齿轮传动幻灯片

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1、第十章 齿轮传动,1.掌握齿轮传动的优缺点、适用场合、类型及精度选择。2.掌握齿轮失效形式的特点、部位、机理及预防或减轻 失效的措施，针对不同失效形式的设计计算准则。3.掌握选用齿轮材料的基本要求、常用热处理方法，合 理地选用齿轮的配对材料。4.熟练掌握齿轮传动的受力分析方法，要能正确判断各 力的方向。5.掌握齿轮的齿面接触疲劳强度及齿根弯曲疲劳强度的 基本理论及各参数的意义。6.掌握齿轮传动设计步骤和方法，合理地选用齿轮参数。7.理解计算载荷的意义，了解计算载荷中各参数的物理 意义和影响因素 。8.了解齿轮结构的设计方法、齿轮润滑及效率。,基本要求,重点： 1) 齿轮传动的失效形式分析、失效

2、部位及设计准则。 2) 齿轮传动的计算载荷及轮齿受力分析。 3) 圆柱齿轮传动强度计算中的重要基本概念、重要系数的物理意义、影响因素及这些系数对齿轮传动强度的影响。,二、齿轮传动的特点：,1. 效率高；2. 结构紧凑；3. 工作可靠、寿命长；传动比稳定；,5. 制造安装精度要求高，因此 成本高；6.不宜传动距离过大的场合。,10-1 概 述,一、齿轮传动的组成及工作原理：,1.组成：主动轮、从动轮,2.工作原理：齿轮传动是啮合传动，靠主动轮齿和从动轮齿 的相互啮合来传递运动和动力。,1.按装置型式分：1）开式齿轮传动 2）半开式齿轮传动 3）闭式齿轮传动,三. 齿轮传动的类型：,2. 按速度的

3、大小分：高速（v15m/s） 低速（v3m/s）,4. 按齿面的软硬分：硬齿面（HB350或HRC 38） 软齿面（HB350或HRC38）,3. 按载荷大小分： 轻载 重载,四、对齿轮传动的要求： 1. 传动要平稳、准确 2.要具有足够的承载能力,10-2 齿轮传动的失效形式和设计准则,齿轮传动的失效主要是轮齿的失效，而轮齿的失效形式与工作条件、速度、载荷、材料热处理等因素有关，其常见的失效形式有：,一、失效形式：,1.轮齿折断：,折断发生在齿根处,原因,齿根弯曲应力大；齿根应力集中,1）过载折断（淬火钢和铸铁齿轮常见的失效形式）；2）疲劳折断,Fn,1）增大齿根圆角半径消除刀痕；2）增大轴

4、及支承刚度；3）采用合适的材料及热处理；4）喷丸、滚压处理；5）增大模数；,采取措施,2.齿面点蚀：,点蚀一般首先出现在齿根靠近节线处，再向其它部位扩展。,形成原因 轮齿在节圆附近一对齿受力，载荷大；滑动速度低形成油膜条件差。,采取措施： 提高齿面硬度； 加强润滑，提高油的粘度,注意：1）点蚀常发生在闭式软齿面传动中； 2）开式传动主要是磨损，很少出现点蚀。,3.齿面磨损：,措施：1）加强润滑； 2）改开式为闭式传动,原因：相对滑动； 润滑不良； 存在杂质。,采取措施： 1）减小模数，降低齿高（降低滑动速度）； 2）抗胶合能力强的润滑油； 3）两轮采用不同的材料及硬度； 4）提高齿面硬度、降低

5、粗糙度；,4.齿面的胶合：,原因： 高速重载；滑动速度大；散热不良；齿面金属熔化粘连后撕脱热胶合,齿面粘连后撕脱,低速重载，由于齿面间油膜破坏，也会出现胶合冷胶合,5.齿面的塑性变形：,措施：提高材料的硬度， 改善润滑,原因：重载，齿面软,二.设计准则：,10- 3 齿轮材料及选择原则,对材料的基本要求：齿面要硬，齿芯要韧。,一. 常用材料：钢、铸铁、非金属材料。,最常用的是锻钢；在尺寸较大(d 400mm)或结构形状复杂时可采用铸钢。对低速、轻载或开式传动，也可采用铸铁。球墨铸铁也可做钢的代用品。在高速、轻载要求低噪音的传动中，也有用塑料、夹布胶木和尼龙等非金属材料做小齿轮。,轮齿具有足够强

6、度和韧性,抵抗轮齿折断,齿面具有较高的硬度和耐磨性,抵抗齿面点蚀、胶合、磨损、塑性变形,1.表面淬火 用于中碳钢和中碳合金钢。表面淬火硬度可达52 56HRC，由于齿面的硬度高，耐磨性好，而齿芯的韧性较高，用于轻微冲击、要求结构紧凑、无须磨齿的场合。,二、常用热处理方法,金属,钢,铸铁,锻钢,铸钢,ZG310-570等,调质钢 45、40Cr、30CrMnSi、35SiMn等,渗碳钢 20Cr、 20CrMnTi等,氮化钢 38CrAlA 等,HT250、HT200、QT500-5等,3.调质 用于中碳钢和中碳合金钢。调质后齿面硬度一般 为220260HBS。适用于无结构尺寸要求。,4.正火（

7、常化） 正火用于消除内应力，亦适用于机械强度要求不高 的齿轮。,5.渗氮 渗氮后齿面硬度可达60-62HRC，因氮化温度低，轮 齿的变形小，适用于难于磨齿（如内齿轮），又要求齿 面硬度大的场合。,2.渗碳淬火 渗碳钢用于低碳钢和低碳合金钢，表面淬火硬度可 达52-56HRC，齿面的硬度高，耐磨性好，而齿芯的韧性 较高，用于冲击严重、要求结构紧凑的重要齿轮传动。 通常渗碳淬火后要磨齿。,上述5种热处理方法中，3、4 两种方法得到的为软齿面齿轮（HB350），其余 3 种得到硬齿面齿轮（HB350）。,三.齿轮材料的选择原则：,1.工作条件的要求：功率、可靠度、质量、环境2.工艺要求：毛坯选择；热

8、处理方式3.硬度选择：*软齿面硬度350HBS； *软齿面齿轮HBS1-HBS23050（为什么）,说明,10-4 齿轮传动的计算载荷,名义载荷(理论载荷)：,计算载荷(考虑实际因素的载荷)：,1.使用系数KA：是考虑轮齿啮合时外部因素引起的附加载 荷。它主要取决于原动机和工作机的特性、 质量比、联轴器类型及运行状态。,载荷系数,其值见P193表10-2。,2.动载系数KV：,产生原因：,瞬时传动比不是定值,产生冲击和动载荷,1)由制造、安装误差及轮齿受载后变形所引起的基节不等,2)由直齿轮传动中，单、双齿啮合的过渡啮合刚度变化动载荷,采取措施：1）提高制造精度 2）减小齿轮直径降低v 3）齿

9、顶修缘高速、硬齿面,KV的值见P194图10-8,影响因素：,注意：1）此图适用于直齿和 斜齿圆柱齿轮； 2）对于直齿圆锥齿轮， 精度降一级，按vm 查图。,3.齿间载荷分配系数K：,产生原因：,双对齿啮合,轮齿弹性变形和齿距误差,两对齿上载荷分配不均,采取措施：提高制造精度,K的值见P195表10-3,4.齿向载荷分布系数K：,产生原因：1）齿轮相对两轴承不对称配置；2）轴、轴承、支座的变形；3）制造、安装误差。,采取措施：1）增大轴、轴承、支座的刚度；2）对称布置；3）适当地限制齿轮的宽度；4）鼓型轮齿；5）提高制造精度等。,KH的值见P196表10-4，KF的值见P198图10-13,1

10、0-5 标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算,一. 轮齿的受力分析：,力学模型简化：1）作用在齿面上的分布载荷以作用在齿宽中点上的 集中力代替； 2）忽略摩擦力；3）一对齿啮合。,受力大小：Fn分解为 Ft、 Fr,其中：T1小齿轮的扭矩，Nmm;,力的方向：,圆周力：,径向力：,Fr1和Fr2指向各自的轮心,主动轮上Ft1与啮合点圆周速度反向；从动轮上Ft2与啮合点圆周速度同向,kW,r/min,力的方向：,圆周力：,径向力：,Fr1和Fr2指向各自的轮心,主动轮上Ft1与啮合点圆周速度反向；从动轮上Ft2与啮合点圆周速度同向,受力大小：,力的作用点：,啮合齿面的齿宽中点,Fr1,Fr2,Ft1,

11、Ft2,二. 齿根弯曲疲劳强度计算:,建立力学模型：轮齿相当悬臂梁,对于精度较低（7、8、9级）的齿轮假设：1）载荷作用于齿顶； 2）全部载荷由一对齿承受 ； 3）不计齿根的压应力,危险截面确定：用30切线法,沿工作齿廓各点所受的载荷不同结论：齿廓各不同啮合点的齿根弯曲应力不同，单齿啮合的最高点弯曲应力最大。, 危险截面处的弯曲应力：,令：,YFa齿形系数，P197表10-5,渐开线越平,仅与齿数z有关、与模数m无关,考虑齿根应力集中，引入应力修正系数Ysa ，则：,应力修正系数，仅与齿数z有关，P200表10-5, 设计公式,弯曲强度计算公式:, 校核公式,注意事项： 1）F 与b 和 m有

12、关；,2）两齿轮的YFa、 Ysa不同，则： F1 F2 ，若F1 F2取： 代入公式计算,3）设计计算时， 的确定也与 有关。,设计时：,初选,6）提高齿轮弯曲疲劳强度的主要措施：,5）对开式齿轮：只按弯曲疲劳强度设计，然后将模数加大1015,三.齿面接触疲劳强度的计算：,建立力学模型：,（1)渐开线齿廓上各点的曲率半径不同（2）沿工作齿廓各点所受的载荷不同 （有单齿、双齿啮合之分）结论：工作齿廓各点的接触应力不同，在小齿轮 单齿啮合的最低点接触应力最大。,1）两渐开线齿面上的最大接触应力计算:,通常按节点啮合进行计算即：将渐开线齿廓在节点啮合当量成一对 圆柱体接触，再按赫兹公式计算。,令,

13、式中：,其中： 齿数比,接触齿宽（工作齿宽）,将以上各式代入赫兹公式：,式中：,节点区域系数，当 = 20 时，ZH =2.5, 设计公式,2）齿面接触疲劳强度计算:, 校核公式,注意事项： 1）H 与b 和 d1（即z1m）有关，而与z1 和m单项无关；,2）两齿轮 H1= H2 ，若 H1 H2 ，一般取 H min H1 ；H2 代入公式计算,3）两齿轮 齿宽，一般B1 B2 ，取接触齿宽b b min B1 ；B2 代入公式计算， 一般： b = B2，B1 = B2+（510）mm,4）设计计算时， 的确定与 有关。,设计时：,初选,5）提高齿轮接触疲劳强度的主要措施：,10-6 齿轮传动的设计参数许用应力与精度等级,一.齿轮传动参数的选择：,1)重合度增大，传动平稳； 2)模数小，齿高减小，切削量小、降低VS，抗磨损和胶合能力强；但抗弯强度差。,闭式传动：z1 =2040 开式传动 ：z1 =1720,1.压力角：,2.小轮齿数z1：,（d不变，即中心距a为定值）,3.齿宽系数,支承刚度好,对称布置,轴的刚度差,悬臂布置,取小值,取大值,标准减速器齿宽系数为：,