齿轮传动.ppt

优点：效率高；结构紧凑；工作可靠，寿命长；具有稳定的传动比；承载能力高，传递功率和转速适用范围广；,缺点：制造和安装精度要求高，价格贵；振动和噪声较大；不宜用于传动距离过大的场合。,第十二章 齿 轮 传 动,12.1 概 述 齿轮传动是机械传动中最主要的传动形式之一，它在现代机械中应用极为广泛。因此，齿轮传动是本课程重点章节之一。研究齿轮传动首先齿轮失效形式出发，分析各种失效的原因，从而找出各种相应的防止措施和计算准则。12.1.1 齿轮传动的优缺点,12.1.2 分类,按轴的布置方式分,平行轴齿轮传动，相交轴齿轮传动，交错轴齿轮传动；,按齿线相对于齿轮母线方向分,直齿，斜齿，人字齿，曲线齿；,按齿轮传动工作条件分,开式：齿轮外露，不能防尘、周期润滑、精度低半开式：齿轮浸入油池、外装护罩、防尘性差闭式：封闭在箱体内，安装精度高、润滑条件好,按齿廓曲线分,渐开线齿，摆线齿，圆弧齿,按齿面硬度分,软齿面（350HB），硬齿面（350HB）,12.1.3 基本要求,传动平稳，承载能力高。,12.2 齿轮传动的主要参数,12.2.1 主要参数,基本齿廓,模数,中心距,传动比、齿数比 齿数比为齿轮传动中的大齿轮齿数与小齿轮齿数之比。,变位系数,12.2.2 精度等级的选择,12个精度等级 12级为待发展的精度等级，35级为高精度等级，68级为中等精度等级，912级为低精度等级。三个公差组 第一公差组 考虑运动准确性第二公差组 考虑传动平稳性第三公差组 考虑载荷分布均匀性,12.3.1轮齿折断,12.3 齿轮传动的失效形式,按装置形式 开式、半开式、闭式；按使用情况 低速、高速、轻载、重载；按齿轮材料的性能及热处理工艺的不同 轮齿有较脆、较韧 齿面有较硬、较软。失效形式有：轮齿折断、齿面点蚀、齿面胶合、齿面磨损、齿面塑性变形。,疲劳折断,过载折断,起始于轮齿受拉应力一侧,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轮，和斜齿轮,措施：增大齿根圆角半径、增大轴及轴承的刚度、使轮芯具有足够的韧性、提高齿面硬度、减小齿面粗糙度、增大模数、对齿根进行喷丸或碾压等强化处理等。,总 结齿根弯曲疲劳折断（轮齿折断）轮齿在变应力作用下，齿根受载大；又由于在齿根圆角处产生应力集中，轮齿长期工作后，当危险截面的弯曲应力超过材料的许用弯曲应力时，齿根出现疲劳裂纹，裂纹扩展后产生齿根断裂。由于轮齿材料对拉应力敏感，故疲劳裂纹往往从齿根受拉侧开始产生。,点蚀常发生于闭式软齿面（HBS350）传动中,点蚀的形成与润滑油的存在密切相关,12.3.2 齿面接触疲劳磨损（点蚀）,收敛性点蚀，扩展性点蚀。,点蚀首先出现在节线附近的齿根表面上,总结：轮齿工作时齿面受脉动循环变化的接触应力，在接触应力的反复作用下，当最大接触应力超过材料的许用接触应力时，齿面就出现疲劳裂纹，并由于有润滑油进入裂纹，将产生很高的油压，促使裂纹扩展，最终形成点蚀。,原 因 1）节线附近常为单齿对啮合区，轮齿受力与接触应力最大；2）节线处齿廓相对滑动速度低，润滑不良，不宜形成油膜，摩擦力较大；3）润滑油挤入裂纹，使裂纹扩张。现 象 金属微粒剥落，产生的麻点状剥蚀损伤现象。措 施（1）提高齿面硬度和降低表面粗糙度值；（2）在许可范围内采用大的变位系数和，增大综合曲率半径；（3）采用粘度较高的润滑油。,12.3.3 齿面胶合,主要发生在高速重载、低速重载齿轮传动中。,措施：在润滑油中加入极压添加剂；采用修缘齿轮；采用较小的模数；采用适当增大啮合角的变位传动；改善其偏载情况；降低齿面粗糙度；采用粘度大的润滑油等措施。,12.3.4 齿面磨粒磨损,是开式齿轮传动的主要失效形式。,措施：选用合适的齿轮材料和热处理方法；保持润滑油清洁和定期换油；采用合适的润滑和密封装置；选用粘度较高的润滑油和合适的极压添加剂；提高精度；减小齿面粗糙度。,12.3.5 齿面塑性变形,软齿面（如正火齿轮）低速重载、频繁起动和过载传动齿轮。,措施：提高齿面材料的硬度，选用粘度较高的润滑油，,12.3.6 计算准则,闭式软齿面齿轮传动：先按齿面接触疲劳强度进行设计，然后校核齿根弯曲疲劳强度。闭式硬齿面齿轮传动：先按齿根弯曲疲劳强度进行设计，然后校核齿面接触疲劳强度。开式齿轮传动：按齿根弯曲疲劳强度进行设计，并考虑磨损的影响将模数适当增大。高速重载齿轮传动：需校核齿面胶合强度。,主要针对疲劳折断和齿面点蚀这两种失效形式,齿根弯曲疲劳强度齿轮抵抗轮齿疲劳折断的能力,齿面接触疲劳强度齿轮抵抗齿面疲劳点蚀的能力,12.4 齿轮材料及其热处理,12.4.1 齿轮材料,对齿轮材料基本要求：齿面有足够的硬度；轮芯有足够的强度和韧性；具有良好的机械加工和热处理工艺性；价格低。,齿面要硬，齿芯要韧。,金属材料,45号钢,中碳合金钢,铸钢,低碳合金钢,铸铁,非金属材料,选材原则,1）满足工作条件的要求；,4）考虑配对齿轮等强度。,3）考虑经济性；,2）考虑齿轮尺寸大小、毛坯成型热处 理和制造方法；,12.4.2 齿轮热处理,调 质,正 火,表面淬火,渗碳淬火,表面氮化,软齿面350HBS。,改善机械性能，增大强度和韧性,硬齿面。,接触强度高、耐磨性好、可抗冲击,配对齿轮均采用软齿面时：,小齿轮受载次数多，故材料应选好些，热处理硬度稍高于大齿轮（约3050HBS）,(中碳钢或中碳合金钢）,4854HRC（中碳钢或中碳合金钢）,5863HRC（低碳钢或低碳合金钢,1,圆周力,条件：标准齿轮并忽略齿面间的摩擦力,小齿轮转矩N.m,径向力,法向力,小齿轮分度圆直径,分度圆压力角,注意：下标“1”表示主动轮 下标“2”表示从动轮,12.6 圆柱齿轮传动的载荷计算,12.6.1 直齿圆柱齿轮传动的受力分析,各力关系：,各力方向：,Ft1 主动轮上为阻力，方向与回转方向相反。,Ft2 从动轮上为驱动力，与从动轮回转方向相同,Fr1、Fr2分别指向各自齿轮的轮心（外啮合），内齿轮为远离轮心。,例：,注意：各力应画在啮合点上！,12.6.2斜齿圆柱齿轮传动的受力分析,斜齿轮的特点 轮齿呈螺旋形；啮合时接触线倾斜,条件：标准齿轮并忽略摩擦力,圆周力,径向力,轴向力,法向力,n法面压力角,t端面压力角,螺旋角,大小：,各力关系：,各力方向：,例：,圆周力：从动轮上为驱动力，方向与回转方向相同；主动轮上为阻力，方向与回转方向相反。径向力：分别指向各轮轮心（外啮合），内齿轮为远离轮心。轴向力：决定于齿轮的转向和轮齿的旋向，用主动轮左、右手定则判定。,主动轮,从动轮,Fr1,Fr2,Ft1,Ft2,Fa1,Fa2,n1,12.6.3 计算载荷,1、使用系数KA,表征原动机及工作机的性能对轮齿实际所受载荷大小的影响。,2、动载系数KV,考虑齿轮副在啮合过程中因啮合误差和运转速度而引起的内部附加动载荷的系数。,3、齿间载荷分布系数,考虑同时啮合的齿对间，载荷不能按理想状态分配时对轮齿应力影响的系数。,4、齿向载荷分布系数,考虑使轮齿沿接触线产生载荷分布不均匀现象的影响。,12.7 直齿圆柱齿轮传动的强度计算,12.7.1 齿面接触疲劳强度计算,1、强度条件,2、节线（节点）处接触应力,计算点：节点,节点处的曲率半径：,又：u=z2/z1,=d2/d1,并引入K,节点处的接触应力：,重合度系数,3、计算公式,校核公式,令,设计公式,齿轮传动的接触疲劳强度取决于齿轮的直径（或中心距）。,ZE弹性系数，表征材料弹性模量和泊松比对接触应力的影响。,ZH节点区域系数，表征节点处齿廓曲率对接触应力的影响。,Z重合度系数，考虑重合度对单位齿宽载荷的影响。,d齿宽系数，,为了保证轮齿全齿宽接触，可将小齿轮的齿宽增大510mm（锥齿轮、人字齿轮的小齿轮不加宽），计算时以大齿轮宽度为准。,许用接触应力,当用设计公式、校核公式计算时，应将 和 中的小值代入。,当载荷稳定时,当载荷不稳定时,许用应力与材料、齿面硬度、应力循环次数等因素有关,4、分度圆直径的初步计算,初步计算的许用应力为,讨论：,齿面接触疲劳强度主要取决于分度圆直径 d,d 越大，,接触强度,越大,H,越小,齿宽 b 的大小应适当，b 过大会引起偏载,模数的大小对接触强度无直接影响,H1=H2，而H1 H2,设计时，H=minH1,H2,求出 d1 选择 z1 计算 m=d1/z1,为便于装配，取 b1=b2+(510)mm,b2=d d1,b1=b2,b1b2,12.7.2 齿根弯曲疲劳强度计算,1、强度条件,轮齿受载后，相当于悬臂梁,齿根部分弯曲应力最大，是危险截面,假设：全部载荷由一对轮齿承担，并忽略摩擦力,载荷作用于齿顶时的受力分析：,水平分力 F1=FncosF,垂直分力 F2=FnsinF,引起弯曲应力,引起压应力,危险截面的具体位置在哪？,2、齿根弯曲应力,计算点：力作用在顶点，危险截面用30切线法确定，受拉侧。,3、计算公式,校核公式,设计公式,常用30切线法确定危险截面位置,齿根弯曲疲劳强度计算以受拉边为计算依据,力臂为 l，齿根厚为 s,齿形系数，表征齿廓几何形状对弯曲强度的影响。只与轮齿的形状有关（随齿数和变位系数而异），与模数大小无关。,应力修正系数，综合考虑齿根过渡曲线处的应力集中和除弯曲应力外其余应力对齿根应力的影响。,重合度系数，将全部载荷作用于齿顶时的齿根应力折算为载荷作用于单对齿啮合区上界点D时的齿根应力的系数。,许用弯曲应力,当按校核公式计算时，应分别验算大、小齿轮的弯曲疲劳强度，即应满足、。,当按设计公式计算时，应取 和 两者中较大者代入公式。,齿数z1的选择 闭式软齿面传动，z1=2040；开式（半开式）传动，z1=1720；闭式硬齿面传动，齿数不宜过多。,4、模数的初步计算,轮齿单向受力：,轮齿双向受力：,1,1,1,1,12.8 斜齿圆柱齿轮传动的强度计算,12.8.1、齿面接触疲劳强度计算,1、强度条件：,2、节线处齿面接触应力的确定：,节线处有关参数：,法向计算载荷,综合曲率半径,接触线长度,重合度系数,螺旋角系数,考虑用螺旋角使接触线倾斜而对弯曲强度产生有利影响的系数。,校核公式,设计公式,12.8.2 齿根弯曲疲劳强度计算,校核公式,将,代入,设计公式,螺旋角系数Y 考虑因螺旋角使接触线倾斜而对弯曲强度产生有利影响的系数。,齿轮传动主要参数的选择,模数m：主要影响齿根弯曲强度，可按弯曲强度条件设计。圆整为标准值。,齿数Z1：齿数多传动平稳，在中心距不变时可减小模数、减小齿高、减小磨损、抗胶合。闭式：Z1=2040，减磨开式：Z1=1720，轮齿尺寸大，耐磨一般：Z1 17避免根切Z1、Z2应互为质数,分度圆压力角：标准规定=20，航空标准规定=25，以提高齿根强度和齿面强度,齿数比u：u 7，以免传动尺寸过大。,螺旋角：一般=8 20。过小轴向重合度小承载能力提高不明显，过大轴向力大影响轴承寿命。,振动和噪声较大，常用于线速度V5 m/s的场合,轮齿分布在锥面上，逐渐收缩,特点：,载荷沿齿宽分布不均,强度计算点：齿宽中点。,法向力Fn作用于齿宽中点,锥齿轮的强度等同于齿宽中点处的当量直齿圆柱齿轮,半径=锥齿轮齿宽中点背锥母线长度,齿宽=锥齿轮齿宽 b,模数=锥齿轮齿宽中点平均模数mm,12.9 直齿锥齿轮传动,12.9.2 受力分析,大小：,圆周力,径向力,轴向力,方向：圆周力方向在主动轮上与回转方向相反，在从动轮上与回转方向相同；径向力方向分别指向各自的轮心；轴向力方向分别指向大端。且,Fa2,n,Fa1,Fr1,Fr2,Ft1,Ft2,12.9.3 齿面接触疲劳强度,校核公式,设计公式,12.9.4 齿根弯曲疲劳强度计算,校核公式,设计公式,作用,减小摩擦损失、散热及防蚀,方法,人工定期加油润滑,浸油润滑,喷油润滑,开式或半开式传动,V 1215 m/s的闭式传动,V 12 m/s的闭式传动,=123,1啮合中的摩擦损失,2搅油损失,3轴承中的摩擦损失,12.10 齿轮传动的效率和润滑12.10.1 齿轮传动的效率,12.10.2齿轮传动的润滑,润滑方式取决于齿轮的圆周速度。,12.11 齿轮结构,齿轮轴 当齿轮的分度圆直径与轴的直径相差很小时，可做成齿轮轴。,实心式齿轮 当da 200mm,则可做成实心式,腹板式齿轮当da 500mm时,为了减少质量和节约材料,通常采用腹板式结构,轮辐式齿轮da400mm,多采用轮辐式的铸造结构,镶套式齿轮大直径的齿,为节省材料,可采用镶套 式齿圈,焊接式齿轮单件生产而尺寸过大又不利于铸造的齿轮,可采用焊接结构,