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1、第五章齿轮传动,东北大学机械工程与自动化学院巩云鹏,5-9齿轮传动的润滑,5-2齿轮传动的失效形式、计算准则和材料,5-8变位齿轮传动的强度计算,5-7标准直齿圆锥齿轮传动的强度计算,5-6标准斜齿圆柱齿轮传动的强度计算,5-5齿轮精度、设计参数选择及许用应力,5-4标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算,5-3齿轮传动的载荷计算,5-1概述,目录,5-10常用齿轮结构,5-1概述,一、齿轮传动的特点1、直径、速度、功率范围广2、效率高、寿命长、可靠性高，3、传动比恒定4、可实现平行轴、相交轴及间交错轴的传动5、要求制造精度高6、不适于大中心距传动,5-1概述,1、按轴线位置,二、分类,2、按齿面硬度
2、,(1)平行轴传动-圆柱齿轮（直齿、斜齿、人字齿；内外）,(2)相交轴传动-圆锥齿轮（直齿、螺旋伞齿）,(3)相错轴传动-蜗轮蜗杆螺旋齿轮,5-2齿轮失效形式、设计准则与材料,1.轮齿折断,2.齿面点蚀,3.齿面胶合,4.齿面磨损,5.轮齿塑变,一、齿轮传动的失效形式,齿面剥落,F,齿根裂纹起始点,1.轮齿折断,（1）过载断齿：意外超载,（2）疲劳断齿：交变载荷反复作用,（硬齿面齿轮）齿根圆角应力集中，产生疲劳裂纹、扩展、断齿,5-2齿轮失效形式、设计准则与材料,措施：增大齿根过渡圆角，降低齿根粗糙度，改善材料性能,2.齿面点蚀（闭式、软齿面齿轮）,点蚀：交变接触应力反复作用,齿面产生微裂纹，
3、疲劳扩展、点蚀,5-2齿轮失效形式、设计准则与材料,措施：提高齿面硬度，降低表面粗糙度、提高润滑油粘度,齿面点蚀机理,5-2齿轮失效形式、设计准则与材料,3.齿面胶合(高速、重载齿轮),齿面胶合：高压、高速，油膜破裂；啮合局部高温，齿面焊接；相对运动撕裂、涂抹,热胶合,冷胶合,5-2齿轮失效形式、设计准则与材料,措施：提高齿面硬度，降低齿面粗糙度，采用含抗胶合添加剂的润滑油。,4.齿面磨损(开式齿轮),齿面磨损：磨料进入齿面间；相对运动齿面磨损。,5-2齿轮失效形式、设计准则与材料,措施：采用闭式传动或加防尘罩，保持润滑油清洁。,5.轮齿塑变,从动齿节线起脊,主动齿节线出沟,（1）齿面塑变：齿
4、面较软，材料沿摩擦力方向流动,5-2齿轮失效形式、设计准则与材料,措施：提高齿面硬度，用减摩性好的润滑剂,（2）齿体塑变,材料较软，载荷过大，轮齿整体塑变移位。,5-2齿轮失效形式、设计准则与材料,措施：提高轮齿硬度,二、齿轮失效形式与极限转矩的关系,5-2齿轮失效形式、设计准则与材料,三、设计准则,1、闭式齿轮传动主要失效形式软齿面（齿面硬度350HBS），齿面点蚀硬齿面（齿面硬度350HBS），断齿、点蚀（剥落）设计准则按齿面接触强度设计定参数按齿根弯曲强度校核,2、开式齿轮传动主要失效形式：齿面磨损和断齿设计准则：(条件性）按齿根弯强度设计，定参数降低许用齿根弯应力，考虑磨损的影响，取,
5、5-2齿轮失效形式、设计准则与材料,四、齿轮材料,1.基本要求：齿面硬，齿芯韧。,2.常用材料：优质碳钢，合金钢，铸铁，非金属材料优先采用锻制或轧制钢材。大尺寸齿轮受锻造设备限制或形状复杂时采用铸钢。开式齿轮可用铸铁(球墨铸铁高强、耐磨)高速小功率以传递运动为主的齿轮可用非金属材料,5-2齿轮失效形式、设计准则与材料,3.热处理方法,(1)渗碳淬火材料：低碳钢、低碳合金钢：如20，20CrMnTi等（含碳0.150.25%）特点：齿面硬度5662HRC，芯部韧性较高接触强度高，耐磨性好，抗冲击载荷能力强。应用：对尺寸和重量有严格要求的重要设备中。,(2)表面淬火（感应淬火、火焰淬火）材料：中碳
6、钢，中碳合金钢如45，40Cr等。特点：齿面硬度4050HRC，芯部未淬硬有较高的韧性；接触强度高，耐磨性好，能承受一定的冲击载荷。,5-2齿轮失效形式、设计准则与材料,3.热处理方法,(3)调质（淬火+高温回火改善综合机械性能）材料：中碳钢，中碳合金钢特点：齿面硬度160280HBS承载能力相对较低，制造成本低，应用：对尺寸和重量没有严格限制的一般机械设备中。要求：齿面硬度差=HBS1-HBS2=2050HBS,(4)正火（调整组织、消除应力）材料：中碳钢，铸钢，铸铁。特点：承载能力低，制造成本低。应用：强度要求不高的中碳钢齿轮，铸钢、铸铁齿轮。,5-2齿轮失效形式、设计准则与材料,一、名义
7、载荷,5-3齿轮传动的载荷计算,二、计算载荷,5-3齿轮传动的载荷计算,1.使用系数,5-3齿轮传动的载荷计算,齿轮外部因素引起的动载，与原动机、工作机、联轴器特性有关（表5-3）,5-3齿轮传动的载荷计算,2.动载系数,齿轮内部因素引起的附加动载荷查图5-4,（1）基节误差：pb不同2突变冲击载荷（2）齿形误差：ff（3）轮齿变形：啮合刚度变化,3.齿向载荷分布系数,5-3齿轮传动的载荷计算,轴弯曲变形的影响,考虑载荷沿齿宽方向分布不均的影响与齿轮、轴、轴承、箱体变形及安装误差有关,轴扭转变形的影响,图5-7齿向载荷分布系数,改善齿向载荷分布方法,鼓型齿-鼓型修形,5-3齿轮传动的载荷计算,
8、提高制造安装精度提高支撑刚度减小齿宽,4.齿间载荷分配系数,5-3齿轮传动的载荷计算,啮合过程中，有单齿对啮合、双齿对啮合。由于误差、变形等原因，载荷在齿对间分配不均,考虑同时啮合齿对间载荷分配不均的系数影响因素：（1）齿轮制造误差-基节误差（2）啮合刚度（与啮合齿对变形有关）表5-4,一、轮齿受力分析,5-4标准直齿轮传动强度计算,关系,二、赫兹公式,5-4标准直齿轮传动强度计算,三、齿面接触强度计算,5-4标准直齿轮传动强度计算,1.计算模型：C点-节点当量圆柱体接触代,2.接触应力：,A,B,C,D,E,C,A,E,三、齿面接触强度计算,5-4标准直齿轮传动强度计算,2.接触应力：,5-
9、4标准直齿轮传动强度计算,表5-5,5-4标准直齿轮传动强度计算,5-4标准直齿轮传动强度计算,四、齿根弯曲强度计算,5-4标准直齿轮传动强度计算,1.计算模型：悬臂梁（单齿对齿顶受载）,Ysa-应力修正系数(图5-15）;考虑齿根过渡圆角应力集中影响,Y-重合度系数，载荷作用于单齿啮合区上界点时，弯曲应力最大，修正按载荷作用于齿顶计算产生的误差，引入的修正系数,修正后，齿根弯曲应力计算式：,5-4标准直齿轮传动强度计算,YFa-齿形系数,齿根弯曲强度校核式：,齿根弯曲强度设计式：,5-4标准直齿轮传动强度计算,许用齿根弯曲应力，对于开式齿轮，降低20%35%，,若最终确定参数后求出与初取值相
10、差较大，则修正模数,分析：m-模数，m大F小,5-4标准直齿轮传动强度计算,一、齿轮精度选择,5-5齿轮精度、设计参数及许用应力,常用设备齿轮的精度等级6-9级,二、设计参数选择,5-5齿轮精度、设计参数及许用应力,1、齿数比,二、设计参数选择,5-5齿轮精度、设计参数及许用应力,三、许用应力,5-5齿轮精度、设计参数及许用应力,1.实验齿轮参数及实验条件直齿圆柱齿轮m=35mm、=20、b=1050mma=100mm,v=10m/s齿面粗糙度Rz=3m，失效概率为1%。,5-5齿轮精度、设计参数及许用应力,2.接触疲劳强度许用应力H：,5-5齿轮精度、设计参数及许用应力,3.弯曲疲劳强度许用
11、应力F：,一、轮齿受力分析,5-6标准斜圆柱齿轮传动强度计算,主动轮左右手定则：,5-6标准斜圆柱齿轮传动强度计算,(1)主动轮左旋-左手右旋-右手(2)四指握指回转方向(3)拇指指向轴向力方向,关系,二、齿面接触强度计算,5-6标准斜圆柱齿轮传动强度计算,斜齿圆柱齿轮法面齿廓曲率半径,1.模型：斜齿轮法面当量齿轮齿廓节点接触，ZH,Z,考虑螺旋角影响，引入螺旋角系数Z,2.接触应力：,2.接触应力：,5-6标准斜圆柱齿轮传动强度计算,5-6标准斜圆柱齿轮传动强度计算,5-6标准斜圆柱齿轮传动强度计算,三、齿根弯曲强度计算,5-6标准斜圆柱齿轮传动强度计算,1.模型：斜齿轮法面当量直齿轮轮齿受
12、弯，引入Y考虑螺旋角影响,2.弯曲强度计算：,5-6标准斜圆柱齿轮传动强度计算,5-6标准斜圆柱齿轮传动强度计算,三、斜齿轮参数确定,斜齿轮参数选择算例,斜齿轮参数选择算例,一、主要设计参数,5-7标准直齿锥齿轮传动的强度计算,大端参数为标准值,直齿锥齿轮传动的几何参数,二、受力分析,5-7标准直齿锥齿轮传动的强度计算,关系,dm,三、强度计算,1、计算模型：齿宽中点当量直齿轮单齿对啮合,5-7标准直齿锥齿轮传动的强度计算,5-7标准直齿锥齿轮传动的强度计算,校核式：,设计式:,5-7标准直齿锥齿轮传动的强度计算,校核式：,设计式:,5-7标准直齿锥齿轮传动的强度计算,5-8变位齿轮传动的强度
13、计算,1、高度变位齿轮传动，因x=0,=,故ZH不变，H不变；角度变位齿轮传动，当x0时，因，故ZHH。,2、变位后由于齿形变化，故弯曲强度计算式中齿形系数YFa及应力校正系数Ysa发生变化。xYFa.YsaF。,5-9齿轮传动的润滑,开式或半开式传动,定期人工加油润滑,v10m/s的闭式传动,浸油润滑,v10m/s的闭式传动,喷油润滑,5-9齿轮传动的润滑,常用润滑方式,浸油润滑,喷油润滑,V25m/s喷嘴在啮出侧,V25m/s喷嘴在啮入侧（或啮出侧）,5-10常用齿轮结构,1、通过强度计算确定出了齿轮的齿数z、模数m、齿宽b、螺旋角b、分度圆直径d等主要尺寸。,3、在综合考虑齿轮几何尺寸，毛坯，材料，加工方法，使用要求及经济性等各方面因素的基础上，按齿轮的直径大小，选定合适的结构形式，再根据推荐的经验数据进行结构尺寸计算。,4、常见的齿轮结构形式,2、齿轮的结构设计主要是确定轮缘，轮辐，轮毂等结构形式及尺寸大小。,本章结束,动载系数KV,返回调用,表5-4齿间载荷分布系数,5-3齿轮传动的载荷计算,
