1.齿轮传动的失效形式及计算准则
1）齿轮传动的失效形式
大多数齿轮传动副既传递运动又传递动力。因此，齿轮传动除须运动平稳外，还必须有足够的承载能力。实践证明，齿轮传动失效主要发生在轮齿上。其主要失效形式有5种。
（1）轮齿折断 轮齿折断是指齿轮的一个或多个齿的整体或局部的断裂。通常有疲劳折断和过载折断两种。
图7－21 轮齿折断
①疲劳折断 轮齿受载时可看成悬臂梁，齿根部的弯曲应力最大。当齿轮单向运转时，其弯曲应力按对称循环方式变化。在过高的交变应力多次作用下，在轮齿齿根处将形成疲劳裂纹且裂纹将不断地扩展，从而导致轮齿的疲劳折断，如图7－21所示。
宽度较小的直齿轮的轮齿一般沿整个齿宽折断，接触线倾斜的斜齿轮或人字齿轮以及齿宽较大的直齿轮多发生轮齿的局部折断。
②过载折断 通常是指由于短时的严重过载而发生的轮齿折断。
增大齿根过渡圆角半径、提高表面精度以减小应力集中以及对齿根处进行强化处理（如喷丸、碾压）等，都可提高轮齿的抗折断能力。
（2）齿面点蚀 齿轮工作时，轮齿齿面在法向力的作用下将产生接触应力，并按脉动循环变化。在过高的交变接触应力的反复作用下，齿面金属将呈小块脱落，在节点附近形成麻点状的凹坑，称为点蚀（见图7－22）。点蚀多发生在闭式传动、良好润滑条件下。
提高齿面硬度、接触精度及润滑油黏度，进行合理的变位等措施，均能提高齿面抗点蚀能力。
图7－22 齿面点蚀
图7－23 齿面磨损
（3）齿面磨损 在齿轮啮合传动中，齿面磨损一方面会导致渐开线齿形被破坏，引起噪声和系统振动，另一方面会使轮齿减薄，间接导致轮齿折断。齿面磨损失效多发生在开式齿轮传动中。图7－23所示为磨损后的齿面。
（4）齿面胶合 高速、重载齿轮传动中，齿面间的压力大，产生的摩擦热过大，润滑效果差，会使两齿面间某些接触点熔焊在一起，随后又被撕开，从而使齿面上滑动速度较大的齿顶和齿根处产生沿相对滑动方向的撕裂痕迹，如图7－24所示。这种破坏称为胶合，多发生在闭式软齿面齿轮传动中。
提高齿面硬度和表面精度、采用抗胶合能力强的润滑油、选用抗胶合性能好的齿轮副材料、进行合理的变位等，均能提高齿轮的抗胶合能力。
为了减少磨损，对重要的齿轮传动应采用闭式传动，并经常注意润滑油的清洁和更换。
图7－24 齿面胶合
图7－25 塑性变形
（5）塑性变形 在过大的压力作用下，轮齿材料将因屈服而沿摩擦力方向塑性流动，这种现象称为塑性变形（见图7－25）。在启动频繁的场合和过载传动中，这种齿面损坏形式较容易产生。
适当选配主、从动齿轮的材料和表面硬度，进行适当的跑合，以及选用合适的润滑油和润滑方法等均能减轻和防止齿面塑性变形。
2）齿轮传动强度设计准则
设计齿轮传动时，应根据实际工作条件，分析可能发生的主要失效形式，选择相应的齿轮传动强度设计准则。一般情况下齿轮传动的设计准则如下。
（1）闭式软齿面齿轮传动 主要失效形式是齿面点蚀，故按齿面接触疲劳强度进行设计计算，得到齿轮传动主要尺寸（分度圆直径或中心距），并按齿根弯曲疲劳强度校核。
（2）闭式硬齿面齿轮传动 主要失效形式是齿轮折断，故应先按齿根弯曲疲劳强度设计，再校核齿面接触疲劳强度。
（3）开式（半开式）齿轮传动 主要失效形式是齿面磨损和齿根弯曲疲劳折断，故应按齿根弯曲疲劳强度设计，并考虑磨损影响，将强度计算所得的模数放大10％～20％。
2.齿轮的常用材料和热处理
1）齿轮材料选择的要求
齿轮材料对齿轮的承载能力和结构尺寸影响很大，合理选择齿轮材料是设计的重要内容之一。选择齿轮材料时应考虑如下要求：齿面应有足够的硬度，具备抗点蚀、抗磨损、抗胶合和抗塑性变形的能力；轮齿心部应有足够的强度和韧度，保证齿根抗弯曲能力；此外，还应具有良好的机械加工和热处理工艺性及经济性等要求。
2）常用齿轮材料及热处理
制造齿轮材料以锻钢（包括轧制钢材）为主，其次是铸钢、铸铁，还有有色金属和非金属材料等。
（1）锻钢 因锻钢具有强度高、韧度高、便于制造和热处理等优点，大多数齿轮都用锻钢制造。用锻钢制造的齿轮又有软齿面齿轮和硬齿面齿轮之分。
①软齿面齿轮 软齿面齿轮的齿面硬度≤350HBS，常用材料为中碳钢和中碳合金钢，如45、40Cr、42Si Mn钢等材料，经调质或正火处理。由于小齿轮啮合次数比大齿轮多，小齿轮易磨损，为了使大、小齿轮寿命接近，应使小齿轮的齿面硬度比大齿轮高30～50HBS。软齿面齿轮用于齿轮尺寸紧凑性和精度要求不高、载荷不大的中低速场合。
②硬齿面齿轮 硬齿面齿轮齿面硬度＞350HBS。常用材料为中碳钢或中碳合金钢，经表面淬火处理；若用优质低碳钢或低碳合金钢制造，须经渗碳淬火处理。经热处理后，齿面硬度一般为45～65HRC。与软齿面齿轮相比，硬齿面齿轮齿轮的承载能力大大提高，结构尺寸和重量明显减小，综合经济效益显著提高。
（2）铸钢 铸钢的力学性能稍低于锻钢。当齿轮尺寸较大而轮坯难以锻造时，可用铸钢，切齿前须经退火、正火及调质处理。
（3）铸铁 灰铸铁的抗弯及耐冲击能力都很差，但它易铸造、易切削，具有良好的耐磨性和消振性，成本低廉，可用于低速、载荷不大的开式齿轮传动。球墨铸铁的强度比灰铸铁高得很多，具有良好的塑性和较高的韧度，在冲击不大的情况下，可代替钢制造齿轮。
（4）有色金属和非金属材料 有色金属（如铜合金、铝合金等）用于有特殊要求的齿轮传动。非金属材料常用的有夹布胶木和尼龙等工程塑料，用于低速、轻载、要求低噪声而对精度要求不高的场合。由于非金属材料的导热性差，故需与金属齿轮配对使用，以利于散热。目前的使用已日益增多。
表7－8列出了常用的齿轮材料及其机械特性。
表7－8 常用齿轮材料及其机械特性
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