机械设计第10章齿轮传动.ppt
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1、第十章第十章 齿轮传动齿轮传动10-2 齿轮传动的失效形式及设计准则齿轮传动的失效形式及设计准则 10-3 齿轮材料及其选择原则齿轮材料及其选择原则 10-6 设计参数、许用应力与精度选择设计参数、许用应力与精度选择 10-4 齿轮传动的计算载荷齿轮传动的计算载荷 10-5 标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算 10-8 标准圆锥齿轮传动的强度计算标准圆锥齿轮传动的强度计算 10-9 齿轮的结构设计齿轮的结构设计 10-10 齿轮传动的润滑和效率齿轮传动的润滑和效率 10-1 概述概述10-7 标准斜齿圆柱齿轮传动的强度计算标准斜齿圆柱齿轮传动的强度计算 本章学习的基本
2、要求:本章学习的基本要求:(一)熟练掌握的内容(一)熟练掌握的内容 1 1)齿轮传动的失效形式及设计准则)齿轮传动的失效形式及设计准则 2 2)齿轮常用材料及热处理方法的选择;)齿轮常用材料及热处理方法的选择;3 3)直齿和斜齿轮、直齿锥齿轮的受力分析;)直齿和斜齿轮、直齿锥齿轮的受力分析;4 4)圆柱齿轮接触和弯曲疲劳强度计算的理论依据、计算公式及)圆柱齿轮接触和弯曲疲劳强度计算的理论依据、计算公式及公式中各参数的物理意义、公式的运用;公式中各参数的物理意义、公式的运用;5 5)直齿锥齿轮强度计算)直齿锥齿轮强度计算(二)一般了解的内容(二)一般了解的内容 1 1)圆柱齿轮和锥齿轮强度计算公
3、式的推导;)圆柱齿轮和锥齿轮强度计算公式的推导;2 2)齿轮传动的计算载荷)齿轮传动的计算载荷本章的重点:本章的重点:标准直齿圆柱齿轮传动的设计原理及强度计算方法标准直齿圆柱齿轮传动的设计原理及强度计算方法(一)齿轮传动的特点:(一)齿轮传动的特点:传动效率高传动效率高可达可达9999;结构紧凑结构紧凑;工作可靠,寿命长;工作可靠,寿命长;传动比稳定传动比稳定;制造及安装精度要求高,价格较贵。制造及安装精度要求高,价格较贵。学习本章的目的学习本章的目的 本章学习的根本目的是掌握齿轮传动的设计方法,即要本章学习的根本目的是掌握齿轮传动的设计方法,即要能够根据齿轮工作条件的要求,设计出传动可靠的齿
4、轮。能够根据齿轮工作条件的要求,设计出传动可靠的齿轮。10-1 概述概述 齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一(二)分类(二)分类开式传动开式传动 10-1 概述概述 半开式传动半开式传动闭式传动闭式传动齿轮传动齿轮传动开式传动开式传动 半开式传动半开式传动闭式传动闭式传动按装置型式分按装置型式分按使用情况分按使用情况分硬齿面齿轮硬齿面齿轮(齿面硬度350HBS)高速齿轮高速齿轮 低速齿轮低速齿轮 按齿面硬度分按齿面硬度分软齿面齿轮软齿面齿轮(齿面硬度350HBS)10-2 齿轮传动的失效形式及设计准则齿轮传动的失效形式及设计准则 轻载齿轮轻载齿轮 重载齿轮
5、重载齿轮 10-2 轮齿的失效形式及设计准则轮齿的失效形式及设计准则 轮齿折断轮齿折断疲劳折断疲劳折断一、轮齿的失效形式一、轮齿的失效形式 失效形式失效形式过载折断过载折断局部折断局部折断1 1)增大齿根过渡圆角半径,消除加工刀痕,减小齿增大齿根过渡圆角半径,消除加工刀痕,减小齿 根应力集中;根应力集中;2 2)增大轴及支承的刚度,使轮齿接触线上受载较为增大轴及支承的刚度,使轮齿接触线上受载较为 均匀;均匀;3 3)采用合适的热处理,使齿芯材料具有足够的韧性;采用合适的热处理,使齿芯材料具有足够的韧性;4 4)采用喷丸、滚压等工艺措施,对齿根表层进行强采用喷丸、滚压等工艺措施,对齿根表层进行强
6、 化处理。化处理。提高轮齿抗折断能力的措施:提高轮齿抗折断能力的措施:10-2 齿轮传动的失效形式及设计准则齿轮传动的失效形式及设计准则 潘存云教授研制齿面接触疲劳齿面接触疲劳齿面接触应力按脉动循环变化,当超过疲劳极限时,表面产生微裂纹、高压油挤压使裂纹扩展、微粒剥落。点蚀首先出现在节线处,齿面越硬,抗点蚀能力越强。软齿面闭式齿轮传动常因点蚀而失效。齿面点蚀齿面点蚀10-2 轮齿的失效形式及设计准则轮齿的失效形式及设计准则 轮齿折断轮齿折断失效形式失效形式一、轮齿的失效形式一、轮齿的失效形式 齿面点蚀齿面点蚀齿面胶合齿面胶合高速重载传动中,常因啮合区温度升高而引起润滑失效,致使齿面金属直接接触
7、而相互粘连。当齿面向对滑动时,较软的齿面沿滑动方向被撕下而形成沟纹。措施:措施:1.提高齿面硬度提高齿面硬度2.减小齿面粗糙度减小齿面粗糙度3.增加润滑油粘度增加润滑油粘度低速4.加抗胶合添加剂加抗胶合添加剂高速10-2 轮齿的失效形式及设计准则轮齿的失效形式及设计准则 轮齿折断轮齿折断失效形式失效形式一、轮齿的失效形式一、轮齿的失效形式 齿面胶合齿面胶合齿面磨损齿面磨损措施:措施:1.1.减小齿面粗糙度减小齿面粗糙度2.2.改善润滑条件,清洁环境改善润滑条件,清洁环境(磨粒磨损磨粒磨损)齿面点蚀齿面点蚀10-2 轮齿的失效形式及设计准则轮齿的失效形式及设计准则 轮齿折断轮齿折断失效形式失效形
8、式一、轮齿的失效形式一、轮齿的失效形式 3.3.提高齿面硬度提高齿面硬度从动齿从动齿主动齿主动齿从动齿从动齿主动齿主动齿从动齿从动齿主动齿主动齿从动齿从动齿主动齿主动齿齿面胶合齿面胶合齿面磨损齿面磨损齿面点蚀齿面点蚀10-2 轮齿的失效形式及设计准则轮齿的失效形式及设计准则 轮齿折断轮齿折断失效形式失效形式塑性变形塑性变形一、轮齿的失效形式一、轮齿的失效形式 表面凸出表面凸出表面凹陷表面凹陷二、齿轮的二、齿轮的设计准则设计准则 保证足够的齿根弯曲疲劳强度,以免发生齿根折断。保证足够的齿根弯曲疲劳强度,以免发生齿根折断。保证足够的齿面接触疲劳强度,以免发生齿面点蚀。保证足够的齿面接触疲劳强度,以
9、免发生齿面点蚀。由工程实践得知:由工程实践得知:闭式软齿面齿轮传动,以保证齿面接触强度为主。闭式软齿面齿轮传动,以保证齿面接触强度为主。对高速重载齿轮传动,除以上两设计准则外,还应对高速重载齿轮传动,除以上两设计准则外,还应 按齿面抗胶合能力的准则进行设计。按齿面抗胶合能力的准则进行设计。闭式硬齿面或开式齿轮传动,以保证齿根弯曲疲闭式硬齿面或开式齿轮传动,以保证齿根弯曲疲 劳强度为主。劳强度为主。一、对齿轮材料性能的要求一、对齿轮材料性能的要求 齿根要有较高的抗折断能力,齿面应有较强的齿根要有较高的抗折断能力,齿面应有较强的抗点蚀、抗磨损及抗胶合能力,抗点蚀、抗磨损及抗胶合能力,10-3 齿轮
10、材料及选用原则齿轮材料及选用原则 要求:要求:齿面硬、芯部韧齿面硬、芯部韧 10-3 齿轮材料及选用原则齿轮材料及选用原则 常用常用齿轮齿轮材料材料锻钢锻钢 铸钢铸钢 铸铁铸铁常作为低速、轻载、不太重要的场合的齿常作为低速、轻载、不太重要的场合的齿轮材料;轮材料;适用于高速、轻载、且要求降低适用于高速、轻载、且要求降低噪声的场合。噪声的场合。非金属材料非金属材料 二、常用的齿轮材料二、常用的齿轮材料 钢材的韧性好,耐冲击,通过热处理和化学处理钢材的韧性好,耐冲击,通过热处理和化学处理可改善材料的机械性能,最适于用来制造齿轮。可改善材料的机械性能,最适于用来制造齿轮。耐磨性及强度较好,常用于大尺
11、寸齿轮。耐磨性及强度较好,常用于大尺寸齿轮。含碳量为含碳量为(0.15 0.6)%的碳素钢或合金钢。的碳素钢或合金钢。一般用齿轮用碳素钢,重要齿轮用合金钢。一般用齿轮用碳素钢,重要齿轮用合金钢。表表10-1 常用齿轮材料及其力学性能常用齿轮材料及其力学性能 材料牌号材料牌号 热处理方法热处理方法 强度极限强度极限 屈服极限屈服极限 硬度硬度 (HBS)B/MPa S/Mpa 齿芯部齿芯部 齿面齿面HT250 250 170241 HT300 300 187255 HT350 350 197269 QT500-5 500 147241 QT600-2 600 229302 ZG310-570 常
12、化常化 580 320 156217 ZG340-640 650 350 169229 45 580 290 162217 45 217255 4050HRC 40Cr 241286 4855HRC 调质后表调质后表面淬火面淬火续表续表10-1 常用齿轮材料及其力学性能常用齿轮材料及其力学性能 材料牌号材料牌号 热处理方法热处理方法 强度极限强度极限 屈服极限屈服极限 硬度硬度 (HBS)B/MPa S/Mpa 齿芯部齿芯部 齿面齿面ZG340640 700 380 241269 45 650 360 217255 30CrMnSi 1100 900 310360 35SiMn 750 450
13、 217269 38SiMnMo 700 550 217269 40Cr 700 500 241286 20Cr 650 400 300 20CrMnTi 1100 850 300 12Cr2Ni4 1100 850 320 35CrAlA 950 750 255321 85HV 渗碳后淬火渗碳后淬火调质调质20Cr2Ni4 1200 1100 350 38CrMnAlA 1000 850 255321 85HV 夹布胶木夹布胶木 100 2535 调质后氮化调质后氮化(氮氮化层化层0.30.5)三、齿轮材料选用的基本原则三、齿轮材料选用的基本原则 1)1)齿轮材料必须满足工作条件的要求。齿轮
14、材料必须满足工作条件的要求。2)2)应考虑齿轮尺寸大小,毛坯成型方法及热处理应考虑齿轮尺寸大小,毛坯成型方法及热处理 和制造工艺;和制造工艺;3)3)正火碳钢,只能用于在载荷平稳或轻度冲击下正火碳钢,只能用于在载荷平稳或轻度冲击下 工作的齿轮;调质碳钢可用于在中等冲击载荷工作的齿轮;调质碳钢可用于在中等冲击载荷 下工作的齿轮;下工作的齿轮;6)6)钢制软齿面齿轮,其配对两轮齿面的硬度差应保钢制软齿面齿轮,其配对两轮齿面的硬度差应保 持在持在3 30 50HBS或更多。或更多。4)4)合金钢常用于制作高速、重载并在冲击载荷下工合金钢常用于制作高速、重载并在冲击载荷下工 作的齿轮;作的齿轮;5)5
15、)航空齿轮要求尺寸尽可能小,应采用表面硬化处航空齿轮要求尺寸尽可能小,应采用表面硬化处 理的高强度合金钢;理的高强度合金钢;10-4 齿轮传动的计算载荷齿轮传动的计算载荷 齿面接触线单位长度上所受的平均载荷:齿面接触线单位长度上所受的平均载荷:接触线单位长度上的最大载荷为:接触线单位长度上的最大载荷为:K-载荷系数载荷系数:KKA Kv K K F Fn n-轮齿所受的公称法向载荷轮齿所受的公称法向载荷式中式中:KA 使用系数使用系数Kv 动载系数动载系数K齿间载荷分配系数齿间载荷分配系数K齿向载荷分布系数齿向载荷分布系数10-4 齿轮传动的计算载荷齿轮传动的计算载荷 (一)使用系数(一)使用
16、系数KA-考虑外部附加动载荷影响的系数考虑外部附加动载荷影响的系数-查表查表10-2(二)动载系数(二)动载系数Kv-考虑外部附加动载荷影响的系数考虑外部附加动载荷影响的系数-查图查图10-8(三)齿间载荷分配系数(三)齿间载荷分配系数K-查表查表10-3(四)(四)齿向载荷分布系数齿向载荷分布系数K 发电机、均匀传送的带式输送机发电机、均匀传送的带式输送机或板式输送机、螺旋输送机、轻型或板式输送机、螺旋输送机、轻型升降机、包装机、通风机、均匀密升降机、包装机、通风机、均匀密度材料搅拌机等。度材料搅拌机等。不均匀不均匀传送的带式输送机或板式传送的带式输送机或板式输送机、机床的主传动机构、重型输
17、送机、机床的主传动机构、重型升降机、工业与矿用风机、重型离升降机、工业与矿用风机、重型离心机、变密度材料搅拌机等。心机、变密度材料搅拌机等。橡胶挤压机、橡胶和塑料作间断橡胶挤压机、橡胶和塑料作间断的搅拌机、轻型球磨机、木工机械、的搅拌机、轻型球磨机、木工机械、钢坯初轧机、提升装置、单缸活塞钢坯初轧机、提升装置、单缸活塞泵等。泵等。挖掘机、重型球磨机、橡胶揉合挖掘机、重型球磨机、橡胶揉合机、破碎机、重型给水机、旋转式机、破碎机、重型给水机、旋转式钻探装置、压砖机、带材冷轧机、钻探装置、压砖机、带材冷轧机、压坯机等。压坯机等。载荷载荷状态状态电动机、均匀电动机、均匀运转的蒸汽机、运转的蒸汽机、燃气
18、轮机燃气轮机 蒸汽机、蒸汽机、燃气轮机燃气轮机多缸多缸内燃机内燃机单缸单缸内燃机内燃机1.0 1.1 1.25 1.501.25 1.35 1.5 1.751.50 1.60 1.75 2.001.75 1.85 2.00工工 作作 机机 器器均匀均匀平稳平稳轻微轻微冲击冲击中等中等冲击冲击严重严重冲击冲击原原 动动 机机注:表中所列值仅适用于减速传动,若为增速传动,应乘以注:表中所列值仅适用于减速传动,若为增速传动,应乘以1.1倍。当外部的机械与齿倍。当外部的机械与齿 轮装置间通过挠性件相连接时,轮装置间通过挠性件相连接时,KA可适当减小。可适当减小。表表10-2 使用系数使用系数KA 2.
19、25 或更大或更大1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0 10 20 30 40 50 v/(m/s)Kv 十分精密的齿轮装置十分精密的齿轮装置10 8 7 6 9 图图10-8 动载系数动载系数K KV值值v,Kv 制造精度制造精度、齿轮直径齿轮直径d v,Kv 制造精度制造精度,KV 表表10-3 齿间载荷分配系数齿间载荷分配系数KH、KF 精度等级精度等级IIII组组 5 6 7 8 5 5级及更低级及更低 KAFt/b 100 N/mm 100 N/mm 1.0 1.1 1.2 1.4 1.41.0 1.1 1.2 1.4K HK F 经表面硬化的斜齿轮经表面硬化的斜齿轮未经表面硬
20、化的斜齿轮未经表面硬化的斜齿轮K HK F 注:注:1 1)对直齿轮及修形齿轮,取)对直齿轮及修形齿轮,取KH=KF=1 ;2 2)如大、小齿轮精度等级不同时,按精度等级较低者取值;)如大、小齿轮精度等级不同时,按精度等级较低者取值;3 3)KH为按齿面接触强度计算时用的系数,为为按齿面接触强度计算时用的系数,为KF按齿根弯曲强度计算按齿根弯曲强度计算 时用的系数。时用的系数。10-4 齿轮传动的计算载荷齿轮传动的计算载荷 受力变形受力变形制造误差制造误差安装误差安装误差附加动载荷附加动载荷轮齿变形和误差还会引起附加动载荷,且精度越低,圆周速度越高,动载荷越大。载荷集中载荷集中pmin齿向载荷
21、分布系数齿向载荷分布系数KpmaxKKHKF-用于接触强度计算用于接触强度计算-用于弯曲强度计算用于弯曲强度计算 表表10-4 表表10-4 图图10-13K HK H1.031.031.061.081.101.21.31.5234561.031.031.061.081.101.21.31.5234561.03 1.044 1.06 1.1 1.2 1.3 1.5 2 3 4图图10-13 弯曲强度计算的齿向载荷分布系数弯曲强度计算的齿向载荷分布系数 K Fb/h=31264K F改善齿向载荷不均匀的措施:改善齿向载荷不均匀的措施:1 1)增大轴、轴承及支座的刚度;增大轴、轴承及支座的刚度;5
22、 5)轮齿修形(腰鼓齿)。轮齿修形(腰鼓齿)。4 4)尽可能避免悬臂布置;尽可能避免悬臂布置;3 3)适当限制轮齿宽度;适当限制轮齿宽度;2 2)对称轴承配置;对称轴承配置;b(0.00050.001)b10-4 齿轮传动的计算载荷齿轮传动的计算载荷 圆周力:圆周力:径向力:径向力:法向力:法向力:小齿轮上的转矩:小齿轮上的转矩:各作用力的大小:各作用力的大小:O22O11T1d12d22 Ft1Fr1Fn1Fn210-5 标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算 (一)轮齿的受力分析(一)轮齿的受力分析 圆周力:圆周力:径向力:径向力:各作用力的方向:各作用力的方向:O2
23、2O11T1d12d22 Ft1Fr1Fn1Fn210-5 标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算 (一)轮齿的受力分析(一)轮齿的受力分析 (主主):):Ft1与与n1方向相反方向相反(从从):):Ft2与与n2方向相同方向相同Fr1、Fr2 分别指向各自轮心分别指向各自轮心 齿轮强度计算是根据齿轮可能出现的失效形式来进行的。在一般闭式齿轮传动中,轮齿的失效主要是齿面接触疲劳点蚀和轮齿弯曲疲劳折断。rbO30 30(二)齿根弯曲疲劳强度计算(二)齿根弯曲疲劳强度计算 假定载荷仅由一对轮齿承担,按悬臂梁计算。齿顶假定载荷仅由一对轮齿承担,按悬臂梁计算。齿顶啮合时,弯矩达最
24、大值。啮合时,弯矩达最大值。hpcaF2F1S弯矩:弯矩:M=h pcacos危险截面:危险截面:齿根圆角齿根圆角30切线两切点连线处切线两切点连线处齿顶受力:齿顶受力:Fn分解成两个分力:分解成两个分力:F1=pca cos F2=pca sin-产生弯曲应力产生弯曲应力-产生压应力,可忽略产生压应力,可忽略pcaABABFF10-5 标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算 rbO(二)齿根弯曲疲劳强度计算(二)齿根弯曲疲劳强度计算hpcaF2F1S弯矩:弯矩:M=h pcacospca10-5 标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算 抗弯截面系数
25、:抗弯截面系数:弯曲应力:弯曲应力:YFa 齿齿形系数形系数(二)齿根弯曲疲劳强度计算(二)齿根弯曲疲劳强度计算10-5 标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算 对于标准齿轮对于标准齿轮,YFa仅取决于齿数仅取决于齿数Z,其值查,其值查表表10-5 Z=Z=25Z=10Z 齿根愈弱齿根愈弱 YFa 弯曲强度弯曲强度Z 齿根愈厚齿根愈厚 YFa 弯曲强度弯曲强度 注:注:1)1)基准齿形的参数为基准齿形的参数为=20、h*a=1、C*=0.25、=0.38m (m-模数模数)2)2)对内齿轮:当对内齿轮:当=20、h*a=1、C*=0.25、=0.15m 时时,齿形系数齿形
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