机械设计基础11章齿轮传动

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1、第十一章 齿 轮 传 动 P.164 前 言 轮齿的失效形式及计算准则 齿轮的材料 齿轮传动的精度 齿轮传动作用力分析及计算 载荷 直齿圆柱齿轮传动齿面接触 强度计算 直齿圆柱齿轮齿根弯曲疲劳 强度计算 斜齿圆柱齿轮传动 直齿圆锥齿轮传动 齿轮的构造 齿轮传动的润滑和效率介绍直齿圆柱、斜齿圆柱、直齿圆锥齿轮传动的设计。按工作 条件 分 类按载荷 情况分 类 闭式传动硬齿面 HBS350 开式传动齿轮传动的分类:低速轻载: V13m/S ; Fn510KN中速中载: 3m/SV10m/S ;10KNFn50KN高速重载: V10m/S ; Fn50KN软齿面 HBS350前 言11-1 轮齿的失

2、效形式及计算准则 P.159(一)轮齿的失效形式疲劳折断过载折断全齿折断(齿根)(直齿)局部折断(斜齿受载不均)1.折断3.各种场合的主要失效形式2.齿面失效齿面点蚀 齿面胶合 齿面磨损 齿面塑性变形闭式硬齿面、脆性材料 齿轮传动的主要破坏形式(二) 齿轮传动常用计算准则疲劳折断：轮齿受的弯曲应 力是循环变化的，在齿根的 过渡圆角处具有较大的应力 集中。易发生轮齿疲劳折断。过载折断：齿轮受到过载或 冲击时,引起轮齿的突然折断。发生部位：一般出现在齿 根表面靠近节线处。（载荷大；速度低难形成 油膜)图11-211-4H反复裂纹扩展麻点状脱落2.齿面失效闭式软齿面齿轮传动 的主要破坏形式。1) 齿

3、 面 疲 劳 点 蚀当齿面所受的压力很大且润滑效果差，或压 力很大而速度很高时，由于发热大，瞬时温度高 ，相啮合的齿面发生粘联现象，此时两齿面有相 对滑动，粘接的地方被撕裂。 这叫热胶合。润滑失效表面粘连 沿运动方向撕裂低速重载的齿轮，油膜遭破坏 也发生胶合现象。这时齿面温度无 明显增高，这种胶合冷胶合。高速重载、低速重载闭式传动 的主要破坏形式。2) 齿 面 胶 合齿形破坏1）磨粒磨损：由于金属微粒，灰石砂粒进入齿轮引起的磨损。2）跑合磨损： 一般指新机器。开式齿轮传动易发生磨粒磨损。3)齿 面 磨 粒 磨 损齿面沿摩擦力方向塑性变形主凹、从凸21低速重载软齿面闭式传动 的主要破坏形式。4)

4、齿 面 塑 性 变 形折断:疲劳折断 过载折断全齿折断(齿根)(直齿) 局部折断(斜齿受载不均)H反复裂纹扩展麻点状脱落 靠近节线的齿根表面 齿面胶合:齿面磨粒磨损:润滑失效表面粘连沿运动方向撕裂磨粒磨损齿形破坏齿面塑性变形:齿面沿摩擦力方向塑性变形主凹、从凸齿面点蚀:.齿面失效:*闭式传动 *开式传动 *闭式高速重载传动软齿面 硬齿面齿面点蚀轮齿折断齿面磨粒磨损齿面胶合*低速重载软齿面齿面塑性变形3.各种场合的主要失效形式(二) 齿轮传动常用计算准则: 防齿面点蚀防轮齿折断齿面接触疲劳强度计算求中心距a齿根弯曲疲劳强度计算求模数常用的计算方法: 硬齿面(折断):按齿面强度设计(先求a) 按弯

5、 曲强度校核按弯曲强度设计(先求m ) 按齿面强度校核 按弯曲强度设计(求m ) 考虑磨损将F (0.70.8)(许用弯曲应力)软齿面(点蚀):开式传动: (磨损)闭式传动1.齿面要硬, 齿芯要韧 2.易于加工及热处理一对齿轮材料的基本要求:二. 常用的齿轮材料三. 常用热处理11-2 齿轮的材料 p.165四. 钢制齿轮加工工艺过程：二. 常用的齿轮材料 表11-1, p.166钢用于开式、低速传动的齿轮强度差,易成型 1. 灰口铸铁 HT200、HT3002. 球墨铸铁 QT500-7 用于小功率、速度高低噪音含碳量为0.10.6常用性能最好(可通过热处理提高机械性能) 1.锻钢钢材经锻造

6、, 性能提高最常用 45、35SiMn、42SiMn、40Cr、35CrMo2.铸钢齿轮较大(d400600)时采用ZG310-570、ZG340-640 铸铁非金属材料四. 钢制齿轮加工工艺过程：热(正)切齿表面硬化处理(淬火、氰化、氮化)坯料热(正、调)切齿(一般8级、精切7级)正火、调质HBS1 =HBS220 50HRc1 HRc2渗氮低碳钢渗碳淬火中碳钢表面淬火三. 常用热处理：硬齿面：软齿面：软齿面(中)： 硬齿面：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

7、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.168113齿轮传动的精度 P.167 安装制造误差影响正常工作 精度圆周力t ：径向力r ：Fn(二)斜齿圆柱齿轮传动作用力分析 (三)直齿圆锥齿轮传动作用力分析 (四)计算载荷11-4齿轮传动作用力分析及计算载荷 P.168FrFnFt设一对标准齿轮正确安装 ， 齿廓在C点接触，略去f不计 轮齿间的总压力为n , 沿啮合线 指向齿面一. n 的分解：对n进行分解：沿半径方向指向齿面沿分度圆切线方向指向齿面(一)直齿圆柱齿轮传动作用力分析 图11-5Ft2T11 (11-1)FrFtg (11-1a)Fn

8、 Ft cos (11-1b) 1:小齿轮转矩mm, 1:小齿轮分度圆直径mm, :压力角FrFnFtP功率kw，转速r/min二. 作用力的大小：三. 作用力的方向及判断与1 反向 与2 同向t2 (从):由啮合点指向轮心(外)Ft2Fr2Fr1Ft1Fr1Fr2Ft2示意图Ft1C12Ft2Ft1Fr2Fr1 Vt1 (主):tr(二)斜齿圆柱齿轮传动作用力分析 p.176右右 左 左一. n 的分解：其轮齿沿螺旋线方向均匀地分布在圆柱体左、右旋端面 轴面Fn法面1XYZ过C建立OXYZ坐标切面FrXYZFtFan圆周力t ：沿分度圆切线方向指向齿面 轴向力a ：与轴线平行并指向齿面径向力

9、r ：沿半径方向指向齿面切面：F = Ft/cos attg 法面：Fr=F tg n圆周力: t21d1径向力: rttgncos 轴向力: attg二. 作用力的大小：FnrFtFrFan1F三. 作用力的方向及判断：Ft1Fr1 Ft1Fr1Fr2Ft2Fr2Fa1Fa1Fa2Fa2Ft2主动轮用左右手定则(左旋左手、右旋右手、四指转向、拇指轴向) 示意图tt1（主）: 与1 反向t2（从）：与2 同向r 由啮合点指向轮心a * 配对齿轮旋向相反 Ft1Ft2 Fr1Fr2Fa1Fa2Ft3Fr3Fa3Ft4 Fr4Fa4*同轴齿轮旋向相同 (非同级齿轮)例题：设斜齿圆柱齿轮传动的转动方

10、向及螺旋线方向如图所示, 试分别画出各轮的t、r、a的方向以及确定轮3和轮4的螺 旋线方向。(三)直齿圆锥齿轮传动作用力分析 P.179二. 作用力的大小 :分度圆锥角 当1+ 2=90 sin 1= cos2 sin2 = cos1法面：F=Fttg 轴面：Fr=F cosFa=F sinFt21m1rttgcosattgsinFnFtFaFr一.n 的分解： 与斜齿轮同Fr2Z1Z2a 由小端指向大端Ft1Ft2Fa1Fa2Fr1示意图 t t1（主）:与1 反向t2（从）:与2 同向 r 由啮合点指向轮心三. 作用力的方向及判断：计算载荷公式: Fca = KFnFn名义载荷K载荷系数查

11、表11-3 P.169(四)计算载荷 p.169引入原因 (1)载荷集中现象(2)附加动载荷作业：P187 11-9 11-16主要内容：齿轮传动作用力分析及 计算载荷 11-5直齿圆柱齿轮传动齿面接触强度计算 P.170（一）强度公式建立的依据 （二）强度计算公式1.以赫兹公式为基础一对圆柱体(线接触)接触面上的接触应力H H 2.以节点作为计算点 以齿廓节点处的作为圆柱体的半径 泊松比 E1,E2 弹性系数 Fn轮齿上的法向力 ； b齿宽 E综合弹性模量 ; 综合曲率半径（三）接触强度计算分析思路:二. 齿面接触疲劳强度公式: 1.校核公式 (尺寸参数已知校核齿面强度)当 一对钢制齿轮E1

12、= E2=2.06 105 MPa1 20.3 , 20。式中: H轮齿齿面接触应力 Mpa; T1小轮传递的转矩 Nmm ; 中心距 mm ; K载荷系数(表11-3, P.169) ;u齿数比(uZ大Z小) ; b(大)齿轮的宽度mm , b=b2 , b1= b2+(510) 。2.设计公式 H轮齿的许用接触应力MPa Hlim查表(11-1) p.166 SH查表(11-5) p.171Hlim(Mpa)(按齿面强度确定主参数中心距 )当 一对钢制齿轮E1= E2=2.06 105 MPa1 20.3 , 20。中心距 (d1)成对计算取较小 H代入计算当一对齿轮的材料、传动比、齿宽系

13、数一时，轮齿的表面接触强度仅取决于 H1 H2 ; H1 H2（三）接触强度计算分析思路:舍去11-6直齿圆柱齿轮齿根弯曲疲劳强度计算 （一）强度公式建立的依据: P.1661.载荷作用在齿顶, 仅由一对轮齿承担(79级)2.30切线法确定危险截面 图11-8 （二）强度计算公式:一.公式的建立：2.求W:F2FnF1F(弯曲) (压)SF1.求M:hF30 FnYF:齿形系数与齿形(尺寸比 例)有关, 与m无关ZYF F 令：图11-8 YFZ(ZV)斜:ZV=Z/cos3 锥:ZV=Z/cos= YFYF齿形系数YF一齿形系数 查图11-8 p.173 ; Z1一小轮齿数F一许用弯曲应力MPa 1.校核公式:2.设计公式:a齿宽系数； u齿数比二. 强度计算公式:Flim弯曲疲劳极限 (表11-1 P.166) SF安全系数 表11-4, p.171三.弯曲强度计算说明: 当轮齿单侧工作, F当轮齿双侧工作, FF1 F2 ; F1 F2轮齿的弯曲强度主要取决于，必取标准值 查表(4-1 ) p.57。 传递动力齿轮模数m1.5mm分别计算 分别校核0 (脉动循环应力) 1(对称循环应力)校核时:设计时:取 与 中较大者计算1宜取多 (2040) 保证平稳1不宜过多(2030)平稳,弯曲强度1宜取少 保证轮齿弯曲强度 1