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1、1 、试分析齿轮轮齿的主要失效形式及产生的原因。开式闭式齿轮传动设计的准则有何不同?答:失效形式主要有四种:轮齿折断、齿面磨损、齿面点蚀、和齿面胶合。一,轮齿折断:因为轮齿受力时齿根弯曲应力最大,而且有应力集中,因此,轮齿折断一般发生在齿根部分。 若轮齿单侧工作时,根部弯曲应力一侧为拉伸,另一侧为压缩,轮齿脱离啮合后,弯曲应力为零。因此,在载荷的多次重复作用下,弯曲应力超过弯曲持久极限时,齿根部分将产生疲劳裂纹。裂纹的逐渐扩展,最终将引起断齿,这种折断称为疲劳折断。 轮齿因短时过载或冲击过载而引起的突然折断,称为过载折断。用淬火钢或铸铁等脆性材料制成的齿轮,容易发生这种断齿。 二,齿面磨损:齿
2、面磨损主要是由于灰砂、硬屑粒等进入齿面间而引起的磨粒性磨损;其次是因齿面互相摩擦而产生的跑合性磨损。 磨损后齿廓失去正确形状(图342),使运转中产生冲击和噪声。磨粒性磨损在开式传动中是难以避免的。采用闭式传动,提高齿面光洁度和保持良好的润滑可以防止或减轻这种磨损。 三,齿面点蚀:轮齿工作时,其工作表面产生的接触压应力由零增加到一最大值,即齿面接触应力是按脉动循环变化的。在过高的接触应力的多次重复作用下,齿面表层就会产生细微的疲劳裂纹,裂纹的蔓延扩展使齿面的金属微粒剥落下来而形成凹坑,即疲劳点蚀,继续发展以致轮齿啮合情况恶化而报废。 实践表明,疲劳点蚀首先出现在齿根表面靠近节线处(图343)。
3、齿面抗点蚀能力主要与齿面硬度有关,齿面硬度越高,抗点蚀能力也越强。 软齿面(HBS350)的闭式齿轮传动常因齿面点蚀而失效。在开式传动中,由于齿面磨损较快,点蚀还来不及出现或扩展即被磨掉,所以一般看不到点蚀现象。 可以通过对齿面接触疲劳强度的计算,以便采取措施以避免齿面的点蚀;也可以通过提高齿面硬度和光洁度,提高润滑油粘度并加入添加剂、减小动载荷等措施提高齿面接触强度。 4、 齿面胶合:在高速重载传动中,常因啮合温度升高而引起润滑失效,致使两齿面金属直接接触并相互粘联。当两齿面相对运动时,较软的齿面沿滑动方向被撕裂出现沟纹(图344),这种现象称为胶合。 在低速重载传动中,由于齿面间不易形成润
4、滑油膜也可能产生胶合破坏。 提高齿面硬度和光洁度能增强抗胶合能力。低速传动采用粘度较大的润滑油;高速传动采用含抗胶合添加剂的润滑油,对于抗胶合也很有效。、五、普通闭式传动的主要失效形式为:轮齿的疲劳折断和点蚀。普通开式传动的主要失效形式为:轮齿的疲劳折断和磨粒磨损。设计准则: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。对普通齿轮传动其设计准则为:1)闭式软齿面:按齿面接触疲劳强度进行设计计算(确定齿轮的参数和尺寸),然后校核齿根游弯曲疲劳强度;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:只计算齿根
5、弯曲疲劳强度,适当加大模数(预留磨损量)。此外对高速重载传动,还应按齿面抗胶合能力进行计算。2、选择齿轮材料的原则是什么?常用哪些材料及热处理方法?软硬齿面的区分依据是什么?答:1)对齿轮材料性能的要求:齿面硬,芯部韧。基本原则:齿轮材料必须满足工作条件的要求,如强度、寿命、可靠性、经济性等;应考虑齿轮的尺寸大小,毛坯成型的方法及热处理和制造工艺;钢制软齿面齿轮,小轮的齿面硬度应比大齿轮高20-50HBS.硬齿面齿轮传动,两轮的齿面硬度可大致相同,或小轮硬度略高。2)软齿面:调质,正火:改善机械性能,增大强度和韧性。硬齿面:表面淬火,表面氮化:接触强度提高、耐磨性好,可抗冲击。配对齿轮均采用软
6、齿面时:小齿轮爱载次数多,故材料应选好些,热处理硬度略高于大齿轮(约30-40HBS).3)软齿面(硬度350HBS)的热处理方法有整体淬火、表面淬火、渗碳淬火和氮化等。3、 从齿轮轮齿失效情况得出了哪些承载能力计算依据?其理论基础(原始公式)是什么?各自针对哪种失效形式?答:1)齿面接触疲劳强度计算,以Herts接触应力公式为基础。主要针对齿面点蚀;2)齿根弯曲疲劳强度计算,计算依据是材料力学弯曲疲劳强度计算工式。主要针对轮齿折断。4、 齿轮强度计算时为什么要引入载荷系数K?它由哪几部分组成?其中各部分含义是什么?各与哪些因素有关?答:由于齿轮传动工作情况不同,原动机和工作机的特性各不同,加
7、上齿轮受制造、安装误差和弹性变形等因素影响,另外在啮合的齿对间载荷分配也不均故引入载荷系数。使用系数KA:是考虑齿轮啮合时外部因素引起的附加动载荷影响的系数。这种动载荷取决于原动机和从动机械的特性、质量比、联轴器类型以及运行状态等。动载系数KV:是考虑齿轮自身啮合传动时所产生的的动载荷影响的系数。与制造及装配误差,圆周速度等有关。齿间载荷分配系数K :是考虑齿间载荷分布的不均匀所产生影响的系数。与齿距误差,弹性变形等有关。齿向载荷分布系数K:是考虑齿面上载荷沿接触线分布不均所产生影响的系数。与齿轮相对轴承的位置,轴、轴承、支座的变形以及制造、装配误差等有关。5、 分析比较直、斜圆柱齿轮及锥齿轮
8、传动的受力情况(力的三要素)答:圆柱直齿轮主要是径向力和周向力。 圆柱斜齿轮主要是径向力、周向力及轴向力。 锥齿轮主要是径向力和轴向力。 这些都是分解以后的力。 最初的力就是一对齿轮接触面上法向方向的力。6、 影响齿轮齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度的因素有哪些?主要原因是什么?怎样影响的?答: 接触疲劳强度:材料性能、节点啮合处齿廓曲率、重合度和泊松比u、齿宽系数。主要因素是小轮直径d1,d1增大,接触疲劳强度增大。弯曲疲劳强度:轮齿形状。主要原因是模数m,m增大,弯曲疲劳强度增大。齿形系数的物理意,与哪些因素有关,为什么与模数无关。同一齿数的直斜锥是否相同?答:表示载荷作用于齿顶时,同于
9、轮齿形状不同对其弯曲强度的影响。只与齿廓形状有关(齿数,压力角,变位系数),三者增加时,齿根厚度增大,YFa减小。与模数无关。模数的变化只引起齿廓尺寸大小的变化,并不改变齿廓的形状,齿形系数没有变化。7、8、 齿轮设计中Z、d、螺旋角 如何选择?设计闭式软齿面时为什么在满足弯曲强度下Z1尽可能取多点好?答:1)、Z:2) 、齿宽系数d:d=b/d1,一定载荷下,增大齿宽可减小齿轮直径和传动中心距,从而降低圆周速度.但齿宽越大,载荷分布愈不均匀,提高了对轴系支承刚度的要求,因此须合理选择d.为便于装配和调整,根据d1和齿宽求出bd2后,将小齿轮宽度加大5-10mm,即b1=b2+(5-10)mm
10、.大小齿轮为硬齿面d取小值,否则取大值.3)螺旋角 选大些时,可增大重合度,从而提高了传动的平稳性和承载能力。但 过大时,导致轴向力剧增。故一般选 =8度 20度 。如 角过小,不能显示斜齿轮传动的优越性。从减小齿轮的振动和噪音角度来考虑,目前有采用大螺旋角齿轮的趋势。 4)闭式软齿面传动尺寸主要取决于轮齿接触疲劳强度,而弯曲疲劳强度往往比较富裕,故宜选多些.(闭式硬齿面尺寸有可能要取决于弯曲疲劳强度,故不宜过多;开式主要取决于弯曲疲劳强度,不宜过多)9、 对于作双向传动的齿轮来说,它的齿面接触应力和齿根弯曲应力各有什么特征?在作强度计算怎样考虑?答:对于双向传动的齿轮来说,它的齿面接触应力是
11、脉动循环应力;齿根弯曲应力属于对称循环应力。需要说明的是:对于任何齿轮传动,接触应力都是脉动循环应力。1、 齿轮传动的失效形式:齿轮传动的失效一般发生在轮齿上,通常有轮齿折断和齿面损伤两种形式。后者又分为齿面点蚀、磨损、胶合和塑性变形等。1、轮齿折断:一般发生在齿根部位,因为齿根是应力集中源而且应力最大。轮齿折断可分为:(1)疲劳折断:轮齿受力后齿根部受弯曲应力的反复作用,当齿根过渡圆角处的交变应力超过了材料的疲劳极限时,其拉伸侧将产生疲劳裂纹。裂纹不断扩展,最终造成轮齿的弯曲疲劳折断。(2)过载折断:若齿轮严重过载或受冲击载荷作用,或经严重磨损后齿厚过分减薄时,导致齿根危险截面上的应力超过极
12、限值而发生突然折断。选用合适的材料和热处理方法,使齿根芯部有足够的韧性;采用正变位齿轮,增大齿根圆角半径,对齿根处进行喷丸、辊压等强化处理工艺,均可提高轮齿的抗折断能力。2、齿面点蚀:轮齿受力后,齿面接触处将产生循环变化的接触应力,在接触应力反复作用下,轮齿表层或次表层出现不规则的细线状疲劳裂纹,疲劳裂纹扩展的结果,使齿面金属脱落而形成麻点状凹坑,称为齿面疲劳点蚀。一般多出现在节线附近的齿根表面上,然后再向其它部位扩展,这是因为在节线处同时啮合齿对数少,接触应力大,且在节点处齿廓相对滑动速度小,油膜不易形成,摩擦力大。提高齿面硬度和润滑油的粘度,采用正角度变位传动等,可减缓或防止点蚀产生。3、
13、齿面磨损:当齿面间落入砂粒、铁屑、非金属物等磨料性物质时,会发生磨料磨损。齿面磨损后,齿廓形状破坏,引起冲击、振动和噪声,且由于齿厚减薄而可能发生轮齿折断。磨料磨损是开式齿轮传动的主要失效形式。改善密封和润滑条件、在油中加入减摩添加剂、保持油的清洁、提高齿面硬度等,均能提高抗磨料磨损能力。4、齿面胶合:互相啮合的轮齿齿面,在一定的温度或压力作用下,发生粘着,随着齿面的相对运动,使金属从齿面上撕落而引起严重的粘着磨损现象称为胶合。热胶合:在重载高速齿轮传动中,由于啮合处产生很大的摩擦热,导致局部温度过高,使齿面油膜破裂,产生两接触齿面金属融焊而粘着,这种胶合称为热胶合。热胶合是高速重载齿轮传动的
14、主要失效形式。冷胶合:在重载低速齿轮传动中,由于局部齿面啮合处压力很高,且速度低,不易形成油膜,使接触表面膜被刺破而粘着,这种胶合称为冷胶合。减小模数、降低齿高、采用角度变位齿轮以减小滑动系数,提高齿面硬度,采用抗胶合能力强的润滑油(极压油)等,均可减缓或防止齿面胶合。2、 齿轮传动的设计:1、闭式软齿面:失效形式:主要是疲劳点蚀,其次是轮齿折断;设计约束:按接触疲劳强度计算,校核弯曲疲劳强度。2、闭式硬齿面:失效形式:主要是轮齿折断,其次是齿面疲劳点蚀。设计约束:按弯曲疲劳强度计算,校核接触疲劳强度。3、开式齿轮:失效形式:齿面磨损和轮齿折断,设计约束:因磨损尚无成熟的计算方法,只能近似地认
15、为其约束条件是轮齿弯曲疲劳强度条件,并通过适当增大模数的方法来考虑磨损的影响。4、短期过载的齿轮传动,其主要失效形式是过载折断或塑性变形,其设计约束条件为静强度条件。3、 计算载荷:,1、使用系数KA:是考虑齿轮啮合时外部因素引起的附加动载荷影响的系数。这种动载荷取决于原动机和从动机械的特性、质量比、联轴器类型以及运行状态等。2、动载系数KV:是考虑齿轮自身啮合传动时所产生的的动载荷影响的系数。与制造及装配误差,圆周速度等有关。3、齿间载荷分配系数K :是考虑齿间载荷分布的不均匀所产生影响的系数。与齿距误差,弹性变形等有关。4、齿向载荷分布系数K:是考虑齿面上载荷沿接触线分布不均所产生影响的系
16、数。与齿轮相对轴承的位置,轴、轴承、支座的变形以及制造、装配误差等有关。4、 齿面接触疲劳强度条件:一对渐开线圆柱齿轮在节点啮合时,其齿面接触状况可近似认为与两圆柱体的接触状况相当,故其齿面的接触应力可近似地用赫芝公式进行计算。直齿圆柱齿轮齿面接触疲劳强度的校核式:引入齿宽系数,得接触疲劳强度的设计式:注意:1)一对相啮合的齿轮,其接触应力是相等的,即:;许用接触应力一般不等,即:,上两式中的取小值代入.2)影响齿轮接触强度的几何参数主要有:d(或a)、b、u和a,影响最大的是d;3)提高齿面接触疲劳强度的主要措施有:A、加大齿轮直径d或中心距a;B、适当增大齿宽b(或齿宽系数);C、采用正变位齿轮;D、提高齿轮精度等级;E、改善齿轮材料和热处理方式,以提高。5、 轮齿弯曲强度条件:1、力学模型:将轮齿视为悬臂梁,确定危险截面和载荷作用点。危