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1、第三篇 机械传动一一 传动的重要性传动的重要性工作机与原动机的运动形式和速度大小不同工作机与原动机的运动形式和速度大小不同工作机的变速要求工作机的变速要求一台原动机带动若干不同速度工作机一台原动机带动若干不同速度工作机工作机与原动机分开工作机与原动机分开二二传动的分类传动的分类机械传动机械传动摩擦传动摩擦传动啮合传动啮合传动摩擦轮传动摩擦轮传动 带传动带传动齿轮、蜗杆传动齿轮、蜗杆传动链、同步带传动链、同步带传动螺旋传动螺旋传动101 概述概述一一齿轮传动的特点齿轮传动的特点二二 工作可靠，传动比稳定，结构紧凑，工作可靠，传动比稳定，结构紧凑，三三 效率高，寿命长。效率高，寿命长。 二二 齿轮
2、传动的分类齿轮传动的分类: (按工作条件分类按工作条件分类) 软齿面软齿面 HBS350硬齿面硬齿面 HBS350闭式传动闭式传动 开式传动开式传动(半开式传动）半开式传动）第十章第十章 齿轮传动齿轮传动 102 轮齿的失效形式及计算准则轮齿的失效形式及计算准则(一一)轮齿的失效形式轮齿的失效形式 1.轮齿折断轮齿折断（开式或硬齿） 疲劳折断疲劳折断 2. 齿面点蚀齿面点蚀（闭式软齿面）过载折断过载折断 （脆性（铸铁或硬齿）加冲击）全齿折断全齿折断 (直齿齿根裂纹扩展所至）缺角缺角 (斜齿接触线为斜线) 靠近节线的齿根表面靠近节线的齿根表面有点状脱落，有点状脱落， 出现凹坑出现凹坑点蚀点蚀原因
3、：原因： 交变的H反复作用裂纹扩展 摩擦力的作用带动表面材料 油压的作用促使裂纹扩展5. 塑性变形塑性变形 应力过大应力过大材料屈服材料屈服塑性流动塑性流动 齿面变形齿面变形4. 齿面磨损齿面磨损 (开式)油不净油不净磨料磨损磨料磨损齿形破坏齿形破坏 齿根减薄（根部严重）齿根减薄（根部严重）断齿断齿 3.齿面胶合齿面胶合 (高速、重载) 压力大、温度高压力大、温度高润滑失效润滑失效表面粘连表面粘连沿运动方沿运动方 向撕裂向撕裂(二二) 设计准则设计准则 防齿面点蚀防齿面点蚀防轮齿折断防轮齿折断齿面接触疲劳强度齿面接触疲劳强度计算求尺寸d 或a 限制接触应力限制接触应力齿根弯曲疲劳强度齿根弯曲疲
4、劳强度计算求模数 限制弯曲应力限制弯曲应力 闭式闭式软软齿面齿面以保证以保证接触接触疲劳强度为主疲劳强度为主 闭式闭式硬硬齿面齿面 以保证以保证弯曲弯曲疲劳强度为主疲劳强度为主 开式传动开式传动以保证以保证弯曲弯曲疲劳强度为准则疲劳强度为准则 103 齿轮的材料及其选择原则齿轮的材料及其选择原则 1.齿面要硬, 齿芯要韧 2.易于加工及热处理 3.软齿面齿轮齿面配对硬度差为3050HBS(一一). 对齿轮材料的基本要求对齿轮材料的基本要求(二二). 常用的齿轮材料常用的齿轮材料 1.钢钢含碳量为0.10.6常用 性能最好(可通过热处理提高机械性能) 锻钢锻钢钢材经锻造, 性能提高最常用 45、
5、35SiMn、42SiMn、40Cr、35CrMo (2)铸钢铸钢齿轮较大(d400600)时采用 ZG310-570、ZG340-640 成本高 2. 铸铁铸铁用于开式、低速齿轮，强度差，易成型 灰口铸铁灰口铸铁 HT200、HT300 球墨铸铁球墨铸铁 QT500-7 3.非金属材料非金属材料用于小功率、速度高低噪音 软齿面软齿面： 正火、调质 两轮材料相同时，采用不同的热处理 硬齿面硬齿面： 低低碳钢渗碳淬火碳钢渗碳淬火 中中碳钢表面淬火碳钢表面淬火(三三). 常用热处理：常用热处理：(四四). 钢制齿轮加工工艺过程钢制齿轮加工工艺过程 坯料热(正)切齿表面硬化处理(淬火、氰化、 氮化)
6、精加工（磨齿）软齿面齿轮软齿面齿轮： 坯料热(正、调)切齿(一般8级、精切7级) 硬齿面齿轮：硬齿面齿轮： 104 齿轮传动的计算载荷齿轮传动的计算载荷齿轮沿接触线的平均线载荷p为： p=Fn/L （N/mm） Fn法向载荷L接触线长计算载荷：计算载荷： pca=Kp=KFn/L载荷系数：载荷系数： K=KAKVKK1 使用系数使用系数KA影响因素：原动机、工作机的机械特性 表102考虑外部因素引起的附加动载荷影响考虑外部因素引起的附加动载荷影响Fn3 齿间齿间载荷分配系数载荷分配系数K4 齿向载荷分布系数齿向载荷分布系数K影响因素：齿轮的精度、圆周速度 图108影响因素：齿轮的精度、齿面硬度
7、 表103影响因素：精度、齿面硬度 、齿宽、齿轮相对轴 承的位置 表104 图10-13考虑齿轮副双齿啮合时各考虑齿轮副双齿啮合时各齿对载荷齿对载荷分配不均匀分配不均匀的影响的影响考虑载荷沿轮齿齿宽考虑载荷沿轮齿齿宽分布不分布不均匀均匀的影响的影响2 动动载荷系数载荷系数KV考虑齿轮副本身因误差、变形带来考虑齿轮副本身因误差、变形带来 冲击而引起的附加动载荷影响冲击而引起的附加动载荷影响 假设：单齿对啮合，力作用在节点，不计f ， 轮齿间的轮齿间的法向力法向力n n, , 沿啮合线指向齿面。沿啮合线指向齿面。圆周力圆周力t：沿节圆切线方向指向齿面沿节圆切线方向指向齿面(一) 轮齿的受力分析 1
8、05 标准直齿圆柱齿轮传动强度计算标准直齿圆柱齿轮传动强度计算1. n 的分解的分解：圆周力圆周力t ：径向力径向力r ：径向力径向力r ：沿半径方向指向齿面（轮心）沿半径方向指向齿面（轮心）n 2. 作用力的大小作用力的大小：1 小齿轮传递的转矩mm1 小齿轮节圆直径mm; 啮合角(10-3)3. 作用力的方向判断及关系：作用力的方向判断及关系：t1(主主):Ft1Fr1Ft1Fr1Fr2Ft2Ft2Fr2r1 r2与与1 反反向向 与与2 同同向向t2 (从从) :分别指向各自轮心分别指向各自轮心：画受力图时，各分力画在啮合点上关系：t1 = t2 r1 = r2t计算点：法向力n作用在齿
9、顶且假设 为单齿对啮合，轮齿为悬臂梁危险截面：齿根某处30切线法确定拉应力拉应力加速裂纹扩展加速裂纹扩展只计弯曲拉应力只计弯曲拉应力(二二) 齿根弯曲疲劳强度计算齿根弯曲疲劳强度计算齿根危险截面的弯曲应力为：齿根危险截面的弯曲应力为：弯曲强度校核公式：弯曲强度校核公式：令：令：齿形系数齿形系数 表105 考虑齿根应力集中的影响齿根应力集中的影响引进应力校正系数应力校正系数YSa， YFa、YSa与模数无关，只与齿形（齿数）有关其中：Ft=2T1d1 d1=mz1齿宽系数齿宽系数 ：d=bd1 （ 重要）重要） 表107(10-5a)弯曲强度设计公式：弯曲强度设计公式：(三三) 齿面接触疲劳强度
10、计算齿面接触疲劳强度计算 由公式计算出 模数去套标准套标准有曲率的齿廓接触点接触应力赫兹公式(10-5)令：pca=FcaL计算点：节点计算点：节点单齿对啮合单齿对啮合综合曲率半径为综合曲率半径为综合曲率半径综合曲率半径 弹性影响系数弹性影响系数 表106曲率半径曲率半径=？则有：u=z2z1（=d2d1=i ）齿数比齿数比标准齿轮，节圆标准齿轮，节圆=分度园分度园，则1=d1sin2 代入得：区域系数区域系数，标准直齿为2.5 齿面接触齿面接触强度强度 校核公式校核公式若将ZH= 2.5 代入，可得：齿面接触强度齿面接触强度设计公式设计公式齿面接触强度公式齿面接触强度公式（四）齿轮传动强度计
11、算说明（四）齿轮传动强度计算说明 因配对齿轮因配对齿轮H1 =H2，按，按接触设计时取接触设计时取 H 1 与与H 2的的较小者较小者代入设计公式代入设计公式 2. 硬齿面齿轮传动，材料、硬度一样，设计时硬齿面齿轮传动，材料、硬度一样，设计时 分别按两种强度设计，取较大者为计算结果分别按两种强度设计，取较大者为计算结果(10-8a)(10-9a)弯曲强度公式：弯曲强度公式： 3. 因Z1Z2YFa1YSa1与与YFa2YSa2不同不同F1 与F2不同即两轮弯曲应力不同两轮弯曲应力不同，而F1与与F2不同 设计取取 比值YFa1YSa1 F1与与YFa2YSa2 F2 的的较大者较大者代入代入4
12、.设计时，初选K=Kt=1.21.4计算出d1t(mnt)5. 计算KvKK计算K修正齿轮传动的设计参数选择齿轮传动的设计参数选择106 齿轮传动的设计参数、许用应力与精度选择齿轮传动的设计参数、许用应力与精度选择 压力角压力角的选择的选择: 一般齿轮 =20； 航空用齿轮=25 齿数的选择：齿数的选择： d1一定，齿数一定，齿数1 重合度重合度平稳性好平稳性好 m小小加工量加工量，但齿轮弯曲强度差，但齿轮弯曲强度差闭式闭式软齿面软齿面 ：1宜取多提高平稳性，1 =2040开式或闭式硬开式或闭式硬齿面齿面：1宜取少保证轮齿弯曲强度 1 17 (ha*=1,C*=0.25) 齿轮传动的许用应力齿
13、轮传动的许用应力 d b 承载能力 表107 但载荷分布不 均匀应取得适当 计算（实用）齿宽 ： b= d d1 B1=b+58 B2=b 疲劳强度安全系数疲劳强度安全系数 S 接触：接触： S=SH=1 弯曲弯曲: S=SF=1.251.5 齿宽系数齿宽系数d 的选择：的选择：齿轮的许用应力：齿轮的许用应力： 齿轮的疲劳极限齿轮的疲劳极限lim ：接触：接触：lim=Hlim_ 依材料、热处理、硬度查图1021弯曲弯曲: lim=FE 依材料、热处理、硬度查图1020 取中间偏下值，即在取中间偏下值，即在MQ与与ML中间选值中间选值寿命系数寿命系数KN考虑应力循环次数影响考虑应力循环次数影响
14、接触：接触： KN = KHN_ 由N查图1019弯曲弯曲: KN = KFN 由N查图1018 N=60njLh n齿轮的转速（rmin） j齿轮转一周时，同一齿面参加啮合的次数 Lh齿轮的工作寿命 Lh=年数年数300班数班数8（h） 齿轮精度的选择（表齿轮精度的选择（表108） 齿轮设计基本步骤齿轮设计基本步骤选材料、精度、选材料、精度、Z、d设计计算（设计计算（d或或m）（校核计算）（校核计算）尺寸计算尺寸计算 结构设计及零件图结构设计及零件图由接触、弯曲设由接触、弯曲设计出模数，依强度计出模数，依强度特点取其中一个套特点取其中一个套标准。适当调整齿标准。适当调整齿数数107 标准斜齿
15、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1. 旋向旋向:左、右旋左、右旋 的判断的判断(-分度圆柱上的螺旋角分度圆柱上的螺旋角) 右右 左左（一）（一） 作用力分析作用力分析2. n 的分解的分解： 轴向力轴向力a 与轴线平行并指向齿面与轴线平行并指向齿面 轴向力轴向力a的判断的判断 依依主动轮主动轮左或右旋定左或右手左或右旋定左或右手 四手指代表轮转向，握拳大拇四手指代表轮转向，握拳大拇 指指向为方向指指向为方向 （ 不能用在从动轮上）不能用在从动轮上）左右手定则：左右手定则： 3. 作用力的大小作用力的大小：圆周力圆周力t 径向力径向力rn4.主从关系：主从关系：t1 = t2
16、 r1 = r2 a1 = a2 配对齿轮旋向相反 分析：分析： 平稳性好，但平稳性好，但a 轴承轴承要求高，要求高， 一般取一般取 =820 采用人字齿轮可消除轴向力可取采用人字齿轮可消除轴向力可取 =1540 Ft1Fr1Ft1Fr1Fr2Ft2Fr2左Fa1Fa1Fa2Fa2Ft2 右斜齿轮受力分析：1.接触线长度：接触线长度： 接触线倾斜接触线倾斜 + 重合度重合度接触线长度接触线长度=2.计算载荷：计算载荷： 系数系数K类似于直齿类似于直齿（二）（二） 计算载荷计算载荷 由于由于的影响，接触线倾斜，计算弯矩的力臂相当的影响，接触线倾斜，计算弯矩的力臂相当于减少，斜齿的弯曲应力也减少，
17、引进螺旋角影响系数于减少，斜齿的弯曲应力也减少，引进螺旋角影响系数Y Y，图图10281028（三）（三） 齿根弯曲疲劳强度计算齿根弯曲疲劳强度计算轴面重合度轴面重合度齿根弯曲疲劳强度计算公式齿根弯曲疲劳强度计算公式 YFa、YSa由zv=zcos3查表斜齿直齿（四）（四） 齿面接触疲劳强度计算齿面接触疲劳强度计算综合曲率半径：综合曲率半径：代入得：区域系数区域系数 图1030 齿面接触疲劳强度计算公式齿面接触疲劳强度计算公式斜齿直齿 斜齿传动接触线倾斜，当大齿轮齿根出现点蚀时，齿斜齿传动接触线倾斜，当大齿轮齿根出现点蚀时，齿 顶部位仍可承担载荷，因此接触许用应力取决于两者。顶部位仍可承担载荷
18、，因此接触许用应力取决于两者。（五）（五） 斜齿轮传动设计计算说明斜齿轮传动设计计算说明 (1)初选螺旋角初选螺旋角 一般一般=1215 (2)接触许用应力接触许用应力H 与直齿不同与直齿不同 (3)法面模数法面模数n 套标准取值套标准取值 (4)几何尺寸计算：几何尺寸计算：中心距中心距a取整数取整数修正修正角角计算直径、齿宽计算直径、齿宽108 标准直齿圆锥齿轮传动的强度计算标准直齿圆锥齿轮传动的强度计算（一）设计参数（一）设计参数（=90）标准值标准值大端参数大端参数设计计算设计计算齿宽中点处齿宽中点处 当量齿轮当量齿轮锥距锥距齿数比齿数比平均分度园直径平均分度园直径齿宽系数齿宽系数齿宽中
19、点当量齿轮分度园半径齿宽中点当量齿轮分度园半径齿宽中点当量齿轮齿数齿宽中点当量齿轮齿数齿宽中点当量齿轮齿数比齿宽中点当量齿轮齿数比齿宽中点当量齿轮齿数齿宽中点当量齿轮齿数Z1Z2（二）（二） 轮齿的受力分析轮齿的受力分析1. n 的分解：的分解：同斜齿轮同斜齿轮2. 作用力的大小作用力的大小Ft1Ft2Fa2Fr1Fr2a 由小端指向大端由小端指向大端t1 =t2r1 =a2 a1 =r2Fa13. 主从关系主从关系（三）（三） 齿根弯曲疲劳强度计算齿根弯曲疲劳强度计算系数系数k与直齿不同与直齿不同 P226（四）（四） 齿面接触疲劳强度计算齿面接触疲劳强度计算1010 齿轮的结构设计齿轮的结
20、构设计齿轮的齿轮的结构结构形式形式: 由直径确定由直径确定 实心齿轮实心齿轮 腹板式齿轮腹板式齿轮 轮幅式齿轮轮幅式齿轮 组装式齿轮组装式齿轮齿轮轴齿轮轴 (22.5)mt （轮与轴同材料）轮与轴同材料）实心齿轮实心齿轮腹板式齿轮腹板式齿轮齿轮轴齿轮轴(22.5)mt轮幅式齿轮轮幅式齿轮 小小 结结 软齿面软齿面 HBS350 1.分类分类 闭式传动闭式传动 硬齿面硬齿面 HBS350 开式传动开式传动 2.失效形式失效形式: 折断、点蚀、磨损折断、点蚀、磨损 胶合、塑性变形胶合、塑性变形 计算准则计算准则:齿面接触疲劳强度计算齿面接触疲劳强度计算 齿根弯曲疲劳强度计算齿根弯曲疲劳强度计算 设
21、计计算时，公式中许用应力的取值设计计算时，公式中许用应力的取值 闭式闭式传动传动: 软软齿面齿面(点蚀点蚀) 硬硬齿面齿面(折断折断): 开式开式传动传动: (磨损磨损):按齿面强度设计按齿面强度设计按弯按弯曲强度校核曲强度校核按弯曲强度设计按弯曲强度设计按按齿面强度校核齿面强度校核 按弯曲强度设计按弯曲强度设计(求求m ) 考虑磨损将计得的增大考虑磨损将计得的增大10153.常用的计算方法常用的计算方法: 轮轮1主动：轮主动：轮2双齿侧双齿侧工作，弯曲应力为对称工作，弯曲应力为对称 循环，循环， 啮合次数为啮合次数为1 轮轮2主动：轮主动：轮2单齿侧单齿侧工作，弯曲应力为脉动循环，工作，弯曲应力为脉动循环， 啮合次数为啮合次数为2输入输出位置合理吗？输入输出位置合理吗？
