11齿轮传动设计

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1、Foundation of Machine Design 能源动力与机械工程学院 机械教研室滕 伟11-1 齿轮传动的失效形式11-2 齿轮材料及热处理11-4 齿轮传动的受力分析及计算载荷11-5 直齿圆柱齿轮传动的齿面接触强度计算11-8 齿轮的构造11-9 齿轮传动的润滑和效率第十一章 齿轮传动设计11-3 齿轮传动的精度11-6 直齿圆柱齿轮传动的轮齿弯曲强度计算11-7 斜齿圆柱齿轮强度计算设计：潘存云11-1齿轮传动的失效形式 轮齿折断失效形式设计：潘存云一般发生在齿根处 1、严重过载突然断裂 2、疲劳折断轮齿折断失效形式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

2、、 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。齿面点蚀轮齿折断失效形式齿面点蚀 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，相对滑 动时较软的齿面沿滑动方向被 撕下而形成沟纹。措施： 1.提高齿面硬度 2.减小齿面粗糙度 3.增加润滑油粘度低速 4.加抗胶合添加剂高速轮齿折断失效形式齿面点蚀 齿面胶合 齿面磨损措施：1.减小齿面粗糙度2.改善润滑条件磨粒磨损跑合磨损设计：潘存云轮齿折断失效形式齿面点蚀 齿面胶合 齿面磨损从动齿主动齿齿面塑性变形从动齿主动齿从动齿主动齿从动齿主动

3、齿11-2 齿轮材料及热处理常用齿轮材料优质碳素钢 合金结构钢 铸钢 铸铁热处理方法表面淬火 渗碳淬火 调质 正火 渗氮一般用于中碳钢和中碳合金钢，如45、40Cr等。表面 淬火后轮齿变形小，可不磨齿，硬度可达5256HRC， 面硬芯软，能承受一定冲击载荷。1.表面淬火-高频淬火、火焰淬火2. 渗碳淬火渗碳钢为含碳量0.150.25%的低碳钢和低碳合金钢，如20、20Cr等。齿面硬度达5662HRC，齿面接触强度高，耐磨性好，齿芯韧性高。常用于受冲击载荷的重要传动。通常渗碳淬火后要磨齿。调质一般用于中碳钢和中碳合金钢，如45、40Cr、35SiMn等。调质处理后齿面硬度为：220260HBS

4、。因为硬度不高，故可在热处理后精切齿形，且在使用中易于跑合。3.调质4. 正火正火能消除内应力、细化晶粒、改善力学性能和切削性能。机械强度要求不高的齿轮可用中碳钢正火处理。大直径的齿轮可用铸钢正火处理。渗氮是一种化学处理。渗氮后齿面硬度可达6062HRC。氮化处理温度低，轮齿变形小，适用于难以磨齿的场合，如内齿轮。材料为：38CrMoAlA.5. 渗氮特点及应用： 调质、正火处理后的硬度低，HBS 350，属软齿面 ，工艺简单、用于一般传动。当大小齿轮都是软齿面 时，因小齿轮齿根较薄，弯曲强度低，故在选材和热 处理时，小齿轮比大齿轮硬度高: 2050HBS表面淬火、渗碳淬火、渗氮处理后齿面硬度

5、高，HBS 350，属硬齿面。其承载能力高，但一般需要 磨齿。常用于结构紧凑的场合。设计：潘存云表11-1常用的齿轮材料优质碳素钢类 别牌 号热 处 理硬度（HBS或HRC）合金结构钢铸 钢灰铸铁球墨铸铁35正火150180 HBS 调质 表面淬火180210 HBS 4045 HRC 正火170210 HBS45调质 表面淬火210230 HBS 4348 HRC 50 40Cr调质 表面淬火240285 HBS 5256 HRC35SiMn调质200260 HBS 表面淬火4045 HRC正火调质240280 HBS40MnBZG270-500正火140170 HBS HT20017023

6、0 HBS QT500-5147241 HBS 180220 HBS详细数据见P166或机械设计手册11-3 齿轮传动的精度制造和安装齿轮传动装置时，不可避免会产生齿形误差、齿距误差、齿向 误差、两轴线不平行误差等。误差的影响： 1.实际转角与理论不一致，影响传递运动的准确性；2.瞬时传动比不恒定，出现速度波动，引起振动、冲击和噪声，影响运动平稳性；3.齿向误差导致轮齿上的载荷分布不均匀，使轮齿提前损坏，影响载荷分布的均匀性。 国标GB10095-88给齿轮副规定了12个精度等级。其中1 级最高，12级最低，常用的为69级精度。按照误差的特性及它们对传动性能的主要影响，将齿轮 的各项公差分成三

7、组，分别反映传递运动的准确性，传 动的平稳性和载荷分布的均匀性。齿轮齿侧间隙，国标规定了14种。制造和安装误差和受热变形等。表11-2齿轮传动精度等级的选择及其应用精度等级直齿圆 柱齿轮9级斜齿圆 柱齿轮直齿圆 锥齿轮圆周速度 v(m/s)8级7级6级 15 10 6 2 30 15 10 4 12 8 4 1.5应 用高速重载齿轮传动，如飞机、汽 车和机床中的重要齿轮；分度机 构的齿轮传动。高速中载或中速重载齿轮传动， 如飞机、汽车和机床中的重要齿 轮；分度机构的齿轮传动。机械制造中对精度无特殊要求的 齿轮。低速及对精度要求低的齿轮设计：潘存云设计：潘存云O2O1tt1 （主动）N1N2c

8、d1 2 FnT111-4 齿轮传动的受力分析及计算载荷一、直齿圆柱轮齿上的作用力圆周力：径向力：法向力：小齿轮上的转矩：P为传递的功率(KW)1为小齿轮上的角速度(rad/s) n1为小齿轮上的转速(r/min)d1为小齿轮上的分度圆直径mm -压力角1、各作用力的大小O22 （从动）O1N1N2tt1 （主动）T1c d1 2d2 2 FtFrFnFn为了计算轮齿强度，设计轴和轴承，有必要分析轮齿上的作用力。、各作用力的方向(1)圆周力t 在主动轮上是阻力，它与其旋转方向 相反，在从动轮上是驱动力，它与 其旋转方向相同。（主反从同）(2)径向力r 分别指向各自的轮心。3、各作用力之间的关系

9、t1= - Ft2r1= - Fr2设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云d1 2FFF二、 斜齿圆柱齿轮上的作用力1T1圆周力：径向力：轴向力：轮齿所受总法向力Fn可分解为三个分力 :FrFtFtF=Ft /cos Fr = F tgn nFrFnFnFn cFaFa1、各作用力的大小、各作用力的方向(1)圆周力t 在主动轮上与其旋转方向相反， 在从动轮上与其旋转方向相同。（主反从同）(2)径向力r 分别指向各自的轮心。3、各作用力之间的关系t1= - Ft2r1= - Fr2(3)轴向力a 可利用“主动轮左、右手定则”来判 断，对主动轮，左(右)旋用左(右)手，以四指弯曲的 方向表示主动轮的

10、旋转方向，则大拇指的指向表示 主动轮所受的轴向力的方向。a1= - Fa2四、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 载荷的影响，K-载荷系数（具体取值见书169页注）表11-3 载荷系数K原动机电动机 多缸内燃机单缸内燃机均 匀中等冲击大的冲击工作机械的载荷特性1.11.2 1.21.61.61.81.82.01.21.61.61.81.61.81.92.1 2.22.4设计：潘存云Fn b( )maxFn b( )min设计：潘存云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

11、的失效主要 是齿面接触疲劳点蚀和轮齿弯曲疲劳折断。齿面疲劳点蚀与齿面接触应力的大小有关，而齿面的最 大接触应力可近似用赫兹公式进行计算。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 :O22 （从动）O1N1N2tt1 （主动）T1c d1 2d2 2 中心距 : a=(d2 d1)/2 = d1(u 1)/2 或 : d1 = 2a /(u 1) C12在节点处，载荷由一对轮齿来承担：代入赫兹公式得

12、 一对钢制齿轮引入齿宽系数：d=b/d1得设计公式：当一对齿轮的材料，传动比以及齿宽系数一定时，由齿面接触强度所决定的承载能力，仅 与齿轮的分度圆或中心距a有关。分度圆直径分别相等的两对齿轮，不论其模数是否相等，都具 有相同的承载能力。模数m不能成为衡量齿轮接触强度的依据。验算公式：ZH=2.5，区域系数。其中：ZE弹性系数，见书171页表11-4，表11-5 安全系数SH和SFSHSF安全系数软齿面 （HBS350）硬齿面 （HBS 350）重要的传动、渗 碳淬火齿轮或铸 造齿轮1.01.11.251.41.11.21.41.61.62.21.3许用接触应力：Hlim -接触疲劳极限, 由实

13、验确定,见书166页表11-1。 SH -为安全系数，查表171页11-5 确定。800700600500400100200300 HBSHlim(N/mm)600500400300200 100200 HBSHlim(N/mm)600500400300200100200300 HBSHlim(N/mm)灰铸铁球墨铸铁普通碳素 钢正火铸钢 正火合金钢调质合金铸 钢调质优质碳素钢 调质或正火铸钢调质图11-7 齿轮的接触疲劳极限Hlim1500140013001000900Hlim(N/mm)12001100800405060 HRC40 50 60 HRC3015001400130010009

14、00Hlim(N/mm)12001100800合金钢 渗碳淬火调质钢 表面淬火渗氮钢氮化调质钢氮化图11-7 齿轮的接触疲劳极限Hlim设计：潘存云rbO30 30 11-6 直齿圆柱齿轮传动的轮齿弯曲强度计算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 达最大值。hFFnF2F1SFF 弯曲力矩： M=KFnhFcosF 危险截面的弯曲截面系数：弯曲应力：危险截面：齿根圆角30 切线两切点连线处。 齿顶受力：Fn，可分解成两个分力：F1 = Fn cosF F2 = Fn sinF -产生弯曲应力； -压应力，小而忽略。FnhF和SF与模数m相关，轮齿弯曲强度的验算公式：故YFa

15、与模数m无关。弯曲应力：对于标准齿轮, YFa仅取决于齿数Z，取值见书173页图11-8。 YFa 齿形系数考虑齿根应力集中对的影响，引入应力集中修正系数Sa，见 书174页图11-9。计算时取： 和 较大者，计算结果应按书 57页表4-1圆整,且m 1.52 一般情况下，闭式齿轮传动: Z1=2040开式齿轮传动: Z1=1720 一般YF1 YF2， F1 F2 引入齿宽系数：a=b/d1得设计公式：在满足弯曲强度的条件下可适当选取较多的齿数，使传 动平稳；在中心距a一定时，z增多则m减小，da减小， 节省材料和工时。许用弯曲应力：弯曲疲劳极限Flim由实验确定，见书166页表11-1 。 若齿轮双向工作应乘0.7。SF为安全系数，查表169页11-5确定。 表11-5 安全系数SH和SFSHSF安全系数软齿面 （HBS 350）硬齿面 （HBS 350）重要的传动、渗 碳淬火齿轮或铸 造齿轮 1.01.11.31.41.11.21.41.61.62.21.3因弯曲疲劳造成的轮齿折断可能造成重大事故，而疲劳 点蚀只影响寿命，故：SF