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1、1,第十章 齿轮传动,通过本章学习:,10-2、 轮齿的失效形式及设计准则,10-3、 齿轮材料及选用原则,10-6、 齿轮传动的设计参数、许用应力与精度选择,10-4、 齿轮传动的计算载荷,10-5、 标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算,10-8、 标准直齿圆锥齿轮传动的强度计算,10-10、齿轮的结构设计,10-11、齿轮传动的润滑,10-1、 概述,10-7、 标准斜齿圆柱齿轮传动的强度计算,了解齿轮传动的失效及机理、设计准则;,熟悉齿轮的材料、热处理、及选材原则;,掌握齿轮传动的受力分析、强度计算;,2,第十章 齿轮传动,10-1、概述,齿轮传动是机械传动中,应用最广泛最重要的一种传动形式
2、。,已达到的水平:,P1105kW,,v300m/s,,D33m,,n105r/min,优点:,1)效率高(0.98 0.99); 2)工作可靠,寿命长; 3)结构紧凑,外廓尺寸小; 4)瞬时i 为常数。,缺点:,2)精度低时,振动、噪音大;,3)不适于中心距大的场合。,1)需专用机床和设备;,3,第十章 齿轮传动, 按齿面硬度分:, 按工作条件分:,闭式:封闭在箱体内,润滑条件好,开式:齿轮外露,不能防尘、周期润滑,半开式:齿轮浸入油池、外装护罩,齿轮传动的分类:,软齿面:HB350; 硬齿面:HB350。,4,第十章 齿轮传动,10-2、 轮齿的失效形式及设计准则,1、轮齿折断,原因:疲劳
3、、过载,全齿折断:常发生于齿宽较小的直齿轮,局部折断:常发生于齿宽较大的直齿、斜齿,措施:,(一)失效形式,现象:, 增大齿根过渡圆角、消除加工倒 痕减小应力集中 增大轴及支承的刚性受载均匀 合适热处理齿芯具有足够韧性、表面强化,5,第十章 齿轮传动,原因:相对滑动+硬颗粒(灰尘、金属屑末等); 润滑不良+表面粗糙。,后果:正确齿形被破坏、传动不平稳; 齿厚减薄、抗弯能力下降,最终断齿,措施:,闭式:1)增加硬度,选用耐磨材料;,2)降低表面粗糙度;,3)降低滑动系数;,4)润滑油的清洁;,开式:5)加防尘罩。,现象:金属表面材料不断减小,2、齿面磨粒磨损,6,第十章 齿轮传动,3、齿面疲劳点
4、蚀,现象:表面产生麻点状损伤,发生部位:偏向齿根的节线附近,原因:交变接触应力产生表面疲劳,发生场合:闭式齿轮传动,后果:引起振动、噪声、传动能力下降,措施:,1)提高表面硬度,3)降低表面粗糙度,增加加工精度,4)增加润滑油粘度,2)提高综合曲率半径(d1 、x ),轮齿在节圆附近一对齿受力,且滑动速度低形成油膜条件差,7,第十章 齿轮传动,4、齿面胶合(严重的粘着磨损),原因:, 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,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)降低表面粗糙度,提高表面硬度; 4)材料相同时,使大、小
5、齿轮保持一定硬度差; 5)降低m,以降低齿面vs; 6)采用角度变位齿轮,降低啮合始终时的vs; 7)采用修缘齿,使vs大的齿顶不起作用。,现象:齿面沿滑动方向粘焊、撕脱,形成沟痕。, 高速重载:v,t ,油膜破坏, 表面金属直接接触,热胶合;相对运 动,撕裂,沟痕。,8,5、塑性变形,措施:,现象:齿面出现凸脊和凹槽,原因:在过大应力作用下,轮齿材料处于屈 服状态而产生的齿面或齿体塑性流 动:滚压塑变、锤击塑变,第十章 齿轮传动,摩擦力方向,1)提高齿面硬度 2)采用高粘的润滑油 3)润滑油中添加极压添加剂,9,第十章 齿轮传动,(二)设计准则,硬齿面:,由工程实践得知:,主要失效,目前尚无
6、计算方法,按弯曲和接触疲劳强度计算,高速重载还应对抗胶合能力计算,或采取措施抗胶合,闭式传动:,软齿面:保证接触疲劳强度为主,齿面硬齿芯软或脆性料:保证弯曲疲劳强度为主,两齿面具有同硬度:视具体情况而定,开式传动:,保证弯曲疲劳强度。并将求得的模数加大。,10,第十章 齿轮传动,对齿轮材料性能的基本要求:,齿面硬、芯部韧。,10-3、齿轮材料及选用准则,常用齿轮材料,锻钢,铸钢,铸 铁,:灰铸铁较脆,抗冲击、耐磨性较差;抗点蚀、胶合能力较强。 常作为低速、轻载、不太重要的场合。,:仅小齿轮用非金属材料。 适用于高速、轻载、精度不高且要求降低噪声的场合。,非金属,(一)常用齿轮材料,:耐磨性及强
7、度均较好(应退火、常化、调质处理)。 常用于尺寸较大齿轮。,:常用于一般尺寸齿轮,钢,性能好,耐冲击;热处理和化学处理可改善其机械性能,最适于用来制造齿轮。,含碳量为(0.150.6)%的碳素钢或合金钢。,合金钢根据所含合金的性能,能改善材料的韧性、抗冲击性、耐磨性、抗胶合性。,(加工工艺不同、性能不同),11,第十章 齿轮传动,12,第十章 齿轮传动,(二)齿轮材料选用的基本原则,1) 必须满足工作条件的要求:如强度、寿命、可靠性、经济性 等(航空齿轮、矿山机械齿轮、家用电器齿轮用材不同);,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 (铸件、锻件);,3) 火碳钢,只能用于制
8、作在载荷平稳或轻度冲击下工作的齿轮; 调质碳钢可用于在中等冲击载荷下工作的齿轮;,6) 钢制软齿面齿轮,其配对两轮齿面的硬度差应保持在 3050HBS或更多。,4) 合金钢常用于制作高速、重载并在冲击载荷下工作的齿轮;,5) 航空齿轮要求尺寸尽可能小,应采用表面硬化处理的高强度 合金钢;,13,第十章 齿轮传动,10-4、齿轮传动的计算载荷,强度计算所用的载荷,用齿面接触线上,单位长度所受载荷:,实际传动中:,计算时,按接触线上单位长度的最大载荷(计算载荷):,公称法向载荷,接触线长, 原动机、工作机性能的影响 制造误差(基节、齿形)影响,载荷系数,14,第十章 齿轮传动,(一)使用系数KA(
9、表10-2),考虑齿轮啮合时,外部因素引起的附加载荷的影响系数。,(二)动载系数KA(图10-8),考虑齿轮制造误差、运转速度、轮齿刚度变化引起的附加动载荷的影响系数。,分析:,15,第十章 齿轮传动,B1进入接触时, 2齿已压入1齿廓 2齿顶部修缘,B1进入接触时, 1齿已压入2齿廓 1齿顶部修缘,16,第十章 齿轮传动,(三)齿间载荷分配系数K(表10-3),接触线总长: L=QQ+RR,但由于齿距误差及弹性变形:,17,第十章 齿轮传动,(四)齿向载荷分布系数K(表10-4),受力变形,制造误差,安装误差,轴、轴承、支座,改善措施:,1)增大轴、轴承及支座的刚度;,5)轮齿修形(腰鼓齿)
10、。,4)尽可能避免悬臂布置;,3)适当限制轮齿宽度;,2)对称轴承配置;,18,第十章 齿轮传动,圆周力:,径向力:,法向力:,转 矩:,10-5、标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算,(一)轮齿受力分析,不计摩擦力,只考虑法向力。,各力的方向总结:,与1相反,与2相同,指向O1,指向O2,19,第十章 齿轮传动,(二)齿根弯曲疲劳强度计算,pca,20,第十章 齿轮传动,危险截面的抗弯截面模量:,单位齿宽的弯曲应力:,取,与齿廓形状有 关,与模数无关,YFa(齿形系数),齿根理论弯曲应力,21,第十章 齿轮传动,实际计算时,应考虑齿根处应力集中、弯曲应力以外的其它应力的影响应力校正系数Ysa(表1
11、0-5),(验算式),注意:一般YF1 YF2, F1 F2,引入齿宽系数(表10-7),式10-3,(设计式),F1 F2,分别验算:F1 F1 、 F2 F2 ,技巧:验算下列小者,F1 /YFa1Ysa1 、 F2 /YFa2Ysa2,22,第十章 齿轮传动,(三)齿面接触疲劳强度计算,赫兹公式:,其中令:,综合曲率半径,弹性影响系数 (表10-6),将赫兹公式用于齿面接触强度计算时,,应找到pca 1/ 的最大值,并具体算出的值。,23,第十章 齿轮传动,通常大齿齿面较软, 最大应力点在C点、次大在P点、第三大在D点,理论上,应在这三点对大齿齿面接触强度分别验算。但实际上,只以P点进行
12、验算。,由图:, 1 / 最大处, pca / 并非最大。,24,第十章 齿轮传动,C点单对轮齿啮合的起始点。,此时应力虽大,但对大齿轮不一定会构成威胁,D点单对轮齿啮合的终止点。,此时应力也大,可能对大齿轮构成威胁,但该点的H计算较为复杂,且当Z20, D与P点应力值接近,但P点便于计算只计算P点。,齿顶接触强度较大(点蚀先在齿根部发生,才往齿顶部扩展),齿根接触强度较小,25,第十章 齿轮传动,节圆处齿廓曲率半径:,定义齿数比: u= z2 /z1,综合曲率:,又:,代入:,ZH(区域系数),=20, ZH=2.5,(验算式),26,第十章 齿轮传动,齿宽系数代入验算式,(设计式),注意:
13、因H1=H2 ,故公式中应代入H1和H2中较小者。,27,第十章 齿轮传动,(四)齿面强度计算说明,1.载荷系数的处理,假设载荷系数Kt,d1t(或 mt), KV、K、K从而计算K,28,第十章 齿轮传动,2.设计准则,软齿面:保证接触疲劳强度为主,硬齿面:保证弯曲疲劳强度为主,按接触强度进行设计,按弯曲强度校核:,按弯曲强度进行设计,按接触强度校核:,按弯曲强度设计:,29,第十章 齿轮传动,(一)齿轮传动设计参数的选择,1压力角:,2齿数:,一般:闭式齿轮传动: z1=2040,设d1已按接触疲劳强度确定,z1,模 数,重合度,传动平稳,抗弯曲疲劳强度降低,齿高h ,切削量 、滑动率,一
14、般情况下取 =20,10-6 齿轮传动的设计参数、许用应力与精度选择,开式齿轮传动: z1=1720,30,第十章 齿轮传动,3齿宽系数d,齿宽b 、 强度,4齿宽b,大齿轮:b= d d1 小齿轮:b1=b+(510) mm,齿面载荷分布不均(K), d =b/d1,注:标准圆柱齿轮减速器齿宽系数定义为:, a =b/a,=b/0.5d1(1+u),= d /0.5(1+u), d =0.5(1+u) a, a 的系列值:0.2,0.25,0.3, 0.4,0.5,0.6,0.8,1.0,1.2,故设计标准圆柱齿轮减速器时,先选 a ,再计算 d ,再用设计或验算公式。,31,考虑应力循环次
15、数对疲劳极限的影响,第十章 齿轮传动,(二)齿轮传动的许用应力,许用应力:,S疲劳强度安全系数,K N寿命系数,接触疲劳强度:SH=1,弯曲疲劳强度:SF=1.251.5,发生点蚀和断齿的后果是不一样的!,弯曲疲劳寿命系数KFN(图10-18),接触疲劳寿命系数KHN(图10-19),N:应力循环次数,n:齿轮转速(rmin) j :齿轮转一周同侧齿面啮合次数 Lh齿轮的工作寿命(h),32,第十章 齿轮传动,lim 接触疲劳极限,弯曲疲劳强度极限值FE (图10-20),接触疲劳强度极限值Hlim(图10-21),图中,材料品质的三等级:,例:取1、2为主动轮时,2的同侧齿面啮合齿数,33,第十章 齿轮传动,(三)齿轮传动的精度等级,制造和安装齿轮传动装置时,不可避免会产生误差(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)影响齿轮运动准确性用运动精度控制;,3)影响载荷分布均匀性用接触精度控制;,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。,2)影响齿轮传动平稳性用工作平稳性精度控制;,4)影响使用可靠性 用侧隙精度控制;,34,侧隙保证形式: 齿厚下偏差(字母表示),侧隙保证形式: 齿厚