齿轮传动（二）
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1、齿轮传动的失效形式有哪些？
答：齿轮传动的失效形式主要是轮齿的失效。主要失效形式有轮齿折断（最严重的时效形式，必须避免）、齿面点蚀、齿面胶合（热胶合、冷胶合）、齿面磨损、齿面塑性变形。
2、疲劳点蚀最先出现的位置是（靠近节线的齿根面上），然后再向其他部位扩展。
3、齿面抗疲劳点蚀的能力主要取决于：齿面硬度，齿面硬度越高，抗疲劳点蚀的能力越强。
4、什么是软齿面齿面齿轮传动，什么是硬齿面齿轮传动？
齿轮工作面面的硬度大于350HBW（或38HRC），称为硬齿面齿轮传动；齿轮工作面的硬度小于或等于350HBW（或38HRC），称为软齿面齿轮传动。
5、什么是开式齿轮传动、半开式齿轮传动和闭式齿轮传动？
开式齿轮传动：齿轮全部与大气接触，润滑情况差；半开式齿轮传动：齿轮一部分浸入油池，上装护罩，不封闭；闭式齿轮传动：齿轮封闭在箱体内并能得到良好的润滑。
6、不同形式的齿轮的主要失效形式分别是什么？
答：软齿面的闭式齿轮传动（开式因磨损较快，通常看不见点蚀现象。）的主要失效形式是齿面点蚀；高速重载的齿轮传动的主要失效形式是齿面胶合（注：低速重载时也有可能发生）；开式齿轮传动的主要失效形式是齿面磨损；软齿面重载传动的齿轮的主要失效形式是齿面塑性变形；
7、提高齿轮的抗折断能力的方法有哪些？
1）适当增大齿根过渡圆角的半径，消除该处的加工刀痕，以降低应力集中作用；
2）增大轴及轴承的刚度，以减小齿面上局部受载的程度；
3）正确地选择材料和热处理形式使齿面较硬，齿芯材料具有足够的韧性；
4）在齿根处施加适当的强化措施（如喷丸、碾压）等。
8、改善齿面磨损的措施有哪些？
1）改用闭式齿轮传动替代开式齿轮传动；
2）提高齿面硬度，降低表面粗糙度。
9、齿轮传功的分类有哪些？
1）按齿廓曲线：渐开线、圆弧、摆线；
2）按啮合位置：外啮合、内啮合；
3）按齿轮外形：直齿、斜齿、人字齿、曲（线）齿；
4）按两轴相互位置：平行轴、相交轴、交错轴；
5）按工作条件：开式、半开式、闭式；
6）按齿面硬度：软齿面（≤350HBW）、硬齿面（>350HBW）。
10、齿轮传动的特点是什么？
优点：
1）传动效率高。在常用的机械传动中，齿轮的传动效率最高。一对圆柱齿轮传动的效率一般在98%以上，高精度齿轮传动的效率超过99%。
2）齿轮传动是啮合传动，因此工作可靠，寿命长，可用于航天及井下工作的机器。
3）结构紧凑。在相同的使用条件下，齿轮传动所需的结构尺寸一般较小。
4）传动比准确、恒定，传动平稳。
5）适用的圆周速度和功率范围广。传递功率可高达数万千瓦，圆周速度可达150m/s（最高可达300m/s），直径能做到10m以上。
6）可实现平行轴、同一平面的相交轴和空间交错轴之间的传动。
缺点:
1)要求加工精度和安装精度较高，制造成本高，制造时需要专门工具和设备。
2）不宜用于远距离两轴间的传动。
各类齿轮传动的主要特点和适用范围
名称 | 主要特点 | 适用范围 | |||||
传动比 | 传递功率 | 速度 | 应用举例 | ||||
渐开线圆柱齿轮传动 | 传动的速度和功率范围很大；传动效率高，一对齿轮可达98%~99.5%,精度越高，效率越高；对中心距的敏感性小，装配和维修比较简单；可以进行变位切削及各种修形、修缘，以适应提高传动质量的要求；易于进行精确加工。 | 单级1~8，最大到10； 两级到45； 三级到75 | 到25000kW 最大到10^5kW | 到150m/s，最高300m/s | 应用非常广泛 | ||
圆弧齿轮传动 | 单圆弧齿轮传动 | 接触强度高；效率高；磨损小而均匀；没有根切现象。不能做成直齿 | 单级1~8，最大到10； 两级到45； 三级到75 | 高速传动可达6000kW 低速传动输出转矩达1.2MN*m（117.7t*m）功率达5000kW | 到100m/s | 高速传动如用于鼓风机、制氧机、汽轮机等；低速传动如用于轧钢机械、矿山机械、起重运输机械等 | |
双圆弧齿轮传动 | 具有单圆弧齿轮的优点，可用同一把滚刀加工一堆齿轮；传动平稳，振动和噪声较单圆弧齿轮小，抗弯强度比单圆弧齿轮高 | ||||||
圆锥齿轮传动 | 直齿圆锥齿轮传动 | 轴向力小；比曲线齿锥齿轮制造容易；可制成鼓形齿轮 | 1~8 | 370kW | <5m/s | 用于机床、汽车、拖拉机及其他机械中轴线相交的传动 | |
曲线齿圆锥齿轮传动 | 比直齿锥齿轮传动平稳，噪声小，承载能力大。由于螺旋角产生轴向力，转向变化时，此轴向力方向亦改变，轴承应考虑止推问题。 | 1~8 | 3700kW | >5m/s， ≥40m/s 需磨齿 | 用于汽车驱动桥传动、机床、拖拉机等传动 | ||
准双曲面齿轮传动 | 比曲线齿锥齿轮传动更平稳。利用偏置距增加小轮直径，因而可以增加小齿轮刚度，实现两端支承。沿齿长方向有滑动，需用准双曲面齿轮油润滑 | 1~10，用于代替蜗杆传动时可达50~100 | 735kW | >5m/s | 最广泛用于越野及小客车，也用于货车。 | ||
蜗杆传动 | 圆柱蜗杆传动 | 普通圆柱蜗杆传动 | 传动比达；工作平稳；噪声较小；结构紧凑；在一定条件下有自锁性，效率低 | 8~80 | 到200kW | Vs≤15~35m/s | 多用于中、小载荷、间歇工作的机器设备中 |
圆弧圆柱蜗杆传动 | 接触线形状优于普通圆柱蜗杆传动，有利于形成油膜；中间平面共轭齿廓为凸凹齿啮合，传动效率及承载能力均高于普通圆柱蜗杆传动 | ||||||
环面蜗杆传动 | 接触线和相对速度夹角接近90°，有利于形成油膜；同时接触齿数多，当量曲率半径大，因而承载能力大，一般比普通圆柱蜗杆传动大2~3倍 | 5~100 | 到4500kW | 多用于轧机压下装置、各种绞车、冷挤压机、转炉、军工产品以及其他重型设备 | |||
锥蜗杆传动 | 同时接触齿数多，齿面得到充分润滑和冷却，易形成油膜，承载能力高；传动平稳；效率高于圆柱蜗杆传动；制造和装配简单 | 10~359 | 适用于特定结构的场合 |
11、设计一般用途的齿轮传动的两大设计准则是什么？
通常只按保证齿根弯曲疲劳强度及保证齿面接触疲劳强度两大设计准则进行计算。但在设计高速大功率的齿轮传动（航空发动机主传动、汽轮发动机组传动等）时，还应保证齿面抗胶合能力的准则进行计算。
12、齿轮传动的设计准则是什么？
1）闭式软齿面和软、硬组合齿面（两齿轮之一齿面硬度>350HBW）的齿轮传动。其主要失效形式是疲劳点蚀，一般按齿面接触疲劳强度进行设计计算，验算齿根弯曲疲劳强度。
2）闭式硬齿面的齿轮传动。其主要失效形式是轮齿的折断，按齿根弯曲疲劳强度进行设计计算，验算其齿面的接触疲劳强度。
3）大功率闭式齿轮传动，当输入功率超过75kW的闭式齿轮传动，发热量大，易于导致润滑不良及轮齿胶合损伤等，为了控制升温，还应作散热能力计算。
4）开式齿轮传动。其主要失效形式是磨损（过渡磨损或磨损后变薄而弯曲折断）。设计时采用降低开式传动的许用应力的方法按齿根弯曲强度进行设计计算，即按齿根弯曲强度进行设计计算，考虑到磨损对齿厚的影响，将计算的模数增大10%~15%，通常不必验算接触强度。
13、对齿轮材料的性能要求是什么？
齿面要硬，齿芯要韧。
14、齿轮的常用材料有哪些？
金属材料：
1）锻钢。除尺寸过大或结构形状复杂只宜铸造者外，一般都用锻钢制造齿轮，常用的是含碳量为0.15%~0.6%的碳钢或合金钢。
2）铸钢。铸钢的耐磨性及强度均较好，但应经退火及常化处理，必要时也可进行调质。铸钢常用于尺寸较大的齿轮。
3）铸铁。灰铸铁性质较脆，抗冲击及耐磨性都较差，但抗胶合及抗点蚀的能力较好。灰铸铁齿轮常用于工作平稳、速度较低、功率不大的场合。
非金属材料：
1）夹布塑料、尼龙等。用于高度、轻载及精度要求不高的场合，为了降低噪声，小齿轮常用非金属材料，大齿轮仍用钢或铸铁制造。
15、齿轮的常用热处理方法有哪些？
1）调质或正火
一般用于中碳钢或中碳合金钢。调质后材料的综合性能良好。硬度一般可达（200~280HBW），由于硬度不高，热处理后便于精切齿形。
正火能消除内应力细化晶粒，改善其性能，正火后硬度可达（156~217）HBW。
考虑到传动时小齿轮轮齿的工作次数比大齿轮多，并为便于用跑合的方法改善轮齿的接触情况及提高抗胶合能力，对一对均为软齿面的齿轮传动，两齿轮硬度应有一定差别，一般小齿轮的齿面比大齿轮的高（25~50）HBW。
2）整体淬火
整体淬火常用材料为中碳钢或中碳合金钢，如45、40Cr等。表面硬度可达（45~55）HRC，承载能力高，耐磨性强，适用于高速齿轮传动。这种热处理工艺简单，但轮齿变形很大，心部韧性较差。不适于冲击载荷。热处理后必须进行磨齿、研齿等精加工。
3）表面淬火
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不大，可不磨齿，齿面硬度可达（40~55）HRC，轮齿承载力高，耐磨性强，同时由于芯部未淬火，仍保持有较高的韧性，所以能承受一定的冲击载荷。表面淬火的方法有高频淬火和火焰淬火等。
4）渗碳淬火
一般用于含碳量0.15%~0.25%的低碳钢或低碳合金钢，例如20、20Cr等。渗碳淬火后表面硬度可达（56~62）HRC而心部仍保持较高的韧性，故可承受较大的冲击载荷。渗碳淬火后轮齿的热处理变形较大，一般需磨齿。
5）氮化
氮化是一种化学热处理方法，氮化后不再进行其他热处理，齿面硬度可达（60~62）HRC。因氮化处理温度低，轮齿变形小，无需磨齿，故适用于难以磨齿的场合，如内齿轮。氮化处理的硬化层很薄，不宜用于有剧烈磨损的场合。
16、齿轮材料的选择原则是什么？
1）齿轮材料必须满足工作条件的要求。如对于要求质量小、传递功率大和可靠性高要求的齿轮，必须选择力学性能高的合金刚；对于一般功率很大、工作速度较低、周围环境中粉尘含量极高的场合，往往选择铸钢或铸铁等材料；对于功率很小，但要求传动平稳、低噪声或无噪声以及能在少润滑或无润滑状态下使用的场合，常选用工程塑料作为齿轮材料。
2）应考虑齿轮尺寸的大小、毛坯成形方法及热处理和制造工艺。大齿轮齿轮一般用铸造毛坯，材料一般为铸钢或铸铁；中等或中等以下尺寸的齿轮常用锻造毛坯，常用材料为锻钢。尺寸较小且要求不高的齿轮，一般选择圆钢做毛坯。
3）材料的性能应与工况条件相适应。如正火钢不论毛坯的制造方法如何，只能用于制作载荷平稳或轻度冲击下工作的齿轮，不能承受大的冲击载荷。调质钢可用于制作中等冲击载荷下工作的齿轮；合金钢常用于制作高速、重载并在冲击载荷下工作的齿轮；飞行器中的齿轮传动，要求齿轮尺寸尽可能小，应采用表面硬化处理的高强度合金钢。
4）考虑配对齿轮的齿面硬度组合。对于金属制的软齿面齿轮传动，配对齿轮齿面的硬度差应保持（25~50）HBW或更多。
17、齿轮表面硬化的方法有哪些？
渗碳、氮化和表面淬火。采用渗碳工艺时，应选用低碳钢或低合金钢作为齿轮材料；采用表面淬火时，对材料没有特殊要求。
18、常见齿轮材料加工工艺要点举例：
1）调质钢热处理后的表面硬度低（<350HBW），可以用切削加工的方法进行加工，加工效率高，制造成本低。
2）渗碳钢需要在热处理前进行切齿，热处理后由于硬度提高，不能在通过切削加工的方法提高精度，只能通过磨削加工的方法进行加工，消除热处理造成的齿轮变形，加工精度高，加工费用也高。
3）氮化钢也需要在热处理前进行切齿，热处理后不经加工便可使用。
4）铸钢的力学性能较好，适用于制造大尺寸齿轮。
19、、齿轮传动的精度的划分？
在我国，渐开线圆柱齿轮和锥齿轮均已制定有精度标准。国标规定了13个精度等级，0级精度最高，12级精度最低，常用的是6~9级。齿轮副中两个齿轮的精度等级一般取成相同，也允许取成不同。
齿轮的制造精度及传动精度由规定的精度等级及齿侧间隙（简称侧隙）决定。
国标规定，将影响齿轮传动的各项精度指标分为I、II、III三个公差组精度等级。
第I公差组精度等级主要影响传递运动的准确性（运动精度）；
第II公差组精度等级主要影响传递运动的平稳性（工作平稳性精度）；
第III公差组精度等级主要影响轮齿载荷分布的不均匀性（接触精度）。
20、齿轮传动精度等级的选择依据是什么？
根据齿轮传动的用途、工作条件、传递功率及圆周速度的大小，以及其他技术要求，并以主要的精度（运动精度、工作平稳性精度、还是接触精度）要求作为选择的依据。确定精度等级时，还要考虑加工条件，正确处理精度要求与加工技术及精度的矛盾。
各级公差渐开线圆柱齿轮传动的应用范围
公差等级 | 圆周速度v/m*s-1 | 单级传动效率 | 应用范围 | |
直齿 | 斜齿 | |||
4 | >35 | >70 | ≥0.99 | 超精密分度机构齿轮，超高速、超高平稳性、极低噪声的齿轮，高速汽轮机齿轮，检验7级公差齿轮的测量齿轮 |
5 | >20 | >35 | 精密分度机构齿轮，高速、高平稳性，低噪声的齿轮，高速汽轮机齿轮，印刷机辊子用齿轮，重型机械进给机构中的齿轮，船用柴油机齿轮，检验8~9及公差齿轮的检测齿轮 | |
6 | ~20 | ~35 | 高速、较高平稳型、高效率、低噪声齿轮，分度机构齿轮，航空、轿车、机车、机床中的重要齿轮和有高可靠性要求的齿轮，重型机械、起重机械的传力传动齿轮，读数装置中的精密传动齿轮 | |
7 | ~5 | ~25 | ≥0.98 | 一般高速、大功率传动齿轮，金属切削机床进给机构齿轮，重型矿山、工程机械中的重要齿轮，普通机床传动齿轮、变速齿轮，一般船用柴油机齿轮，有可靠性要求的小型工业齿轮箱，起重运输机械齿轮，印刷机械驱动齿轮 |
8 | ~10 | ~15 | ≥0.97 | 中速、平稳传动齿轮，一般工业机械中的齿轮，分度链以外的机床齿轮，载货汽车、拖拉机齿轮，普通减速器、起重运输机械齿轮，农业机械中的重要齿轮，印刷机一般驱动齿轮 |
9 | ~4 | ~6 | ≥0.96 | 一般的齿轮，轻载传动齿轮，载货汽车、拖拉机、联合收割机的齿轮，速度较高的开式传动齿轮和转盘齿轮 |
21、齿轮传动的功率损失由哪几部分组成？
1）啮合中的摩擦损失；
2）润滑油被搅动的油阻损失；
3）轴承中的摩擦瞬时。
22、齿轮传动的润滑方式及其应用场合？
1）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作周期性加油润滑；
2）闭式齿轮传动的润滑方式（主要是根据齿轮的圆周速度确定润滑方式）。
浸油润滑（圆周速度v≤12m/s）、喷油润滑（圆周速度v>12m/s）
23、齿轮强度计算可以确定的齿轮参数有哪些？
只能确定齿轮的主要参数和尺寸，如模数、齿数、螺旋角、中心距、分度圆直径及齿宽等。
24、齿轮的结构形式有哪些？如何选择？
1）齿轮轴
对齿根圆直径与轴径相差不大的齿轮，或从键槽底面到齿根的距离e过小（如圆柱齿轮e≤2.5m，锥齿轮e≤1.6m），此时应将齿轮与轴做成一体。
齿轮轴虽简化了装配，但整体长度大，给齿轮加工带来不变，而且齿轮损坏后，轴也随之报废，故当d>2.5m（圆柱齿轮）或e>1.6m（锥齿轮）时，应将齿轮与轴分开制造。
2）实体式齿轮
对齿顶圆直径da≤（160~200）mm的齿轮，可采用实体式齿轮，其特点是结构简单、制造方便。为了便于装配和减少边缘应力集中，孔边及齿顶边缘应切制倒角。对于锥齿轮，轮毂的宽度应大于齿宽，以利于加工时装夹。
3）腹板式齿轮
对于齿顶圆直径da>（160~200）mm但da≤500mm的齿轮，常采用腹板式齿轮，腹板上开孔的数目按结构尺寸大小及需要而定。但航空产品中的齿轮，虽da≤160mm，也有做成腹板式的。
当齿顶圆直径da≤500mm时，一般可采用锻造毛坯。
4）轮辐式齿轮
齿顶圆直径da>500mm的齿轮，或虽da≤500mm但形状复杂、不便于锻造的齿轮，常做成轮辐式齿轮，常采用铸造毛坯（铸铁或铸钢）。
5）焊接式齿轮
如果单件或小批量生产大型齿轮可采用焊接结构。
6）组装式齿轮
为了节约贵金属，对于尺寸较大的圆柱齿轮，可做成组装齿圈式的结构。
25、齿轮传动类型选择的原则
1）满足使用要求，如对传动结构尺寸、重量、功率、速度、传动比、寿命、可靠性的要求等。对以上要求应作全面的深入分析，满足主要的要求，兼顾其他。如对大功率长期运转的固定式设备，则着重于齿轮的寿命长和提高齿轮的传动效率；对短期间间歇运转的移动式设备，应要求结构紧凑为主；对重要的齿轮传动，则要求可靠性高。
2）考虑工艺条件，如制造厂的工艺水平、设备条件、生产批量等。
3）考虑合理性、先进性和经济性等。
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