机械创新设计教学课件作者王志平2.2课件

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1、任务2 齿轮传动设计,学习情境2 机械部件传动系统设计,目录,2.2.1 学习目标,2.2.2 任务描述,2.2.3 任务分析,2.2.4 相关知识,2.2.5 任务实施,了解齿轮传动的类型和特点 了解齿廓啮合基本定律、渐开线性质及渐开线齿廓的啮合特性 了解齿轮传动的失效形式及设计准则 掌握直齿圆柱齿轮、斜齿圆柱齿轮、直齿圆锥齿轮的基本参数及几何尺寸计算 熟悉直齿、斜齿、圆锥齿轮的强度计算,齿轮机构的应用与分类 渐开线齿轮几何尺寸计算 渐开线直齿圆柱齿轮传动的正确啮合条件 齿轮传动的失效形式及设计准则 标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算 标准斜齿圆柱齿轮传动的强度计算 标准直齿锥齿轮传动的强度计算

2、 齿轮结构,标准直齿圆柱齿轮设计 标准直齿锥齿轮设计,2.2.2 任务描述,2011年全国职业院校技能大赛高职组“机械部件创新设计与制造”竞赛中，某参赛队的传动机构选用图a和图b所示的齿轮传动，试按竞赛规程要求设计该机构。,(a),(b),2.2.3 任务分析,齿轮传动是机械传动中应用最广泛的一种，常用于传递两轴间的动力及运动，可将风轮轴的高速运动经过减速传递到执行机构，以满足执行机构的要求，同时有效地提高执行机构的动力。齿轮机构包括直齿圆柱齿轮、斜齿圆柱齿轮、直齿圆锥齿轮等类型，要完成齿轮传动设计，需要对齿轮机构的类型和特点有一定的了解，并掌握直齿圆柱齿轮、斜齿圆柱齿轮、直齿圆锥齿轮的基本参

3、数及几何尺寸的计算方法，熟悉直齿圆柱齿轮、斜齿圆柱齿轮、圆锥齿轮的强度计算方法。,2.2.4 相关知识 齿轮传动的类型,2.2.4 相关知识 齿轮传动的类型（续）,制造和安装精度要求高，成本高。 低精度齿轮传动时噪声和振动较大。 不适于距离较大的两轴间的运动传递等。,适应性广。 传动比恒定。 效率较高，齿轮机构传动效率一般在95以上。 工作可靠，寿命较长。 可以传递空间任意两轴间的运动。,2.2.4 相关知识 齿轮传动特点,齿轮传动依靠主动齿轮与从动齿轮的啮合，传递运动和动力。,优点,缺点,2.2.4 相关知识 渐开线标准直齿圆柱齿轮的基本参数,齿轮各部分的名称及符号,2.2.4 相关知识 标

4、准直齿圆柱齿轮的几何尺寸,注： “”中上面符号用于外齿轮，下面符号用于内齿轮。 中心距计算公式上面符号用于外啮合齿轮传动，下面符号用于内啮合齿轮传动。,2.2.4 相关知识 齿条,标准齿条,齿条可以看做齿轮的一种特殊形式。 当齿轮的齿数增大到无穷大时，其圆心将位于无穷远处，这时该齿轮的各个圆周都变成直线，渐开线齿廓也变成直线齿廓，并且齿条运动为平动。 齿条直线齿廓上各点的压力角相等，其大小等于齿廓倾斜角，即齿形角，故齿条的齿形角为标准值。,由于齿条上同侧齿廓平行，所以在与分度线平行的其他直线上的齿距均相等，为p=m，但只有在分度线上 其他尺寸可参照直齿标准齿轮计算。,2.2.4 相关知识 渐开

5、线直齿圆柱齿轮正确啮合的条件,一对渐开线齿轮在传动时，它们的齿廓啮合点都应该在啮合线N1N2上。因此，要使处于啮合线上的各对齿轮轮齿都能正确地进入啮合，两齿轮的相邻两齿同侧齿廓间的法线距离应相等，以保证位于啮合线上的各对齿轮都能同时进入啮合。 两齿轮要正确地啮合，它们的法节(法向齿距、基圆齿距)必须相等。 渐开线齿轮正确啮合的条件为两齿轮的模数相等、压力角相等。即m1=m2=m，1=2=。,2.2.4 相关知识 齿轮正确安装条件,两齿轮的中心距a应等于两齿轮分度圆半径之和，这个中心距称为标准中心距，用a表示。按照标准中心距进行的安装称为标准安装。 一对渐开线标准齿轮按照标准中心距安装能同时满足

6、标准顶隙和无侧隙啮合条件。,齿轮正确安装,齿轮齿条的正确安装,当齿轮分度圆与齿条分度线相切时称为标准安装，标准安装时，保证了标准顶隙和无侧隙啮合，同时齿轮的节圆与分度圆重合，齿条节线与分度线重合。故传动啮合角 等于齿轮分度圆压力角 ，也等于齿条的齿形角。,2.2.4 相关知识 连续传动条件,连续传动条件,(a)B1B2=P,(b)B1B2P,(c)B1B2P,B1B2为实际啮合线，N1N2 为啮合极限点,恰好能够连续传动,传动不能连续进行,传动不仅能够连续进行，而且还有一段时间为两对齿同时啮合,2.2.4 相关知识 齿轮的主要失效形式,2.2.4 相关知识 齿轮的主要失效形式（续）,2.2.4

7、 相关知识 齿轮的材料,1.钢,（1）锻钢 软齿面齿轮（HBS350） 将齿轮毛坯经过正火处理或调质处理后精加工，切齿后即为成品，一般可达8级精度，精切时可达7级精度。这类齿轮制造简便、生产率高，成本低。 硬齿面齿轮（HBS350） 高速、重载及精密机械所用的重要齿轮，要求轮齿强度高、齿面具有高硬度（硬度为5865HRC）外，还应进行磨齿等精加工。目前多为先切齿，再做表面硬化处理（表面淬火、渗碳、氮化等），必要时进行精加工，精度可达5级或4级。 （2）铸钢 当齿轮直径较大（ d400mm）时，或齿轮的结构形状复杂时，由于齿轮毛坯不便锻造，可选用铸钢制造。由于铸造齿轮的内应力较大，故应进行退火或

8、正火处理。,2.2.4 相关知识 齿轮的材料,2.铸铁,灰铸铁的抗胶合性能及抗疲劳点蚀性能较好，铸铁中的石墨又有自润滑作用，但抗弯性能和抗冲击性能较差，常用于低速、工作载荷平稳、传递功率不大的场合，特别是开式齿轮传动。高强度的球墨铸铁作为齿轮新材料，其力学性能远高于灰铸铁，与铸钢接近，因而得到越来越广泛的应用。,3.非金属材料,非金属材料齿轮在承受同样的工作载荷时，其接触应力小，但硬度、接触强度和弯曲强度都较低。因此非金属材料齿轮传动常用于高速、轻载、精度不高或要求噪音较低的场合，与之相啮合的齿轮应采用钢或铸铁制造，以利于散热。,2.2.4 相关知识 标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算,轮齿所受总

9、作用力Fn（法向力），在分度圆上可分解为切于分度圆的切向力Ft和沿半径方向并指向轮心的Fr。,切向力,径向力,法向力,主动轮Ft的方向与其转向相反 从动轮Ft的方向与其转向相同 径向力Fr的方向指向各自的轮心（外齿轮）,1.轮齿的受力分析,2.2.4 相关知识 标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算,2.载荷与载荷系数,由于各种因素的影响，齿轮工作时实际所承受的载荷通常大于名义载荷，因此，在强度计算中，用载荷系数K考虑各种影响载荷的因素，以计算载荷Fnc代替名义载荷Fn。,表 载荷系数K,2.2.4 相关知识 标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算,3.齿面接触疲劳强度计算,目的：防止“点蚀”； 接触应力的计

10、算点： 节点 力学模型： 将一对轮齿的啮合简化为两个圆柱体接触的模型。 齿面接触疲劳强度的校核公式为： 齿面接触疲劳强度的设计公式：,ZE齿轮材料弹性系数； ZH节点区域系数，标准直齿轮正确安装时ZH =2.5； d齿宽系数， d =b/d1（b为大齿轮宽度）； H两齿轮中较小的许用接触应力； u齿数比，“”分别用于外啮合、内啮合齿轮。,2.2.4 相关知识 标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算,4.齿根弯曲疲劳强度计算,目的：防止疲劳断齿； 将轮齿简化为悬臂梁； 按30切线法确定齿根危险截面； 按在齿顶啮合计算齿根应力； 轮齿弯曲强度校核的公式为： 计算模数m的设计公式：,YFS齿形系数； F弯曲

11、疲劳许用应力,2.2.4 相关知识 标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算,5.设计参数的选择及许用应力,（1）齿数z 对于软齿面的闭式传动，在满足弯曲疲劳强度的条件下，宜采用较多齿数，一般取z1=2040。因为当中心距确定后，齿数多，则重合度大，可提高传动的平稳性。 对于硬齿面的闭式传动，首先应具有足够大的模数以保证齿根弯曲强度，为减小传动尺寸，宜取较少齿数，但要避免发生根切，一般取z1=1720。 （2）模数m 模数影响轮齿的抗弯强度，一般在满足轮齿弯曲疲劳强度条件下，宜取较小模数，以增大齿数，减少切齿量,2.2.4 相关知识 标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算,5.设计参数的选择及许用应力,（3）齿

12、宽系数d 齿宽系数是大齿轮齿宽b和小齿轮分度圆直径d1之比。增大齿宽系数，可减小齿轮传动装置的径向尺寸，降低齿轮的圆周速度。但是齿宽越大，载荷分布越不均匀。为便于装配和调整，常将小齿轮齿宽加大510mm，但设计计算时按大齿轮齿宽计算。 （4）接触疲劳许用应力H,Hlim接触疲劳极限 SH疲劳强度的最小安全系数，通常SH =1，对于损坏后会引起严重后果的，可取SH=1.251.35 ZN接触疲劳寿命系数,2.2.4 相关知识 标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算,5.设计参数的选择及许用应力,（5）弯曲疲劳许用应力F 齿宽系数是大齿轮齿宽b和小齿轮分度圆直径d1之比。增大齿宽系数，可减小齿轮传动装置的

13、径向尺寸，降低齿轮的圆周速度。但是齿宽越大，载荷分布越不均匀。为便于装配和调整，常将小齿轮齿宽加大510mm，但设计计算时按大齿轮齿宽计算。 （4）接触疲劳许用应力H,Flim齿轮单向受载时的弯曲疲劳极限; SF疲劳强度的最小安全系数，通常SF=1，对于损坏后会引起严重后果的，可取SF=1.5; YN弯曲疲劳寿命系数,2.2.4 相关知识 标准斜齿圆柱齿轮机构的基本参数,2.2.4 相关知识 标准斜齿圆柱齿轮传动强度计算,将 Fn 分解：,切向力：,径向力：,轴向力：,1.轮齿的受力分析,轴向力Fa的方向： 用“主动轮左右手法则”判断。,2.2.4 相关知识 标准斜齿圆柱齿轮传动强度计算,2.

14、齿面接触疲劳强度计算,用螺旋角系数 Z 计入轮齿倾斜使齿面接触应力减小的影响，对直齿轮的接触强度公式进行修正，得斜齿轮的强度计算公式： 校核公式： 设计公式：,Z螺旋角系数,2.2.4 相关知识 标准斜齿圆柱齿轮传动强度计算,3.齿根弯曲疲劳强度计算,通常按斜齿轮的当量直齿轮计算其齿根弯曲疲劳强度，并引入螺旋角系数Y 计入轮齿倾斜的影响，得： 校核公式： 设计公式：,YFS齿形系数,2.2.4 相关知识 标准直齿锥齿轮传动的参数,直齿锥齿轮传动的几何参数,2.2.4 相关知识 标准直齿锥齿轮传动的强度计算,1.轮齿的受力分析,用集中作用于齿宽中点处的法向力 Fn 代替轮齿所受的分布力。 将Fn

15、分解为：切向力Ft，径向力Fr和轴向力Fx。,轴向力Fx的方向总是由锥齿轮的小端指向大端。,2.2.4 相关知识 标准直齿锥齿轮传动的强度计算,2.齿面接触疲劳强度计算,按齿宽中点处的当量圆柱齿轮计算直齿锥齿轮的齿面接触疲劳强度； 忽略重合度的影响。 校核公式： 设计公式：,ZE齿轮材料弹性系数； ZH节点啮合系数，标准齿轮正确安装时ZH=2.5。 强度公式中其他参数与直齿圆柱齿轮完全相同。,2.2.4 相关知识 标准直齿锥齿轮传动的强度计算,3.齿根弯曲疲劳强度计算,校核公式： 设计公式：,YFS齿形系数,2.2.4 相关知识 齿轮精度等级的确定,2.2.4 相关知识 齿轮的结构,2.2.5

16、 任务实施,如图所示直齿圆柱齿轮传动，已知i=3，n1=2800r/min，传递功率P=15W，工作平稳，单向传动，每天工作12h，工作期限10年。,（1）选定齿轮材料、确定热处理工艺、齿轮精度等级及齿轮齿数；,（2）计算确定弯曲疲劳许用应力,（3）确定设计准则,（4）确定弯曲疲劳强度设计公式中的相关参数,（5）确定基本参数,（6）计算齿轮圆周速度，验证精度选择是否合适,（7）计算齿轮的几何尺寸,（8）确定齿轮的结构尺寸,（9）绘制齿轮零件工作图,2.2.5 任务实施,如图所示直齿锥齿轮传动，已知i=2.5，n1=2800r/min，传递功率P=15W，工作平稳，单向传动，每天工作12h，工作期限10年。,（1）选定锥齿轮材料、确定热处理工艺、齿轮精度等级及齿轮齿数；,（2）计算确定弯曲疲劳许用应力,（3）确定设计准则,（4）确定弯曲疲劳强度设计公式中的相关参数,（5）确定基本参数,（6）计算锥齿轮圆周速度，验