机械设计基础齿轮传动

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1、第 11 章,齿轮传动,11.1 轮齿的失效形式和设计准则 11.2 齿轮材料及热处理 11.3 齿轮传动的精度 11.4 直齿圆柱齿轮传动的作用力及计算载荷 11.5 直齿圆柱齿轮传动的齿面接触强度计算 11.6 直齿圆柱齿轮传动的轮齿弯曲强度计算 11.7 圆柱齿轮的设计准则和设计参数的选取 11.8 斜齿圆柱齿轮传动 11.9 直齿锥齿轮传动 11.10 齿轮的构造 11.11 齿轮传动的润滑和效率,第11章 齿轮传动,10-1概述1,3）效率高；,4）结构紧凑；,1）工作可靠，寿命长；,2）传动比恒定；,齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一，其应用范围十分广泛。,1 概 述,1. 特点

2、：,5）适用性广。,可达99，在常用的机械传动中，其效率最高。,在相同条件下，齿轮传动所需的空间一般较小。,这也是齿轮传动获得广泛应用的原因之一。,优点,缺点,1）制造及安装精度要求高；,2）成本高。,2. 类型,（锥齿轮）,（圆柱齿轮）,内啮合齿轮传动,圆锥齿轮传动,人字齿轮传动,斜齿轮传动,3. 基本要求：,1）传动平稳：即要求瞬时传动比i恒定。,2）足够的承载能力：即要求在预期的使用期限内不失效。,1 齿轮传动的失效形式,典型机械零件设计思路：,分析失效现象,失效机理（原因、后果、措施）,建立简化力学模型,强度计算,主要参数尺寸,结构设计。,设计准则,齿轮的失效发生在轮齿，其它部分很少失

3、效。,失效形式,齿面接触疲劳磨损（齿面点蚀） 齿面胶合 齿面磨粒磨损 齿面塑性流动,一、轮齿折断,常发生于闭式硬齿面或开式传动中。,现象：局部折断,整体折断,过载折断,后果：传动失效,原因：,疲劳折断, 轮齿受多次重复弯曲应力作用，齿根受拉一侧产生疲劳裂纹。,齿根弯曲应力最大,FF, 齿根应力集中(形状突变、刀痕等)，加速裂纹扩展折断,受冲击载荷或短时过载作用，突然折断，尤其见于脆性材料（淬火钢、铸钢）齿轮。,位置：均始于齿根受拉应力一侧。,直齿轮,整体折断,斜齿轮：接触线倾斜,改善措施：,1）d一定时，z，m； 2）正变位；,局部折断,6）轮齿精度； 7）支承刚度。,4）齿根过渡圆角半径；,

4、3）提高齿面硬度(HB)F ；,5）表面粗糙度，加工损伤；,轮齿折断,二、齿面接触疲劳磨损（齿面点蚀）,常出现在润滑良好的闭式软齿面传动中。,原因：HH,1）齿面受多次交变应力作用，产生接触疲劳裂纹；,4）润滑油进入裂缝，形成封闭高压油腔，楔挤作用使裂纹扩展。 （油粘度越小，裂纹扩展越快）,2）节线处常为单齿啮合，接触应力大；,3）节线处为纯滚动，靠近节线附近滑动速度小，油膜不易形成， 摩擦力大，易产生裂纹。,现象：节线靠近齿根部位出现麻点状小坑。,点蚀实例,后果：齿廓表面破坏，振动，噪音，传动不平稳 接触面，承载能力,硬齿面齿轮：点蚀一旦形成就扩展，直至齿面完全破坏。 扩展性点蚀,开式传动：

5、无点蚀（v磨损v点蚀）,改善措施：,1）HBH ,3）表面粗糙度，加工精度,4）润滑油粘度,2）（综合曲率半径）(d1、x),三、齿面胶合严重的粘着磨损,原因：高速重载v,t ,油,油膜破坏,表面金属直接接触， 融焊相对运动撕裂、沟痕。,低速重载P、v ，不易形成油膜冷胶合。,后果：引起强烈的磨损和发热，传动不平稳，导致齿轮报废。,改善措施：,1）采用抗胶合性能好的齿轮材料对。 2）采用极压润滑油。 3）表面粗糙度，HB。 4）材料相同时， (HB)小=(HB)大+(2550) 。 5）m齿面h齿面vs（必须满足F）。 6）角度变位齿轮，啮合开始和终了时的vs。 7）修缘齿，修去一部分齿顶，使

6、vs大的齿顶不起作用。,现象：齿面沿滑动方向粘焊、撕脱，形成沟痕。,常发生于开式齿轮传动。,原因：相对滑动+硬颗粒(灰尘、金属屑末等) 润滑不良+表面粗糙。,后果：正确齿形被破坏、传动不平稳, 齿厚减薄、抗弯能力折断,改善措施：,闭式：1）HB,选用耐磨材料;,2）表面粗糙度;,3）滑动系数;,4）润滑油的清洁;,开式：5）加防尘罩。,现象：金属表面材料不断减小,四、齿面磨粒磨损,五、齿面塑性流动,齿面较软时，重载下，Ff材料塑性流动（流动方向沿Ff）,该失效主要出现在低速重载、频繁启动和过载场合。,主动轮1：齿面相对滑动速度方向vs指向节线，所以Ff背离节线，塑变后在齿面节线处产生凹槽。,从

7、动轮2：vs背离节线，Ff指向节线，塑 变后在齿面节线处形成凸脊。,改善措施：1）齿面硬度 2）采用的润滑油,齿面塑性流动,设计准则,对一般工况下的普通齿轮传动，其设计准则为：,为防止轮齿的疲劳折断，需计算齿根弯曲疲劳强度。,为防止齿面点蚀，需计算齿面接触疲劳强度。,注：对高速重载传动，还应按齿面抗胶合能力进行计算。,六、设计准则,1）闭式传动,硬齿面：,按齿根弯曲疲劳强度进行设计计算（确定齿轮的参数和尺寸），然后校核齿面接触疲劳强度,2）开式传动：只计算齿根弯曲疲劳强度，适当加大模数（预留磨损量）。,一）锻钢,HB350时，称为软齿面 HB350时，称为硬齿面,l齿面硬度 HB350 工艺过

8、程：锻造毛坯正火-粗车调质、精加工 常用材料；45、35SiMn、40Cr、40CrNi、40MnB 特点： a具有较好的综合性能，齿面具有较高强度和硬度，齿芯具有较好韧性。 b热处理后切齿精度可达8级，应使HB小=HB大+2550 c制造简单、经济、生产率高，对精度要求不高 承载能力低，易于跑合，适用于低速中载。,11-2齿轮材料、热处理及精度,2齿面硬度 HB350 工艺过程： 锻造毛坯粗切调质精切高、中频淬火低温回火珩齿或研磨剂跑合、电火花跑合。 常用材料：45、40Cr、40CrNi 特点： a. 齿面硬度高 HRC48-55，接触强度高，耐磨性好。 b齿芯保持调质后的韧性，耐冲击能力

9、好，承载能力较高。 c精度可达7级精度。 适用于大量生产，如：汽车、机床等中速中载变速箱齿轮。,锻造毛坯粗切调质精切渗碳淬火低温回火磨齿。达6级、7级。 常用材料；20Cr、20CrMnTi、20MnB、20CrMnTo 特点： a.齿面硬度，承载能力强。 b.芯部韧性好，耐冲击 适合于高速、重载、过载传动或结构要求紧凑的场合，机车主传动齿轮、航空齿轮。,11-2齿轮材料、热处理及精度,一）锻钢,二）铸钢: 当齿轮直径d400mm，结构复杂，锻造有困难时，可采用铸钢 材料ZG350，ZG450，ZG550，正火处理、調质。,三）铸铁: 抗胶合及抗点蚀能力强，但抗冲击耐磨性差。 适合工作平稳，功

10、率不大低速或尺寸较大形状复杂时用。能在缺油条件下工作，适于开式传动。,四）非金属材料 布质、木质、塑料、尼龙、适于高速轻载。,11-2齿轮材料、热处理及精度,相对运动 储存润滑剂,组: 传递运动的准确性 组: 传递运动的平稳性 组: 载荷分布的均匀性,12级, 常用69级,二.齿轮精度,三. 齿轮副侧隙,一.齿轮精度等级,标准齿轮:理论上 (分度圆)齿厚=齿槽 实际上齿厚齿槽,齿轮副侧隙 齿厚减簿,精度等级的选择表11-2 P.16,8,113齿轮传动的精度,安装制造误差影响正常工作 精度,据传动的用途、使用条件、传动功率、圆周速度等进行选择,11.3 齿轮传动的精度,1）简化：沿齿宽均匀分布

11、的载荷，用集中载荷Fn代替；忽略齿面间的摩擦； 2）Fn沿法线方向作用，与基圆相切；,一、轮齿上的作用力,圆周力：,径向力：,法向力：,小齿轮上的转矩：,各作用力的方向如图,11.4 直齿圆柱齿轮传动的作用力及计算载荷,1、各力间的关系,2、力的方向,11.4 直齿圆柱齿轮传动的作用力及计算载荷,由于rb1不变，当T1不变，则Fn1也不变，故不管Fn1 作用点在那里，Fn1大小都不变，这就是齿轮传动平稳的原因。,11.4 直齿圆柱齿轮传动的作用力及计算载荷,二、计算载荷,Fn-名义载荷,受力变形,制造误差,安装误差,附加动载荷,载荷集中,用计算载荷KFn代替名义载荷Fn以考虑载荷集中和附加动载

12、荷的影响，K-载荷系数,练习：,11.5 直齿圆柱齿轮传动的齿面接触强度计算,赫兹公式：,“+”用于外啮合，“-”用于内啮合,实验表明：齿根部分靠近节点处最容易发生点蚀，故取节点处的应力作为计算依据。,节圆处齿廓曲率半径：,齿数比: u= z2 /z1 = d2 /d1 1,得 :,中心距 : a=(d2 d1)/2,或 : d1 = 2a /(u 1),= d1(u 1)/2,11.5 直齿圆柱齿轮传动的齿面接触强度计算,在节点处，一般仅用一对齿啮合，即载荷由一对齿承担，故 令 ，称为弹性系数，其数值与 材料有关，可查表11-4。,11.5 直齿圆柱齿轮传动的齿面接触强度计算,令 ，称为区域

13、系数，对于标准齿 轮，ZH=2.5，得 以 KFt 取代Ft，且 ，得齿面接触强度的 校核公式: 令 代入上式，可得设计公式,注意： H选两齿轮中小的代入； （因材料、热处理不同H1 H2 ） 一对啮合的齿轮，H相同而H不同；即H1= H2。 齿轮传动的H主要取决于齿轮的直径d（或中心距a） d1 （a ） ，b ， H ，疲劳强度变好。 采用正变位、斜齿轮可提高齿轮的强度。 接触疲劳强度取决于齿轮的d1或a，模数的大小由弯曲强度确定。,许用接触应力：,Hlim - 接触疲劳极限, 由实验确定，查表11-1 ;,SH - 为安全系数，查表11-4 确定。,11.5 直齿圆柱齿轮传动的齿面接触强

14、度计算,齿根弯曲疲劳强度计算： 不计摩擦时，Fn沿接触点公法线NN传递； 轮齿的折断与弯曲强度有关； 考虑最危险情况，Fn全部作用于一个轮齿的齿顶情况。,11.6 直齿圆柱齿轮传动的轮齿弯曲强度计算,11.6 直齿圆柱齿轮传动的轮齿弯曲强度计算,一、 公式 1) 基本假设 轮齿视为悬臂梁，全部载荷 作用于齿顶 以受拉边为计算依据 危险截面AB（30切线法） 仅计水平力FncosF (仅为 b百分之几),校核公式,设计公式,11.6 直齿圆柱齿轮传动的轮齿弯曲强度计算,2）推导公式,计算根切极限,实际根切极限,标准齿轮,Z（ZV）,YFa,4.采用正变位、斜齿轮可提高齿轮的强度。,一般 ，应按

15、较大者计算齿根弯曲强度。而校核时则应分别校核。,1. 齿形系数YFa与模数m无关，仅取决于齿形（Z，x ）.,注意：,2.,7对于开式传动:为考虑齿面磨损，可将算得的m值加 大10%-15% 。,11.6 直齿圆柱齿轮传动的轮齿弯曲强度计算,3.影响齿根弯曲强度的尺寸是： m 和 b 。,5.动力传动，一般 m1.52mm。,6.当计算出一轮的F后，可用,11.7 圆柱齿轮的设计准则和设计参数的选取,1. 闭式软齿面齿轮传动： 按接触强度进行设计，按弯曲强度校核：,2. 闭式硬齿面齿轮传动： 按弯曲强度进行设计，按接触强度校核:,3. 开式齿轮传动：按弯曲强度设计。,其失效形式为磨损，点蚀形成之前齿面已磨掉。,二、主要参数的选取,11.7 圆柱齿轮的设计准则和设计参数的选取,1. 齿数比 u u=z2/z1由传动比 i=n1/n2确定，一般 i7 以避免径向 尺寸过大。,2. 齿数 z 取z117；z 重合度 传动平稳；当分度圆d一定， z