始时以减速上升，随后又以增速下降。因为链节作着忽上忽下、忽快忽慢的变化，所以给链传动带来了工作的不平稳性和有规律的振动。

     只有当两链轮的齿数相等、紧边的长度又恰为链节距的整数倍时，才能得到恒定值。

　

14．3．2  链传动的动载荷

    链传动在工作时引起动载荷的主要原因是：

    ——因为链速和从动链轮角速度周期性变化，从而产生了附加的动载荷。动载荷也将愈大。从上述关系可以说明，链轮转速愈高、链节距愈大、链轮齿数念少，动载荷都将愈大。且知当转速、链轮大小一定时，也即链速一定时，采用较多的链轮齿数和较小的链节距对降低传动的动载荷是有利的。

    ——当链节进入链轮的瞬间，链节和轮齿以一定的相对速度相啮合，从而使链和轮齿受到冲击并产生附加的动载荷。由于链节对轮齿的连续冲击，将使转动产生振动和噪声，并将加速链的损坏和轮齿的磨损，同时增加了能量的消耗。链节对轮齿的冲击动能愈大，对传动的破坏作用也愈大。因此，从减少冲击能量看来，应采用较小的链节距并限制链轮的极限转速。

    ——若链张紧不好，链条松弛，在起动、制动、反转、载荷变化等情况下，将产生惯性冲击，使链传动产生很大的动载荷。

14．4  链传动的受力分析

如果不考虑动载荷，链在传动中的主要作用力有：

——工作拉力F1 。

——离心拉力Fc。它取决于每米链长的质量g和链速u。

——垂度拉力Ff。它取决于传动的布置方式及链在工作时允许的垂度。若允许垂度过小，则增加链的磨损和轴承载荷；允许垂度过大，则又会使链和链轮的啮合情况变坏。可按照求悬索拉力的方法求得垂度拉力.

14，5  滚子链传动的计算

链传动的失效形式可能有：1)正常润滑的链传动，铰链元件由于疲劳强度不足而破坏；2)因铰链销轴磨损使链节距过度伸长(在标准试验条件下允许伸长率为3％)，从而破坏正确啮合和造成脱链现象；3)润滑不当或转速过高时，销轴和套筒的摩擦表面易发生胶合破坏；4)经常起动、反转、制动的链传动，由于过载造成冲击破断，5)低速重载的链传动，铰链元件发生静强度破坏；6)链轮轮齿磨损等。  

14.5.1  额定功率曲线

    为避免出现上述各种失效形式，通过试验得出了滚子链在特定试验条件下的额定功率曲线。试验条件为：z1=19、L=100、单列链水平布置、载荷平稳、工作环境正常、按推荐的润滑方式润滑、使用寿命15 000h。

对于u<0．6m／s的低速链传动，链的主要失效形式是过载拉断，应进行静强度校核。

14.5.3  主要参数的选择

    1．传动比

    链传动的传动比一般i≤8，在低速和外廓尺寸不受限制的地方允许到10(个别情况可到15)。如传动比过大，则链包在小链轮上的包角过小，啮合的齿数太少，这将加速轮齿的磨损，容易出现跳齿，破坏正常啮合，通常包角最好不小于120°，传动比在3左右。

  2，链轮齿数

  链轮齿数不宜过多或过少。过少时将：1)增加传动的不均匀性和动载荷；2)增加链节间的相转角，从而增大功率消耗；3)增加铰链承压面间的压强(因齿数少时，链轮直径小，链的工作拉将增加)，从而加速铰链磨损等。过多时将缩短链的使用寿命。从增加传动均匀性和减少动载荷考虑，小链轮齿数宜适当多些。

链轮齿数太多将缩短链的使用寿命。因为链节磨损后，套筒和滚子都被磨薄而且中心偏移，这时，链与轮齿实际啮合的节距将增长，链节势必沿着轮齿齿廓向外移，因而分度圆直径将由d增至d+Δd，则链轮齿数愈多，分度圆直径的增量Δd就愈大，所以链节愈向外移，因而链从链轮上脱落下来的可能性也就愈大，链的使用期限也就愈短。因此，链轮最多齿数限制为120。

在选取链轮齿数时，应同时考虑到均匀磨损的问题。由于链节数应选用偶数，所以链轮齿数最好选质数或不能整除链节数的数。

  3．链速和链轮的极限转速

链速的提高受到动载荷的限制，所以一般最好不超过12m／s。如果链和链轮的制造质量很高，链节距较小，链轮齿数较多，安装精度很高，以及采用合金钢制造的链，则链速也允许超过20m／s一30rn／s。链轮的最佳转速和极限转速可取接近于最大额定功率时的转速为最佳转速。

4.链节距

链节距越大，链和链轮齿各部分尺寸也愈大，链的拉曳能力也越大，但传动的速度不均匀性、动载荷、噪声等都将增加。因此设计时，在承载能力足够条件下，应选取较小节距的单排链，高速重载时，可选用小节距的多排链。一般，载荷大、中心距小、传动比大时，选小节距多排链；速度不太高、中心距大时选大节距单排链。

  5．中心距和链长

  当链速不变，中心距小、链节数少的传动，在单位时间内同一链节的屈伸次数势必增多，因此会加速链的磨损。中心距大、链较长，则弹性较好，抗振能力较高，又因磨损较慢，所以链的使用寿命较长。但中心距如果太大，又会发生松边上下颤动的现象，使传动运行不平稳。

14.6齿形链传动的计算（略）

4，7  链传动的合理布置和张紧方法   

14．7．1  链传动的合理布置

    合理布置链传动的原则简要说明如下：

两链轮的回转平面应在同一垂直平面内，否则易使链条脱落和产生不正常的磨损。两链轮中心连线最好是水平的，或与水平面成45°以下的倾斜角，尽量避免垂直传动。以免与下方链轮啮合不良或脱离啮合。

属于下列情况时，紧边最好布置在传动的上面：

1)中心距a≤30p和i≥2的水平传动；

2)倾斜角相当大的传动；

3)中心距a≥60p、传动比i≤1.5和z1 ≤25的水平传动。

在前两种情况中，松边在上时，能有少数链节垂落到小链轮上或下方的链轮上，因而有咬链的危险；在后一种情况中，松边在时，有发生紧边和松边相互碰撞的可能。

14．7.2  张紧方法

链传动中如松边垂度过大，将引起啮合不良和链条振动现象，所以链传动张紧的目动不同，张紧力并不决定链工作能力，而只是决定垂度的大小。

张紧方法很多，最常见的是移动链轮以增大两轮的中心距。但如中心距不可调时，也可以采用张紧轮传动，张紧轮应装在靠近主动链轮的松边上。不论是带齿的还是不带齿的张紧轮，其分度圆直径最好与小链轮的分度圆直径相近。不带齿的张紧轮可以用夹布胶木制成，宽度应比链约宽5mm。此外还可用压板或托板张紧。特别是中心距大的链传动，用托板控制垂度更为合理.

14．8  链传动的润滑、护罩或链条箱

14．8．1 链传动的润滑

铰链中有润滑油时，有利于缓和冲击、减小摩擦和降低磨损。润滑条件良好与否对传动工作能力和使用寿命有很大影响。

链传动的润滑方法可以根据手册中的图表选取。润滑时，应设法将油注入链活动关节间的缝隙中，并均匀分布于链宽上。润滑油应加在松边上，因这时链节处于松弛状态，润滑油容易进入各摩擦面之间。链传动使用的润滑油运动粘度在运转温度下约为20mm2／s～40mm2／s。只有转速很慢又无法供油的地方，才可以用油脂代替。采用喷镀塑料的套筒或粉末冶金的含油套筒，因有自润滑作用，允许不另加润滑油。

14．8．2  护罩或链条箱

为了工作安全、保持环境清洁、防止灰尘侵入、减小噪声以及由于润滑需要等原因，链传动常用铸造或焊接护罩封闭。兼作油池的护罩应设置油面指示器、注油孔、排油孔等。



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第13章 蜗杆传动

㈠基本内容：

1. 蜗杆的种类及加工方法；

2.蜗杆传动的特点、失效形式、材料选择和结构；

3.圆柱蜗杆传动的基本参数；

4.圆柱蜗杆传动的几何计算；

5.蜗杆传动的受力分析和效率计算；

6.圆柱蜗杆传动的强度计算；

7.蜗杆轴挠度计算；

8.温度计算；

9.蜗杆传动的润滑；

㈡重点与难点：

1重点：蜗杆传动的失效形式和计算准则；蜗杆传动的受力分析；蜗杆传动的强度计算；蜗杆传动的效率和热平衡计算.

2难点：蜗轮转向的确定和不同条件下参数的正确选用.

㈢基本要求：

1掌握蜗杆传动的几何参数的计算及选择方法，着重了解杆径系数q的含义及引入此系数的重要性；

2掌握蜗杆传动的受力分析及强度计算；

3了解蜗杆传动的热平衡原理和计算方法；

4了解蜗杆的种类、特点、变位及蜗杆轴的挠度计算；

5掌握蜗杆、蜗轮的结构、润滑方法.

　

13．1  概述

13．1，1  特点和应用

    蜗杆传动用于传递交错轴之间的回转运动。在绝大多数情况下，两轴在空间是互相垂直的轴交角为90°。它广泛应用在机床、汽车、仪器、起重运输机械、冶金机械以及其他机械制造部门中，最大传动功率可达750kW，通常用在50kW以下；最高滑动速度可达35m／s，通常用在15m／s以下。蜗杆传动的主要优点是结构紧凑、工作平稳、无噪声、冲击振动小以及能得到很大的单级传动比。在传递动力时，传动比一般为8—100，常用的为15—50。在机床工作台中，传动比可达几百，甚至到1 000。这时‘需采用导程角很小的单头蜗杆，但传动效率很低，只能用在功率小的场合。在现代机械制造业中正力求提高蜗杆传动的效率，多头蜗杆的传动效率已可达到98%；与多级齿轮传动相比，蜗杆传动零件数目少，结构尺寸小，重量轻。缺点是在制造精度和传动比相同的条件下，蜗杆传动的效率比齿轮传动低，同时蜗轮一般需用贵重的减摩材料(如青铜)制造。蜗杆传动多用于减速，以蜗杆为原动件。也可用于增速，齿数比单级为5—15，但应用很少。

13，1．2  分类

    按蜗杆形状不同可分为圆柱蜗杆传动、环面蜗杆传动、锥蜗杆传动三类。由于刀具加工位置的不同，圆柱蜗杆又有阿基米德蜗杆(ZA型)、渐开线蜗杆(ZI型)、法向直廓蜗杆(ZN型)等多种。按蜗杆螺旋线方向不同，有左旋和右旋之分。除非特殊需要，一般都采用右旋。两者原理相同，计算方法也相同，但作用力的方向不同(除径向力外)。按蜗杆头数不同有单头蜗杆与多头蜗杆之分。单头蜗杆主要用于传动比较大的场合，要求自锁的传动必须采用单头蜗杆。多头蜗杆主要用于传动比不大和要求效率较高的场合。阿基米德蜗杆螺旋面的形成与螺纹的形成相同。通过蜗杆轴线并与蜗轮轴线垂直的平面为中间平面(参看图13．7)，则阿基米德蜗杆和蜗轮在中间平面上是宜齿条与渐开线齿轮的啮合，而垂直于蜗杆轴线的剖切平面与蜗杆齿廓交线的端面齿廓为阿基米德螺线。阿基米德蜗杆通常在无需磨削加工的情况下广泛采用。当必须磨削时需采用特制截面形状的砂轮。渐开线蜗杆的端面齿廓为渐开线，只有与蜗杆基圆柱相切的截面，齿廓才是直线，因而可以平面砂轮来磨，容易得到高精度，但需要专用机床。如果蜗杆螺旋线的导程角很大，在加工时最好是使刀具的切削平面在垂直于齿槽(或齿厚)点螺旋线的法平面内，这样切出的蜗杆叫做法向宜廓蜗杆。这种蜗杆的磨削是用直母线的砂轮在普通螺纹磨床上进行，在端面内能得到极接近于延伸渐开线蜗杆的齿廓。

    在圆柱蜗杆上用具有圆弧形刀刃的刀具切出具有凹圆弧齿廓的螺旋线，由它和与其共轭的蜗轮共同构成的蜗杆传动副；称为圆弧圆柱蜗杆传动(ZC型)。在基本条件类同时，圆弧圆柱蜗杆传动比其他普通圆柱蜗杆传动，承载能力要约大50％，效率约高8％一15,96。传动比大、速度高时，其效果更为显著。锥蜗杆传动的特点是：啮合齿数多，重合度大，故传动平稳，承载能力高；期轮能用淬火钢制造，可以节约有色金屑。

   

13．1，3精度等级的选择

    蜗杆可以在车床上切制，也可以在特种铣床上用圆盘铣刀或指形铣刀铣制。由于蜗杆传动的轴间距离必须与蜗杆滚刀在切制蜗轮时的轴间定位距离相等才能得到正确的啮合，所以蜗轮要用与它相啮合的蜗杆同样大小的滚刀来切制。由于蜗杆传动啮合轮齿的刚度较齿轮传动大，所以制造精度对传动的影响比齿轮传动更显著。蜗杆传动规定了12个精度等级，对于动力传动，要按照6—9级精度制造。课本表13．1中列出了6到9级精度等级的应用范围、制造方法、表面粗糙度及许用滑动速度。对于测量、分度等要求运动精度高的传动，要按照5级或5级以上的精度制造。

13．2  蜗杆传动的失效形式、材料选择和结构

13.2.1  娟杆传动的精度等级分类(供参考)

    国家标准规定了12个精度等级。对于动力传动按照6~9级精度制造。

     6级(高精度)    7级(精密精度)    8级(中等精度)      9级(低精度)

蜗杆传动的失效形式、材料选择和结构  

     蜗杆传动的，失效形式和齿轮传动类似，有疲劳点蚀、胶合磨损、轮齿折断等。在一般情况下轮的强度较弱，所以，失效总是在蜗轮上发生。又由于蜗轮和蜗杆之间的相对滑动较大，是容易产生胶合和磨粒磨损。蜗轮轮齿的材料通常比蜗杆材料软得多，在发生胶合时，蜗轮表面的金属粘到蜗杆的螺旋面上去，使蜗轮的工作齿面形成沟痕。蜗轮轮齿的磨损比齿轮传动严童得多，这是因为啮合处的相对滑动较大所致。在开式传动和润滑油不清洁的闭式传动中，磨损尤其显著。因此蜗杆齿面的表面粗糙度值宜小些，在闭式传动中还应注意润滑油的清洁。在蜗杆传动中，点蚀通常只出现在蜗轮轮齿上。

13．2．2  材料选择

    考虑到蜗杆传动难于保证高的接触精度，滑动速度又较大，以及蜗杆变形等因素，故蜗杆、蜗轮不能挪用硬材料制造，其中之一(通常为蜗轮)应该用减摩性良好的软材料来制造。

    ——蜗轮材料。通常是，指蜗轮齿冠部分的材料。主要有以下几种：1)铸锡青铜  适用于v≥12m／s一26m／s和持续运转的工况，离心铸造的可得到致密的细晶粒组织，可取大值，砂型铸造的取小值。2)铸铝青铜  适用于v≤10m/s的工况，抗胶合能力差，蜗杆硬度应不低于45HRC。3)：铸铝黄铜．点蚀强度高，但磨损性能差，宜用于低滑动速度场合。4)灰铸铁和球墨铸铁适用于u≤2m/s的工况，前者表面经硫化处理有利于减轻磨损，后者若与淬火蜗杆配对能用于重载场合d直径较大的蜗轮常用铸铁。

    ——蜗杆材料。按材料分碳素钢和合金钢。蜗轮直径很大时，也可以采用青铜蜗杆，蜗轮则用铸铁。按热处理不同分有硬面蜗杆和调质蜗杆。首先应考虑选对硬面蜗杆。在要求持久性高的动力传动中，可选用渗碳钢淬火，也可选用中碳钢表面或整体淬火以得到必要的硬度，制造时必须磨削。用氮化钢渗氮处理的蜗杆可以不磨削，但需要抛光。只有在缺乏磨削设备时才选用调质蜗杆。受短时冲击载荷的蜗杆，不宜用渗碳钢淬火，最好用调质钢。铸铁蜗轮与镀铬蜗杆配对时，有利于提高传动的承载能力和滑动速度。

13，2，3  蜗杆和蜗轮的结构

    蜗杆通常与轴做成整体，很少做成装配式的。可以车制，也可以铣制。蜗轮可制成整体的或组合的。组合蜗轮的齿冠可以铸在或用过盈配合装在铸铁或铸钢的轮心上。为了增加过盈配合的可靠性，沿着接合缝还要拧上螺钉，螺钉孔中心线偏向轮毂一侧。当蜗轮直径较大时，可采用螺栓联接，最好采用受剪螺栓(铰制孔)联接。

13．3  圆柱蜗杆传动的基本参数

13．3．1  基本齿廓

    圆柱蜗杆在给定平面上的基本齿廓和渐开线齿轮轮齿基本齿廓基本相同

13．3，2  模数m

    轴交角为90°的动力圆柱蜗杆传动的模数系列见手册。因蜗杆的轴向齿距应与蜗轮端面齿距相等，故蜗杆的轴向模数应与蜗轮的端面模数相等，并符合标准规定的模数值。

13.3.3齿形角

    通常刀具基准齿形的齿形角为20°。阿基米德蜗杆的轴向齿形角、渐开线蜗杆在切于基圆柱且与蜗杆轴线平行的平面上的轴向齿形角均为20°。法向直廓蜗杆的法向齿形角为20°。

13.3.4蜗杆分度圆直径d1

    亦称蜗杆中圆直径；已定为标准值。

13.3.5蜗杆直径系数q

    蜗杆直径系数定义为“蜗杆分度圆直径与模数的比值”。即

         q =d1 / m

13．3．6蜗杆导程角γ

    蜗杆分度圆的导程角可由下式计算

    tanγ=（z1 px）/(πd1)=z1 /q =d2 /(ud1)

13．3．7 蜗杆头数z1、蜗轮齿数z2

    蜗杆头数少，易于得到大传动比，但导程角小，效率低，发热多，故重载传动不宜采用单头蜗杆。当要求反行程自锁时，可取z1 = 1。蜗杆头数多，效率高，但头数过多，导程角大，制造困难。常用的蜗杆头数为1、2、4、6等。蜗轮齿数根据齿数比和蜗杆头数决定。传递动力的，为增加传动平稳性，蜗轮齿数宜取多些，应不少于28齿。齿数愈多，蜗轮尺寸愈大，蜗杆轴愈长且刚度愈小，所以蜗轮齿数不宜多于100齿，一般取z2：32—80齿。z2和z1之间最好避免有公因数，以利于均匀磨损。若z2>30，至少有两对齿同时啮合，有利于传动趋于平稳。

13．3．8  传动比i、齿数比u   

    蜗杆传动的传动比i和齿数比u分别为

     i=n1 /n2 ; u = z2 /z1

  13．3.9  中心距a

      圆柱蜗杆传动装置的中心距a(单位mm)一般应按下列数值选取：

         40    50    63    80    100    125    160    (180)    200   (225)    250 (280)    315    (355)    400    (450)    500

13．3．10变位系数

        蜗杆传动的变位方式与齿轮传动相同，也是在切削时把刀具移位。但在蜗杆传动中，蜗杆相当于齿条，蜗轮相当于齿轮，所以被变动的只是蜗轮尺寸，而蜗杆尺寸保持不变。变枉以后，只是蜗杆节圆有所改变，而蜗轮节圆永远与分度圆重合。变位的目的一般为凑中心距或凑传动比，使之符合推荐值，强度方面的考虑是次要的。

13．4．圆柱蜗杆传动的几何计算（略）

13．5  蜗杆传动受力分析和效率计算

13.5.1  蜗杆传动中的作用力  

    在蜗杆传动中作用在齿面上的法向压力仍可分解为圆周力F、径向力和轴向力。显然，作用于蜗杆上的轴向力等于蜗轮上的圆周力；蜗杆上的圆周力等于蜗轮上的轴向力；蜗杆上的径向力则等于蜗轮上的径向力。这些对应力的数值相等，方向彼此相反。

13.5.2 蜗杆传动的效率

闭式蜗杆传动的效率与齿轮传动的效率类似，即

  η=η1η2η3

13.6 圆柱蜗杆传动的强度计算

    蜗杆传动的强度计算主要为齿面接触疲劳强度计算和轮齿弯曲疲劳强度计算。在这两种计算中，蜗轮轮齿都是薄弱环节。此外，蜗杆传动还须进行蜗杆挠度和传动温度的计算，两者都属验算性质。在进行设计计算之前，除应知道传动功率及其载荷性质、转速及其变动情况等数据外，还应了解其他有关情况，例如：蜗杆主动或从动，蜗杆上置或下置，蜗杆齿形，环境通风状况，允许传动最高温度等。   

13.6.1  初选[d1 /a]值

    中心距a在蜗杆传动中是最基本的尺寸，其大小决定了传动的承载能力和传动的外廓尺寸。蜗杆分度圆直径d1和中心距a的比值[d1 /a]是蜗杆传动的重要参数，其大小将影响传动的工作性能，如：齿面接触疲劳强度，蜗杆轴的刚度，传动的啮合效率和传动的工作温度等。



13.6.2蜗杆传动的接触疲劳强度计算

    蜗杆传动为满足不产生接触疲劳点蚀的强度条件为

                MPa        ——校核公式

                mm        ——设计公式

　

13．7蜗杆轴挠度计算

当蜗杆轴的啮合部位受力后，将使轴产生挠曲。挠曲量过大势必影响啮合状况，从而造成局部偏载甚至导致干涉。蜗杆轴的挠曲主要是由圆周力和径向力造成的，轴向力可忽略不计。假设轴两端为自由支承，则在轴的啮合部位所引起的挠曲为



13．8  温度计算

13．8．1润滑油工作温度

蜗杆传动的效率一般比齿轮传动和其他几种机械传动都要低，工作时会产生较多的热量。闭式箱体若散热条件不足，则易于造成润滑油工作温度过高而导致使用寿命降低，甚至有使蜗杆副发生胶合的危险。因此，对蜗杆传动有必要进行温度计算。 油池润滑的蜗杆传动，在同一单位时间巾，传动的发热量为1 000P1(1—η)，箱体的散热量为αw A(t1 - t2)；可求出箱体的工作温度和应满足的要求为

℃

油池的润滑油工作温度一般要比箱体温度高15℃左右。油温的最高温度不宜超过100℃，

故最好低于80℃。如果忽略油温与箱体温度之差，则上式也可作为润滑油工作温度的计算公式。散热面积系指箱体能被空气冷却，而内壁又能被油飞溅到的外壁面积。有散热肋的箱体，则散热肋以及联接用凸缘的外表面两、积均按50％计算。若蜗杆为上置，则因飞溅冷却作用较差，故表面传热系数应乘以0．8。上式适用于蜗杆主动的情况。若油温过高，则首先应考虑在不增大箱体尺寸的前提下，设法增加散热面积。若仍未能满足要求，则可采用下列强制冷却的措施以增大其散热能力：   a)风扇冷却    b)外冷却器冷却    c)内水管冷却

13．9蜗杆传动的润滑   

13.9．1  润滑油粘度和润滑方法

为提高蜗杆传动的抗胶合性能，宜选用粘度较高的润滑油。在矿物油中适当加些油性剂(如加入5％的动物脂肪)，有利于提高油膜厚度，减轻胶合危险。用青铜制造的蜗轮，则不允许采用活性大的极压添加剂以免腐蚀青铜。采用聚乙二醇、聚醚合成油时，摩擦系数较小，有利于提高传动效率，承受较高的工作温度，减少磨损。蜗杆传动推荐使用的润滑油粘度和润滑方法、喷油润滑时的供油量可相关图表。

13，9．2  蜗杆布置与润滑方式

蜗杆传动的润滑

采用油池润滑时，蜗杆最好布置在下方。蜗杆浸入油中的深度至少能浸入螺旋的牙高，且油面不应超过滚动轴承最低滚动体的中心。油池容量宜适当大些，以免蜗杆工作时泛起箱内沉淀物和油很快老化。只有在不得已的情况下(如受结构上的限制)，蜗杆才布置在上方。这时，浸入油池的蜗轮深度允许达到蜗轮半径的1／6—1／3。若速度高于10m／s，必须采用压力喷油润滑，由喷油嘴向传动的啮合区供油。为增强冷却效果，喷油嘴宜放在啮出侧，双向转动的应布置在双侧。   

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第11章 带传动

㈠基本内容：

1. 带传动的类型；     

2. 带和带轮；

3. 带传动的几何计算；

4. 带传动的计算基础；

5. V带传动设计；

㈡重点与难点：

1重点：带传动的工作情况分析，包括：工作原理、受力分析、应力分析；带传动的失效形式和计算准则；普通V带传动的设计计算.

2难点：带传动的受力分析；弹性滑动与打滑；普通V带传动的设计准则和设计方法.

㈢基本要求：

1熟练掌握带传动的工作原理、受力分析、应力分析、弹性滑动与打滑等基本理论；

2掌握带传动的失效形式、设计准则及影响传动能力的主要因素；

3掌握普通V带传动的设计计算和有关参数的选用.

4了解带传动的主要类型、工作原理、特点、及应用；

5 了解V带的构造和标准；

6了解带轮的材料和结构；

7了解带传动的维护和张紧.
　

11.1  概述

    带传动是两个或多个带轮之间用带作为挠性拉曳零件的传动，工作时借助零件之间的摩擦(或啮合)来传递运动或动力。根据带的截面形状不同，可分为平带传动、V带传动、同步带传动、多楔带传动等。

11.1.1  传动形式

    带的传动形式分为开口传动、交叉传动、半交叉传动、张紧传动等。

11.1.2  优缺点

    带传动是具有中间挠性件的一种传动，所以：1)能缓和载荷冲击；2)运行平稳，无噪声；3)制造和安装精度不象啮合传动那样严格：4)过载时将引起带在带轮上打滑，因而可防止其他零件的损坏；5)可增加带长以适应中心距较大的工作条件(可达15m)。

    带传动和摩擦轮传动一样，也有下列缺点：1)有弹性滑动和打滑，使效率降低和不能保持准确的传动比(同步带传动是靠啮合传动的，所以可保证传动同步)，2)传递同样大的圆周力时，轮廓尺寸和轴上的压力都比啮合传动大：3)带的寿命较短。  ，

11.1.3  应用范围

   带传动的应用范围很广，带的工作速度一般为5m／s-25m／s，使用高速环形胶带时可达60m／s；使用锦纶片复合平带时，可高达80m／s。胶帆布平带传递功率小于500kW，普通V带传递功率小于700kW。

11.2  带和带轮    ．

    ——平带。胶帆布平带强度高、价廉，在平带传动中应用最多。此外，还有用麻、丝或锦纶等材料编织而成的编织带；承载层为涤纶绳，表面覆以耐磨耐油胶布或聚氨酯的高速胶带；承载层为锦纶片的强力锦纶带等。

    胶帆布平带通常整卷出售，使用时根据所需长度截取，并将其端部联接起来(硫化接头或机

械接头)。高速带为无端的环形平带。

    胶帆布平带宽度b的系列为：  

    16、20、25、32、40、50、63、71、80、90、100、112、125、140、160、180、200、224、250、280、315、355、400、450、500，单位为mm。    ，

    用聚氨酯材料制成的带具有耐油性强、不产生粉末、外表透明美观等优点，但使用温度不得高于80℃。如果工作中有可能受热蒸汽影响或与酸、碱接触，则宜于改用橡胶材料制成的带。

——平带带轮。

    ①平带带轮直径D的系列为：50、56、63、71、80、90、100、112、125、140、160、180、200,224、250、280、315、355、400、450、500、560、630、710，单位为mm。   

11．2．2、V带和带轮    ．

    ——V带。V带有普通V带、窄V带和宽V带等类型。一般多使用普通V带，现在使用V带的也日见广泛。窄V带采用合成纤维绳或纲丝绳作承载层，与普通V带比较，当高度相同时，其宽度比普通V带小约30％。窄V带传递功率的能力比普通V带大，允许速度和曲挠次数高，传动中心距小。适用于大功率且结构要求紧凑的传动。

     普通V带有Y、Z、A、B、C、D、E七种型号(见GB／T13575．1--92)。

     窄V带有SPZ、SPA、SPB、SPC四种型号(见GB11544——89）。

    普通V带由顶胶、抗拉体(承载层)、底胶和包布组成。承载层是胶帘布或胶绳芯。绳芯结构柔韧性好，适用于转速较高，带轮直径较小的场合。V带制成无接头的环形。V带的楔角都是40，。胶带弯曲时，受拉部分(顶胶层)在横向要收缩，受压部分(底胶层)在横向要伸长，因而楔角将减小。

    V带的公称长度Li——V带的内周长。

    V带的基准（计算）长度Ld——沿V带的节面量得的节线周长。

  ——V带带轮。V带带轮不是标准件，但带轮的轮缘部分尺寸有标准规范。为保证胶带和带轮工作面的良好接触，除很大的带轮外，带轮沟槽的槽角都应适当减小。

11.3 带传动的几何计算(略)

11．4  带传动的计算基础

11．4．1  作用力分析

    带传递的力  

    带传动中带呈环形，并以一定的拉力(称为张紧力)Fo套在一对带轮上，使带和带轮相互压紧。带传动不工作时，带两边的拉力相等，均为Fo；工作时，由于带与轮面间的摩擦力使其一边拉力加大到F1，称为紧边拉力，另一边拉力减小到F2：，称为松边拉力。两者之差F：Fl—F2=F 即为带的有效拉力，它等于沿带轮的接触弧上摩擦力的总和。在一定条件下，摩擦力有一极限值，如果工作阻力超过极限值，带就在轮面上发生全面滑动——打滑，传动不能正常工作。   

    摩擦力的极限值决定于带材料、张紧程度、包角(带与轮的接触角)大小等因素。当其他条件相同时，张紧力芦。和包角01(两轮包角中较小的一个)愈大，摩擦力的极限值也愈大。因此，带传动必须适当地控制张紧力和维持不要过小的包角，后一要求限制了带传动的最小中心距和最大传动比。

11.4.2 带的应力

    σ1  ——紧边应力；由紧边拉力F1产生。

    σ2 ——松边应力；由松边拉力F2产生。

    σ0 ——张紧应力；由初始拉力F0产生。

    σc ——离心应力；由离心拉力Fc产生。

    σb ——弯曲应力；带绕过带轮时弯曲变形而产生。

    σmax ——最大应力；数值上等于紧边拉应力加弯曲应力，发生在紧边进入小带轮处。

   

11.4.3  弹性滑动、打滑和滑动率

    1．带的弹性滑动和打滑

    由于带是弹性体，受力不同时伸长量不等，使带传动发生弹性滑动现象。带刚绕上主动轮时，带的速度和带轮表面的速度是相等的，但当它沿接触弧面继续前进时，带的拉力由F1降低到F2，所以带的拉伸弹性变形也要相应减小，亦即带在逐渐缩短，带的速度要落后于带轮，因此两者之间必然发生相对滑动。同样的现象也发生在从动轮上，但情况恰好相反，在带绕上从动轮时，带和带轮具有同一速度，但当带沿前进方向时，却不是缩短而是被拉长，使带的速度领先于带轮。上述现象称为带的弹性滑动。

    弹性滑动引起了下列后果：1)从动轮的圆周速度低于主动轮；2)降低了传动效率；3)引起带

的磨损；4)使带温度升高。

    在带传动中由于摩擦力使带的两边发生不同程度的拉伸变形。既然摩擦力是这类传动所必需的，所以弹性滑动也是不能避免的。选用弹性模量大的带材料，可以降低弹性滑动。

    一般说来，并不是全部接触弧上都发生弹性滑动。接触弧可分成有相对滑动(滑动弧)和无相对滑动(静弧)两部分，两段弧所对应的中心角，分别称为滑动角(α&#39;)和静角(α&#39;&#39;)。实践证明，静弧总是发生在带进入带轮的这一边上。带不传递载荷时，滑动角为零，随着载荷增加，滑动角逐渐加大而静角则在减小，当滑动角增大到整个包角时，达到极限状态，带传动的有效拉力达最大值，带就开始打滑。打滑将造成带的严重磨损并使带的运动处于不稳定状态。对于开式传动，带在大轮上的包角总是大于在小轮上的包角。

    打滑是由于过载所引起的带在带轮上的全面滑动，是带传动的失效形式之一。

    打滑可以避免，弹性滑动不能避免。   

    以上所述可得出结论：从动轮的圆周速度低于主动轮，其相对降低率ε称为滑动率。

    ε=（v1 -v2）/v1

11．4．4  带传动的疲劳强度

    带每绕过带轮一次，应力就由小变大、又由大变小地变化一次。带绕过带轮的数目越多，转速越高，带越短，应力变化也越频繁。因此带传动的主要失效形式为打滑和疲劳破坏。在不打滑前提下，具有一定疲劳强度和寿命是带传动的主要设计依据。

11．4，5  提高带传动工作能力的措施

    1.）增大摩擦系数

    在材料方面可采用摩擦系数较高的材料，摩擦系数的大小与带和带轮材料、带的速度和滑动率有关。在一般情况下，铸铁带轮采用胶帆布带时μ=0.3，采用皮革带时μ=0.35。在结构方面可利用楔形增压原理采用V带传动，其当量摩擦系数μv比平带传动高约70％，即μv =1.7μ。

    2.)增大包角

    增大包角可以增大有效拉力，提高传动工作能力。增大包角的措施除了减小传动比和增大中心距之外，还可采用张紧装置。

    3.)尽量使传动在靠近最佳速度下工作

    带速很大时，紧边拉力全部用来承担离心力。由此得极限速度vlim ；并使dP／dv=0，则可求得传递功率最大时的最佳速度vopt ；若带在最佳速度下工作，则能充分发挥带的工作能力。实际上，一般选取的带速总是低于最佳速度vopt ；这是因为可以选用小一些的带轮，使结构紧凑，降低制造成本。

    4.)采用新型带传动

    如大楔角V带、多楔带、同步带等传动。

    5.)采用高强度带材料

    如采用钢丝绳、涤纶等合成纤维绳作为带的承载层。

    5 V带传动设计

    设计步骤如下：

    1）计算功率；

    2）选定V带的型号；

    3）计算传动比；

    4）确定小带轮基准直径；

    5）计算大带轮基准直径；

    6）计算带速；

    7）初定中心距；

    8）初定基准长度；

    9）选择标准基准长度；

    10）计算实际中心距；

    11）计算小带轮包角；

    12）确定单根带所能传递的额定功率；

    13）确定传动比不为1时额定功率增量；

    14）计算V带的根数；

    15）单根带所需的初始张力；

    16）作用于轴上的力；

    17）设计V带轮；

    18）设计张紧装置；

    19）设计防护装置。

    设计中要综合运用本课程和先修课程的知识；并要查阅《机械设计手册》。

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第12章 齿轮传动

  

㈠基本内容：

1. 齿轮传动的类型及特点；

2.齿轮传动的主要参数；

3.齿轮传动的主要失效形式；

4.齿轮材料及其热处理；

5.圆柱齿轮传动的几何计算；

6.圆柱齿轮传动的载荷计算；

7.直齿圆柱齿轮传动的强度计算；  

8.斜齿圆柱齿轮传动的强度计算；

9.直齿锥齿轮传动；

10.齿轮传动的效率和润滑；

11.齿轮结构.

㈡重点与难点：

1重点：齿轮传动的主要失效形式和计算准则；齿轮传动的载荷计算及各类齿轮传动的受力分析；直齿圆柱齿轮传动的设计原理及强度计算.

2难点：针对不同条件恰当地确定设计准则和选用相应的设计数据.

㈢基本要求：

1熟悉齿轮传动的特点及应用；

2掌握不同条件下齿轮传动的失效形式、设计准则；

3掌握齿轮常用材料及热处理方法的选择；

4掌握齿轮传动的基本设计原理、设计程序、强度计算方法；重点应掌握圆柱齿轮传动的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度计算的理论依据、力学模型、计算公式及公式中各参数的物理意义和公式的运用；

5掌握齿轮的结构设计；

6了解圆柱齿轮和圆锥齿轮强度计算公式的推导；

7齿轮传动的精度等级和润滑设计.

12．l  概述

    齿轮传动的适用范围很广，传递功率可高达数万千瓦，圆周速度可达150m／s(最高300

m／s)，直径能做到10m以上，单级传动比可达8或更大，因此在机器中应用很广。

12．1．1  优缺点

    和其他机械传动比较，齿轮传动的主要优点是：工作可靠，使用寿命长；瞬时传动比为常数；传动效率高；结构紧凑；功率和速度适用范围很广等。缺点是：齿轮制造需专用机床和设备，成本较高；精度低时，振动和噪声较大；不宜用于轴间距离大的传动等。

  

12．1．2  分类

齿轮传动分类

按轴的布置方式分：          平行轴传动，交叉轴传动，交错轴传动

按齿线相对于齿轮母线方向分：直齿，斜齿，人宇齿，曲线齿

按齿轮传动工作条件分：      闭式传动，形式传动，半形式传动

按齿廓曲线分：              渐开线齿，摆线齿，圆弧齿

按齿面硬度分：              软齿面(≤350佃)，硬齿面(>350佃)

  

12. 1．3  基本要求

    齿轮传动应满足两项基本要求:1)传动平稳;2)承载能力高。

    在齿轮设计、生产和科研中，有关齿廓曲线、齿轮强度、制造精度、加工方法以及热理工艺等，基本上都是围绕这两个基本要求进行的。

  

12．2  齿轮传动的主要参数

12，2．1  主要参数

——基本齿廓。渐开线齿轮轮齿的基本齿廓及其基本参数见表12．2或查阅机械设计手册。

——模数。为了减少齿轮刀具种数，规定的标准模数见表12．3或查阅机械设计手册。

——中心距。荐用的中心距系列见表12，4或查阅机械设计手册。

——传动比i、齿数比u。主动轮转速nl与从动轮转速n2之比称为传动比i。大齿轮的齿数z2与小齿轮齿数z1之比称为齿数比u。

减速传动时，u=i；增速传动u=1/i   。

——标准模数m：

  ①斜齿轮及人宇齿轮取法向模数为标准模数，锥齿轮取大端模数为标准模数。

  ②标准中优先采用第一系列，括号内的模数尽可能不用。

——变位系数。刀具从切制标准齿轮的位置移动某一径向距离(通称变位量)后切制的齿轮，

称为径向变位系数。刀具变位量用xm表示，x称为变位系数。刀具向齿轮中心移动，x为负值，反之为正值。随着x的改变，轮齿形状也改变，因而可使渐开线上的不同部分作为工作齿廓，以改善啮合性质。    ，

    由变位齿轮所组成的齿轮传动，若两轮变位系数的绝对值相等，但一为正值，另一为负值，即x1=-x2称为“高度变位”，此时，传动的啮合角等于分度圆压力角，分度圆和节圆重合，中心距等于标准齿轮传动中心距，只是齿顶高和齿根高有所变化。

若x1=-x2；x1+x2≠0，这种齿轮传动称为角度变位齿轮传动。此时，啮合角将不等于分度圆压力角，分度圆和节圆不再重合。



12．2，2  精度等级的选择   

在渐开线圆柱齿轮和锥齿轮精度标准(GBl0095—-88和GBll365—89)中，规定了12个精度等级，按精度高低依次为1—12级，根据对运动准确性、传动平稳性和载荷分布均匀性的要求不同，每个精度等级的各项公差相应分成三个组：第工公差组、第Ⅱ公差组和第Ⅲ公差组。

  

12．3  齿轮传动的失效形式

    齿轮传动的失效形式主要有轮齿折断和齿面损伤两类。齿面损伤又有齿面接触疲劳磨

损(点蚀)、胶合、磨粒磨损和塑性流动等。

  

12．3．1  轮齿折断

    折断一般发生在齿根部位。折断有两种：一种是由多次重复的弯曲应力和应力集中造成的疲劳折断；另一种是因短时过载或冲击载荷而产生的过载折断。两种折断均起始于轮齿受拉应力一侧。齿宽较小的直齿圆柱齿轮，齿根裂纹一般是从齿根沿着横向扩展，发生全齿折断。齿宽较大的直齿圆柱齿轮常因载荷集中在齿的一端，斜齿圆柱齿轮和人字齿轮常因接触线是倾斜的，载荷有时会作用在一端齿顶上，故裂纹往往是从齿根斜向齿顶的方向扩展，发生轮齿局部折断。

    增大齿根过渡曲线半径、降低表面粗糙度值、减轻加工损伤(如磨削烧伤、滚切拉伤)、采用表面强化处理(如喷丸、辗压)等，都有利于提高轮齿的抗疲劳折断能力。

  

12．3．2  齿面接触疲劳磨损(点蚀)

    点烛是润滑良好的闭式传动常见的失效形式。由于齿面接触应力是交变的，应力经多次反复后，在节线附近靠近齿根部分的表面上，会产生若干小裂纹，封闭在裂纹中的润滑油，在压力作用下，产生楔挤作用而使裂纹扩大，最后导致表层小片状剥落而形成麻点。这种疲劳磨损现象，在齿轮传动中常称为“点蚀”。润滑油是接触疲劳磨损的媒介，实践证明：润滑油粘度愈低，愈易渗入裂纹，点蚀扩展愈快。点蚀将影响传动的平稳性并产生振动和噪声，甚至不能正常工作。新齿轮在短期工作后出现的点蚀痕迹，继续工作不再发展或反而消失的称为收敛性点蚀。收敛性点蚀只发生在软齿面(≤350HB)上，原因是轮齿初期工作时表面接触不够好，在个别凸起处有很大的接触应力，但当点蚀形成后，凸起逐渐变平，接触面积扩大，待接触应力降至小于极限值时，点蚀即停止发展。

    随着工作时间的延长而继续扩展的点蚀称为扩展性点蚀。常在软齿面轮齿经跑合后，接触应力高于接触疲劳极限值时发生。严重的扩展性点蚀能使齿轮在很短时间内报废。硬齿面

(>350HB)轮齿不发生收敛性点蚀。原因是齿面出现小凹坑后，由于材料的脆性，凹坑边缘不易被辗平，而是继续碎裂成为大凹坑，直到齿面完全破坏为止。

    在短时过载下，硬齿面齿轮可能出现齿面破碎，软齿面齿轮则可能出现齿面塑性变形。

    开式传动没有点蚀现象，这是由于齿面磨粒磨损比疲劳磨损发展得快的缘故。

提高齿面接触疲劳强度，防止或减轻点蚀的主要措施有：1)提高齿面硬度和降低表面粗糙度值；2)在许可范围内采用大的变位系数和，以增大综合曲率半径；3)采用粘度较高的润滑油；4)减小动载荷等。

  

12．3．3  齿面胶合

    胶合是比较严重的粘着磨损。高速重载传动因滑动速度高而产生的瞬时高温会使油膜破

裂，造成齿面间的粘焊现象，粘焊处被撕脱后，轮齿表面沿滑动方向形成沟痕。低速重

载传动不易形成油膜，摩擦热虽不大，但也可能因重载而出现冷焊粘着。

防止或减轻齿面胶合的主要措施有：1)采用角度变位齿轮传动以降低啮合开始和终了时的滑动系数；2)减小模数和齿高以降低滑动速度；3)采用极压润滑油；4)选用抗胶合性能好的齿轮副材料；5)材料相同时，使大、小齿轮保持适当硬度差；6)提高齿面硬度和降低表面粗糙度值等。

  

12．3．4齿面磨粒磨损

    当表面粗糙的硬齿与较软的轮齿相啮合时，由于相对滑动，软齿表面易被划伤而产生齿面磨粒磨损。外界硬屑落人啮合轮齿间也将产生磨粒磨损。磨损后，正确齿形遭到破坏，齿厚减薄，最后导致轮齿因强度不足而折断。

对于闭式传动，减轻或防止磨粒磨损的主要措施有：1)提高齿面硬度；2)降低表面粗糙度值；3)降低滑动系数；4)注意润滑油的清洁和定期更换等。

对于开式传动，应特别注意环境清洁，减少磨粒侵入。

  

12．3．5齿面塑性流动

齿面较软的轮齿，重载肘可能在摩擦力作用下产生齿面塑性流动，从而破坏正确齿形。由于在主动轮齿面的节线两侧，齿顶和齿根的摩擦力方向相背，因此在节线附近形成凹槽；从动轮则相反，由于摩擦力方向相对，因此在节线附近形成凸脊。这种损坏常在低速重载、频繁起动和过载传动中见到。适当提高齿面硬度，采用粘度较大的润滑油，可以减轻或防止齿面塑性流动。

  

12．3．6  计算准则

齿轮的计算准则由失效形式确定。

闭式传动的齿轮，主要失效形式是接触疲劳磨损、弯曲疲劳折断和胶合。目前，一般只进行接触疲劳强度和弯曲疲劳强度计算。当有短时过载时，还应进行静强度计算。对于高速大功率的齿轮传动，还应进行抗胶合计算。闭式传动常先按接触疲劳强度求出齿轮直径和齿宽，再校核其弯曲疲劳强度。齿面硬度很高的闭式传动，也可以按弯曲疲劳强度确定齿轮模数，再校核其接触疲劳强度。

开式传动的齿轮，主要失效形式是弯曲疲劳折断和磨粒磨损，磨损尚无完善的计算方法，故目前只进行弯曲疲劳强度计算，用适当加大模数的办法以考虑磨粒磨损的影响。有短时过载的，仍应进行静强度计算。开式传动只需进行弯曲疲劳强度计算求取齿轮模数，为了补偿磨粒磨损，模数应增大10％一15％。

  

12．4  齿轮材料及其热处理

12．4．1齿轮材料

齿轮材料应具备下列条件：

1)               齿面具有足够的硬度，以获得较高的抗点蚀、抗磨粒磨损、抗胶合和抗塑性流动的能力；

2)               在变载荷和冲击载荷下有足够的弯曲疲劳强度；

3)               具有良好的加工和热处理工艺性；

4)    价格较低。

    最常用的材料是钢。钢的品种很多，且可通过各种热处理方式获得适合工作要求的综合性能。其次是铸铁，还有非金属材料。

    锻钢

    硬齿面齿轮可用整体淬火、表面淬火、渗碳淬火、渗氮和碳氮共渗等方法得到。软齿面齿轮可由正火或调质得到，精切齿形可在热处理后进行。

    软齿面齿轮制造工艺简便、经济，但齿面强度低。若改用硬齿面，则齿面接触强度大为提高，在相同条件下，传动尺寸要比软齿面的小得多。同时，也有利于提高抗磨粒磨损、抗胶合和抗塑性流动的能力。因此，采用合金钢、硬齿面齿轮是当前发展的趋势。采用硬齿面齿轮时，除应注意材料的力学性能外，还应适当减少齿数、增大模数，以保证轮齿具有足够的弯曲强度。

    铸钢

    直径较大的齿轮采用铸钢，其毛坯应进行正火处理以消除残余应力和硬度不均匀现象。常用的牌号为ZG270—500一ZG340—640，或低合金铸钢ZG40Mn、ZG40Cr。   

    铸铁   

    普通灰铸铁的铸造性能和切削性能好、价廉、抗点蚀和抗胶合能力强，但弯曲强度低、冲击性差，常用于低速、无冲击和大尺寸的场合。铸铁中石墨有自润滑作用，尤其适用于开式传动。铸铁性脆，为避免载荷集中引起齿端折断，齿宽宜较窄。常用牌号有HT200一HT350。

    球墨铸铁的力学性能和抗冲击性能远高于灰铸铁，可替代某些调质钢的大齿轮。常用牌号有QT500—7、QT600—3等。

    非金属材料

高速、小功率和精度要求不高的齿轮传动，可采用夹布胶木、尼龙等非金属材料。非金属材料的弹性模量较小，可减轻因制造和安装不精确所引起的不利影响，传动时的噪声小。由于非金属材料的导热性差，与其啮合的配对齿轮仍应采用钢或铸铁制造，以利于散热。

  

12．4．2齿轮热处理

    钢制齿轮常用的热处理方法主要有以下几种：

    整体淬火  

    整体淬火后再低温回火。常用材料为中碳钢或中碳合金钢，如45、40Ct等。表面硬度可达45HRC一55HRC。这种热处理工艺较简单，但轮齿变形较大，心部韧度较低。质量不易保证，不适于承受冲击载荷。热处理后必须进行磨齿、研齿等精加工。

    表面淬火   

    表面淬火后再低温回火。常用材料为中碳钢或中碳合金钢。表面硬度可达48HRC—

HRC。由于心部韧度高，能用于承受中等冲击载荷。中、小尺寸齿轮可采用中频或高频感应热，大尺寸齿轮可采用火焰加热。火焰加热比较简单，但齿面难于获得均匀的硬度，质量不易保证。因只在薄层表面加热，轮齿变形不大，可不最后磨齿，但若硬化层较深，则变形较大，应进行最后精加工。  

    渗碳淬火

冲击载荷较大的齿轮，宜采用渗碳淬火。常用材料有：低碳钢或低碳合金钢，如15、20、15Cr、20Cr、20CrMnTi等。低碳钢渗碳淬火后，因其心部强度较低，且与渗碳层不易很好结合，载荷较大时有剥离的可能，轮齿的弯曲强度也较低，重要场合宜采用低碳合金钢，其齿面硬度可达58HRC一63HRC。齿轮经渗碳淬火后，轮齿变形较大，应进行磨齿。

    渗氮  

    渗氮齿轮硬度高、变形小，适用于内齿轮和难于磨削的齿轮。常用材料有：42CrMo、38CrMoM等。由于硬化层很薄，在冲击载荷下易破碎，磨损较严重时也会因硬化层被磨掉而报废，故宜用于载荷平稳、润滑良好的传动。

    碳氮共渗   

    碳氮共渗工艺时间短，且有渗氮的优点，可以代替渗碳淬火，其材料和渗碳淬火的相同。

    正火和调质   

    批量小、单件生产、对传动尺寸没有严格限制时，常采用正火或调质处理。材料为中碳钢或中碳合金钢。轮齿精加工在热处理后进行。为了减少胶合危险，并使大、小齿轮寿命相近，小齿轮齿面硬度应比大齿轮高数十个HB单位。

  

12．5圆柱齿轮传动（外啮合）的几何计算（略）

  

12．6圆柱齿轮传动的载荷计算

  

12．6．1直齿圆柱齿轮传动的受力分析

根据作用力与反作用力的关系，作用在主动轮和从动轮上各对应力大小相等、方向相反。从动轮上的圆周力是驱动力，其方向与回转方向相同；主动轮上的圆周力是阻力，其方向与回转方向相反；径向力分别指向各轮轮心(内齿轮为远离轮心方向)。

  

12．6．2  斜齿圆柱齿轮传动的受力分析   

在切于两基圆柱的啮合平面内，法向力Fn可分解为三个相互垂直的分力：圆周力Ft；径向力Fr；轴向力Fa。

圆周力Ft和径向力Fr方向的判断与直齿圆柱齿轮传动相同。轴向力Fa的方向决定于主动轮轮齿螺旋线方向和齿轮回转方向，可用“左（右）手法则”判断：根据主动轮的轮齿螺旋线方向，左旋用左手，右旋用右手，握住主动轮的轴线，除拇指外其余四指代表旋转方向，拇指的指向即主动轮轴向力的方向。从动轮轴向力方向与其方向相反，大小相等。

  

12．6．3计算载荷   

    根据名义转矩求得的圆周力称为名义圆周力。实际圆周力要比名义圆周力大。为此，用各种系数对名义圆周力进行修正以考虑各种因素的影响，故实际圆周力为

    K= KA Kv KαKβ

式中  K——载荷系数；KA——使用系数；Kv——动载系数；Kα——齿间载荷分配系数，    Kβ——齿向载荷分布系数。

    计算载荷=载荷系数×名义载荷，即：Fc =K×F

12．7  直齿圆柱齿轮传动的强度计算

12．7．1齿面接触疲劳强度计算（公式和参数查手册）

    重要概念：影响齿轮齿面接触疲劳强度的主要几何参数是齿轮的分度圆直径（或中心距）。

12．7．2 齿根弯曲疲劳强度计算（公式和参数查手册）

    重要概念：影响齿轮齿根弯曲疲劳强度的主要几何参数是齿轮的模数。

  12．8  斜齿圆柱齿轮传动的强度计算

  12．8．1  齿面接触疲劳强度计算（公式和参数查手册）

    1．计算公式   

斜齿圆柱齿轮传动齿面不产生疲劳点蚀的强度条件与直齿轮相同。推导计算公式的出发点和直齿圆柱齿轮相似，但有以下几点不同：1)斜齿圆柱齿轮的法向齿廓为渐开线，故齿廓啮合点的曲率半径应代以法向曲率半径 ；2)接触线总长度随啮合位置不同而变化，同时还受端面重合度和纵向重合度的共同影响；3)接触线倾斜有利于提高接触疲劳强度，用螺旋角系数考虑其影响。计人载荷系数、螺旋角系数后，得斜齿圆柱齿轮传动齿面接触疲劳强度的校核公式和设计公式。（公式和参数查手册）

12．8．2  齿根弯曲疲劳强度计算

斜齿圆柱齿轮传动的接触线是倾斜的，故轮齿往往是局部折断。齿根弯曲应力比较复杂，很难精确计算，通常按斜齿轮的法面当量直齿圆柱齿轮进行，分析的截面应为法向截面，模数应为法向模数。考虑接触线倾斜对弯曲强度的有利影响，再引入螺旋角系数，于是得斜齿圆柱齿轮齿根弯曲疲劳强度的校核公式。 对于人字齿轮，和直齿圆柱齿轮传动相同的原因，在进行设计计算时，也无法直接应用式还需先按简化公式求出主要尺寸和参数，然后再作较精确的校核计算。（公式和参数查手册）

12．10  齿轮传动的效率和润滑

12．10．1齿轮传动的效率

    齿轮传动的功率损失主要包括：1)啮合中的摩擦损失；2)润滑油被搅动的油阻损失；3)轴承中的摩擦损失。

闭式齿轮传动的效率

= 考虑齿轮啮合损失时的效率 × 考虑油阻损失时的效率 × 轴承的效率

12．10．2  齿轮传动的润滑

    齿轮传动的润滑方式主要取决于齿轮的圆周速度，详见第15章。润滑油的粘度一般也是根据齿轮的圆周速度选择的。课本和手册有关表列出了润滑油的荐用值，根据查得的粘度选定润滑油的牌号。



12．11  齿轮结构

齿轮结构型式主要由毛坯材料、几何尺寸、加工工艺、生产批量、经济等因素确定，各部分尺寸由经验公式求得；相关的经验公式可查机械设计手册或图册。

齿轮结构型式主要有：

龆轮轴：齿轮与轴做成一体；

实心轮：较小的齿轮；

辐板轮： 中等尺寸的锻造齿轮或铸造齿轮；

轮辐式： 材料为铸铁或铸钢的大尺寸齿轮。

　

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第7章 键、花键、销、成形联接

㈠基本内容：

1. 键联接；

   2.花键联接.

㈡重点与难点：

1重点：平键联接；楔键联接；半圆键联接；花键联接.

2难点：各类键联接的选择；各类键联接的失效形式和强度条件；采用“双键”联接的布置方法.

㈢基本要求：

1了解各种键联接的用途；

2掌握各种键的选择；

3掌握各类键联接的强度校核计算；

4掌握各类键联接的结构设计.
　

键和花键主要用于轴和带毂零件(如齿轮、蜗轮等)，实现周向固定以传递转矩的轴毂联接。其中，有些还能实现轴向固定以传递轴向力；有些则能构成轴向动联接。销主要用来固定零件的相互位置。销联接通常只传递少量载荷。销还可用作安全装置。成形联接和弹性环联接是轴毂联接的其他型式，后者只能构成静联接。成形联接又称无键联接，轴毂联接段的剖面为非圆形。

7．1键联接

7．1．1  键联接的分类和构造

键是标推零件，分为两大类：1)平键和半圆键，构成松联接；2)斜键，构成紧联接。

1．平键和半圆键联接   

    ——平键联接。键的侧面是工作面。工作时，靠键与键槽的互压传递转矩。按用途，平键分为普通平键(GBl096~79)、导向平键(GBl097~79)和滑键三种，导向平键简称导键。有一种键高较小的普通平键称为薄型平键(GBl566~79)，可用于薄壁零件。普通平键用于静联接，按结构分为圆头的（A型）、方头（B形）的和一端圆头一端方头的（C形）。圆头键牢固地卧于指状铣刀铣出的键槽中，方头键卧于用盘状铣刀铣出的键槽中，常用螺钉紧固。一端圆头一端方头的键用于轴伸处。   

导键联接和滑键联接都是动联接。导键固定在轴上而毂可以沿着键移动，滑键固定在毂上而随毂一同沿着轴上键槽移动。键与其相对滑动的键槽之间的配合为间隙配合。键与键槽的滑动面应具有较低的粗糙度值，以减少移动时的摩擦阻力。当轴向移动距离较大时，宜采用滑键，因为如用导键，健将很长，增加制造的困难。

导键按结构分为圆头的和方头的，一般用螺钉紧固在轴上。滑键结构依固定方式而定，所示为典型的两种。

半圆键联接。半圆键(GBl099--79)用圆钢切制或冲压后磨制。轴上键槽用半径与键相同的盘状铣刀铣出，因而键在槽中能绕其几何中心摆动以适应毂上键槽的斜度。半圆键用于静联接，键的侧面是工作面。半圆键联接的优点是工艺性较好，缺点是轴上键槽较深。它主要用于载荷较轻的联接；也常用作锥形轴联接的辅助装置。

平键和半圆键联接制造简易，装拆方便，在一般情况下不影响被联接件的定心，因而应用相当广泛。平键和半圆键联接不能实现轴上零件的轴向固定，所以也不能传递轴向力。当零件需要轴向固定时，可采用图7．5和第16章中所述的各种方法。

2．斜健联接

只能用于静联接。根据联接的构造和工作原理不同；斜键有很多种。下面介绍常用的两种：楔键和切向键。

楔健联接。键的上下两面是工作面，分别与教和轴上键槽的底面贴合。健的上表面具有1：100的斜度。装配后，键楔紧在轴毂之间。工作时，靠键、轴、毂之间的摩擦力和由于轴与轮毂有相对转动的趋势而使键受到的挤压传递转矩，也能传递单向的轴向力。当过载而轴与毂发生相对转动时，键的两个侧面能象平键侧面那样地参加工作，不过这一特点只有在单向且无冲击的载荷条件下才能利用。

切向键联接。由两个斜度为、1：100的单边倾斜楔组成。装配后，两楔以其斜面相互贴合，共同楔紧在轴毂之间。切向键的上下两面是工作面，键在联接中必须有—个工作面处于包含轴心线的平面之内；斜健联接的主要缺点是引起轴上零件与轴的配合偏心，在冲击，振动政变载下也容易松动，因此，不宜用于要求准确定心、高速和承受冲击、振动或空载的联接。近年来它的应用范围已经缩小。

在各种轴毅联接中，健联接具有简单，紧凑、可靠，装拆方便和成本低廉等优点，因此是最通用的联接型式。

但键槽削减了被联接件的承载面积，特别是会引起高度的应力集中：此外，被联接件也难以获得精确的定心。由于有这些缺点，在载荷很大和变化复杂或对被联接件定心要求较高的场合。键联接巳逐渐为花键联接、弹性环联接和过盈联接所代替。

7．2花键联接

花键联接靠轴和毂上的纵向齿的互压传递转矩，可用于静联接或动联接。

7．2．1  花键联接的分类和构造

根据齿形不同，花键联接分为矩形花键联接(GB 1144--87)和渐开线花键联接(GB3478--83)两种，新标准中规定渐开线花键联接是由作用于齿面上的压力自动平衡来定心的，渐开线的制造工艺和齿轮完全相同，但压力角有30和45两种，齿根有平齿根和圆齿根两种。为便于加工，一般选用平齿根，但圆齿根有利于降低应力集中和减少产生淬火裂纹的可能性。渐开线花犍有承栽能力大、使用寿命长、定心精度高等特点，宜用于载荷较大、尺寸也较大的联接。目前生产中，也有以外径定心的，这时，需要专用的滚刀和插刀切齿，常用于径向载荷较大的动联接。

细齿渐开线花键的齿较细，有时也可做成三角形。这种联接适用于载荷很轻或薄壁零件的轴毂联接，也可用作锥形轴上的辅助联接。

与平键联接比较，花键联接有以下优点：

1)齿对称布置，使轴毂受力匀称；

2)齿轴一体而且齿槽较浅，齿根的应力集中较小，被联接件的强度削弱较少；

3)齿数多，总接触面积大，压力分布较均匀。这些都使联接具有较高的承载能力。

此外，齿可利用较完善的制造工艺，因而被联接件能得到较好的定心和轴上零件沿轴移动时能得到较好的导向作用，而且零件的互换性也容易保证。以上各点使花键联接的应用日趋广泛，特别是作为轴毂的动联接更有其独特的优越性。不过，齿的制造要用专门的设备和工具，这就使花键联接的应用受到一定的限制。

7．2，2花键联接的计算

设计花键联接和设计键联接相似，通常先选联接类型和方式，查出标准尺寸，然后再作强度验算。联接的可能失效有：齿面的压溃或磨损，齿根的剪断或弯断等，对于实际采用的材料组合和标准尺寸来说，齿面的压溃或磨损常是主要的失效形式，因此，一般只作联接的挤压强度或耐磨性计算。

7．3  销联接

齿面未经热处理    齿面经过热处理

销联接通常只传递不大的载荷，或者作为安全装置。销的另一重要用途是固定零件的相互位置，它是组合加工和装配时的重要辅助零件。   

销的材料一般用强度极限不低于500MPa一600MPa的碳素结构钢(例如35、45)和易切钢(Y12)等。

圆柱销(GBll9--86)利用微量过盈固定在铰光的销孔中，多次装拆将有损于联接的紧固和定位的精确。   

圆锥销(GBll7--86)有1：50的锥度，可自锁；靠锥挤作用固定在铰光的销孔中，可多次装拆。   

内螺纹圆锥销(GBl20---86)和螺尾圆锥销可用于销孔没有开通或拆卸困难的场合；开尾圆锥销(GB877--86)可保证销在冲击、振动或变载下不致松脱。

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