《机械设计齿轮传动精品课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械设计齿轮传动精品课件.ppt（72页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第7章齿轮传动 7 1齿轮传动概述 7 2齿轮传动的失效形式及设计准则 7 3齿轮的材料及其选择原则 7 4齿轮传动的受力分析及计算载荷 7 5齿轮传动的强度计算 7 7齿轮传动的润滑 7 6齿轮的结构设计 齿轮传动概述1 一 齿轮传动的主要特点 1 传动效率高可达0 99 在常用的机械传动中 齿轮传动的效率为最高 4 结构紧凑与带传动 链传动相比 在同样的使用条件下 齿轮传动所需的空间一般较小 3 与各类传动相比 齿轮传动工作可靠 寿命长 齿轮传动是机械传动中最重要的传动方式之一 其应用范围十分广泛 型式多样 传递功率从很小到很大 可高达数万千瓦 7 1齿轮传动概述 2 2 传动比稳定无论是
2、平均值还是瞬时值 这也是齿轮传动获得广泛应用的原因之一 5 与带传动 链传动相比 齿轮的制造及安装精度要求高 价格较贵 6 齿轮传动不宜用于大中心距的场合 齿轮传动概述2 二 齿轮传动的分类 2 按使用情况分 动力齿轮 以传输动力为主 高速重载或低速重载传动 传动齿轮 以传递运动为主 一般为轻载高精度传动 按速度有高速与低速之分 按载荷有轻载与重载之分 3 按齿面硬度分 软齿面齿轮 齿面硬度 350HBS或38HRC 硬齿面齿轮 齿面硬度 350HBS或38HRC 7 1齿轮传动概述 3 1 按工作条件或按装置型式分 开式传动 适宜低速传动 润滑条件差 易磨损 半开式传动 装有简单的防护罩 但
3、仍不能严密防止杂物侵入 闭式传动 齿轮 轴承等全封闭于箱体内 润滑良好 使用广泛 齿轮传动概述2 三 本章的学习目的 本章学习的根本目的是掌握齿轮传动的设计方法 也就是要能够根据齿轮工作条件要求 能设计出传动可靠的齿轮 设计齿轮是指设计和确定齿轮的主要参数以及结构形式 7 1齿轮传动概述 4 齿轮传动的失效形式及设计准则 7 2齿轮传动的失效形式及设计准则 一 齿轮的主要失效形式 齿轮传动的失效主要是指轮齿的失效 其失效形式是多种多样的 常见的失效形式有 由于齿轮其它部分 齿圈 轮辐 轮毂等 通常是按经验设计的 其尺寸对于强度和刚度而言均较富裕 实践中也极少失效 5 齿轮传动的失效形式及设计准
4、则 7 2齿轮传动的失效形式及设计准则 1 轮齿折断 6 现象 局部折断 斜 整体折断 直 原因 1 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 F F 齿轮传动的失效形式及设计准则 7 2齿轮传动的失效形式及设计准则 1 轮齿折断 续 7 2 过载折断 后果 传动失效 受冲击载荷或短时过载作用 突然折断 尤其常见于脆性材料 淬火钢 铸钢 铸铁 齿轮 应采取的措施 设计时应保证齿根弯曲疲劳强度增大齿根圆角半径适当降低齿根圆角表面粗糙度齿根处采用强化措施 如喷丸处理 避免出现热处理裂纹减轻加工损伤 如磨削烧伤 滚切拉伤 F F 齿根应力集中 形状突变 刀痕等
5、 加速裂纹扩展 折断 齿轮传动的失效形式及设计准则 7 2齿轮传动的失效形式及设计准则 2 齿面点蚀 8 常出现在润滑良好的闭式软齿面传动中 原因 H H 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 开式齿轮传动一般看不到点蚀现象 齿轮传动的失效形式及设计准则 7 2齿轮传动的失效形式及设计准则 2 齿面点蚀 续 9 后果 齿廓表面破坏 振动 噪音 传动不平
6、稳 接触面 承载能力 齿轮传动的失效形式及设计准则 7 2齿轮传动的失效形式及设计准则 3 齿面磨损 10 磨粒磨损 硬颗粒进入啮合面 研磨磨损 齿面相互摩擦 齿面磨损产生的后果是 齿廓失去正确形状 侧隙增大 冲击与噪声变得更为明显 甚至折断轮齿 磨损是开式齿轮传动的主要损伤形式 7 2齿轮传动的失效形式及设计准则 4 齿面胶合 11 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 热胶合 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
7、度 HB 4 材料相同时 使大 小齿轮保持一定硬度差 现象 齿面在压力作用下发生粘焊 撕脱 并形成沟痕 齿轮传动的失效形式及设计准则 7 2齿轮传动的失效形式及设计准则 5 塑性变形 滚压塑变和锤击塑变 12 从动轮 挤出脊棱 主动轮 碾压出沟槽 齿轮传动的失效形式及设计准则 7 2齿轮传动的失效形式及设计准则 二 齿轮传动的设计准则 对一般工作情况下的齿轮传动 其设计准则是 保证齿根弯曲疲劳强度 以免发生齿根折断 保证齿面接触疲劳强度 以免发生齿面点蚀 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 由实践得知 闭式软齿面齿轮传动 点蚀 以保证齿面接触疲劳强度为主
8、 闭式硬齿面齿轮传动 折断 以保证齿根弯曲疲劳强度为主 开式或半开式齿轮传动 磨损和轮齿折断 以保证齿根弯曲疲劳强度为主 13 齿轮的材料及其选择原则 7 3齿轮的材料及其选择原则 一 常用的齿轮材料 由齿轮的失效形式可知 对齿轮材料性能的要求是 齿轮的齿体应有较高的抗折断能力 齿面应有较强的抗点蚀 抗磨损和较高的抗胶合能力 即要求 齿面硬 齿芯韧 14 常用的齿轮材料包括 锻钢 铸钢 铸铁 非金属材料 1 锻钢 1 软齿面齿轮HBS 350 正火 调质 中碳钢 40 45 50 55等 中碳合金钢 40Cr 40MnB 35SiMn 特点 齿面硬度不高 限制了承载能力 但易于制造 成本低 常
9、用于对尺寸和重量无严格要求的场合 加工工艺 锻坯 加工毛坯 热处理 正火 调质HBS160 300 切齿精度7 8 9级 齿轮的材料及其选择原则 7 3齿轮的材料及其选择原则 15 2 硬齿面 HBS 350 低碳 低碳合金钢 15 20 20Cr 20CrMnTi 20MnB等表面渗碳淬火 HRC58 65 中碳钢 中碳合金钢 40 45 35SiMn 40Cr 50Mn等表面淬火 HRC45 55 特点 齿面硬度高 承载能力高 适用于对尺寸 重量有较高要求的场合 如高速 重载及精密机械传动 加工工艺 锻坯 加工毛坯 切齿 热处理 表面淬火 渗碳 氮化 氰化 磨齿 表面淬火 渗碳 若氮化 氰
10、化 变形小 不磨齿 专用磨床 成本高 精度可达4 5 6级 齿轮的材料及其选择原则 7 3齿轮的材料及其选择原则 3 铸铁 常作为低速 轻载 不太重要场合的齿轮材料 例如HT200 HT300 HT350 QT450 10 QT600 2等 4 非金属材料 适用于高速 轻载 且要求降低噪声的场合 例如尼龙 聚甲醛 夹布胶木等 16 2 铸钢 用于d 400 600mm的大尺寸 不重要的 且批量生产的齿轮 但需要进行正火或调质处理 齿轮常用材料及力学性能见表7 1 p111有误 齿轮的材料及其选择原则 7 3齿轮的材料及其选择原则 二 齿轮材料选用的基本原则 1 齿轮材料必须满足工作条件的要求
11、如强度 寿命 可靠性 经济性等 2 应考虑齿轮尺寸大小 毛坯成型方法及热处理和制造工艺 17 飞行器 质量小 常用合金钢 矿山机械 功率大 尺寸大 速度低 铸钢或铸铁 家用或办公机械 功率小 低噪音 可用工程塑料 大尺寸采用铸钢或铸铁 中等尺寸采用锻钢 小尺寸不重要时可选用圆钢 渗碳工艺应选用低碳钢 氮化工艺应选用氮化钢 7 3齿轮的材料及其选择原则 二 齿轮材料选用的基本原则 续 3 钢制软齿面齿轮 其配对两轮齿面的硬度差应保持在30 50HBS或更多 18 4 对于重载的闭式传动 为了避免胶合 宜选用不同的材料和不同的硬度 且小齿轮的材料要优于大齿轮的材料 齿轮传动的设计参数2 三 齿轮材
12、料的许用应力 式中 KN 寿命系数 是应力循环次数N对疲劳极限的影响系数 p113 KFN查图7 6 KHN查图7 7 弯曲疲劳强度计算时 S SF 1 25 1 50 接触疲劳强度计算时 S SH 1 0 lim 为齿轮的疲劳极限 n为齿轮的转数 单位为r min j为齿轮每转一圈 同一齿面啮合的次数 Lh为齿轮的工作寿命 单位为小时 19 7 3齿轮的材料及其选择原则 弯曲疲劳许用应力 接触疲劳许用应力 lim Flim lim Hlim S 为疲劳强度安全系数 齿轮传动的设计参数2 20 齿轮的弯曲疲劳极限 Flim 当材料品质和热处理质量很高时疲劳极限取偏上值 材料为中等情况时取中间值
13、 材料达到最低要求时取偏下值 一般情况取中间偏下值 图7 8 p114 7 3齿轮的材料及其选择原则 齿轮传动的设计参数2 21 齿轮的接触疲劳极限 Hlim 对于夹布胶木 图7 9 p115 7 3齿轮的材料及其选择原则 22 主动 从动 j 1脉动循环 主动 从动 H j 1对称循环 F 对于受对称循环载荷的齿轮应取0 7sFlim 从动 j 2脉动循环 主动 从动 H j 2脉动循环 F 1 1 2 3 2 3 7 3齿轮的材料及其选择原则 举例 直齿圆柱齿轮强度计算1 一 齿轮传动的受力分析 以节点P处的啮合力为分析对象 并不计啮合轮齿间的摩擦力 可得 23 7 4齿轮传动的受力分析及
14、计算载荷 为了计算齿轮的强度和设计轴 轴承等轴系零件 必须对齿轮进行受力分析 1 渐开线标准直齿圆柱齿轮受力分析 直齿圆柱齿轮强度计算1 24 练习 7 4齿轮传动的受力分析及计算载荷 力的方向 1 径向力Fr指向各自的轮心 2 圆周力Ft主动轮上与v相反 从动轮上与v相同 P1 功率kW n1 转速r min T1 转矩N mm 标准斜齿圆柱齿轮强度计算1 由于Fa tanb 为了不使轴承承受的轴向力过大 螺旋角b不宜选得过大 常在b 8 20 之间选择 25 圆周力 径向力 轴向力 力方向 Ft Fr 与直齿轮相同 法向载荷 7 4齿轮传动的受力分析及计算载荷 2 渐开线标准斜齿圆柱齿轮受
15、力分析 26 Fa1 用左 右手定则 四指为 1方向 拇指为Fa1方向 Fa2 与Fa1反向 对从动轮不能运用左右手定则 注意 各力作用点画在 齿宽中点 从动轮 7 4齿轮传动的受力分析及计算载荷 27 方向 左 右旋 转动方向 Fa取决于 举例 一对斜齿轮 1 2 旋向相反 旋向判定 沿轴线方向竖立 可见侧轮齿左边高即为左旋 右边高即为右旋 7 4齿轮传动的受力分析及计算载荷 直齿锥齿轮的轮齿受力分析模型如下图 总法向载荷集中作用于齿宽中点处的法面内 将Fn可分解为圆周力Ft 径向力Fr和轴向力Fa三个分力 各分力计算公式 28 圆周力 径向力 轴向力 7 4齿轮传动的受力分析及计算载荷 3
16、 渐开线标准直齿圆锥齿轮受力分析 29 练习 转动方向 同时指向或同时背离啮合点 各力的方向 Fr 指向各自轮心 Fa 小端指向大端 7 4齿轮传动的受力分析及计算载荷 dm1 小齿轮平均分度圆直径 mm 平均模数 P118少0 5 齿轮传动的计算载荷 7 4齿轮传动的受力分析及计算载荷 实际传动中由于原动机 工作机性能的影响以及制造误差的影响 载荷会有所增大 因此 在实际计算时 应按最大载荷 即计算载荷进行计算 30 名义载荷也称为公称载荷 是按名义转矩所求得的法向载荷Fn 二 计算载荷和载荷系数 K 载荷系数 计算载荷 其值为 7 4齿轮传动的受力分析及计算载荷 31 1 使用系数KA 考虑原动机 工作机 联轴器等外部因素引起的动载荷而引入的系数 P119表7 2 2 动载系数Kv 考虑齿轮啮合过程中因啮合误差和运转速度引起的内部附加动载荷系数 基节误差 齿形误差 轮齿变形等 Kv f 精度 v P120 图7 14 7 4齿轮传动的受力分析及计算载荷 32 具体影响因素 1 基节误差 制造误差 弹性变形引起 齿轮正确啮合条件 pb1 pb2 如果 pb2 pb1 提前进入啮合 从
