机械设计基础第十一章齿轮传动.ppt

第十一章 齿 轮 传 动 P.164,前 言轮齿的失效形式及计算准则齿轮的材料齿轮传动的精度齿轮传动作用力分析及计算载荷直齿圆柱齿轮传动齿面接触强度计算直齿圆柱齿轮齿根弯曲疲劳强度计算斜齿圆柱齿轮传动直齿圆锥齿轮传动齿轮的构造齿轮传动的润滑和效率,介绍直齿圆柱、斜齿圆柱、直齿圆锥齿轮传动的设计。,按工作 条件 分 类,按载荷 情况分 类,闭式传动,硬齿面 HBS350,开式传动,齿轮传动的分类:,低速轻载:V13m/S;Fn510KN,中速中载:3m/SV10m/S;,10KNFn50KN,高速重载:V10m/S;Fn50KN,软齿面 HBS350,前 言,11-1 轮齿的失效形式及计算准则 P.159,(一)轮齿的失效形式,疲劳折断,过载折断,全齿折断(齿根)(直齿),局部折断(斜齿受载不均),1.折断,闭式硬齿面、脆性材料齿轮传动的主要破坏形式,(二)齿轮传动常用计算准则,疲劳折断：轮齿受的弯曲应力是循环变化的，在齿根的过渡圆角处具有较大的应力集中。易发生轮齿疲劳折断。,过载折断：齿轮受到过载或冲击时,引起轮齿的突然折断。,发生部位：一般出现在齿根表面靠近节线处。（载荷大；速度低难形成油膜),图11-211-4,H反复裂纹扩展麻点状脱落,2.齿面失效,闭式软齿面齿轮传动的主要破坏形式。,1)齿 面 疲 劳 点 蚀,当齿面所受的压力很大且润滑效果差，或压力很大而速度很高时，由于发热大，瞬时温度高，相啮合的齿面发生粘联现象，此时两齿面有相对滑动，粘接的地方被撕裂。这叫热胶合。,润滑失效表面粘连沿运动方向撕裂,低速重载的齿轮，油膜遭破坏也发生胶合现象。这时齿面温度无明显增高，这种胶合冷胶合。,高速重载、低速重载闭式传动的主要破坏形式。,2)齿 面 胶 合,齿形破坏,1）磨粒磨损：由于金属微粒，灰石砂粒进入齿轮引起的磨损。2）跑合磨损：一般指新机器。,开式齿轮传动易发生磨粒磨损。,3)齿 面 磨 粒 磨 损,齿面沿摩擦力方向塑性变形主凹、从凸,低速重载软齿面闭式传动的主要破坏形式。,4)齿 面 塑 性 变 形,折断:,疲劳折断过载折断,全齿折断(齿根)(直齿),局部折断(斜齿受载不均),H反复裂纹扩展麻点状脱落靠近节线的齿根表面,齿面胶合:,齿面磨粒磨损:,润滑失效表面粘连沿运动方向撕裂,磨粒磨损齿形破坏,齿面塑性变形:,齿面沿摩擦力方向塑性变形主凹、从凸,齿面点蚀:,.齿面失效:,*闭式传动,*开式传动,*闭式高速重载传动,软齿面硬齿面,齿面点蚀,轮齿折断,齿面磨粒磨损,齿面胶合,*低速重载软齿面,齿面塑性变形,3.各种场合的主要失效形式,(二)齿轮传动常用计算准则:,防齿面点蚀,防轮齿折断,齿面接触疲劳强度计算求中心距a,齿根弯曲疲劳强度计算求模数,常用的计算方法:,硬齿面(折断):,按齿面强度设计(先求a)按弯曲强度校核,按弯曲强度设计(先求m)按齿面强度校核,按弯曲强度设计(求m)考虑磨损将F(0.70.8)(许用弯曲应力),软齿面(点蚀):,1.齿面要硬,齿芯要韧 2.易于加工及热处理,一对齿轮材料的 基本要求:,二.常用的齿轮材料,三.常用热处理,11-2 齿轮的材料 p.165,四.钢制齿轮加工工艺过程：,二.常用的齿轮材料 表11-1,p.166,钢,用于开式、低速传动的齿轮强度差,易成型 1.灰口铸铁 HT200、HT300 2.球墨铸铁 QT500-7,用于小功率、速度高低噪音,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)1.锻钢钢材经锻造,性能提高最常用 45、35SiMn、42SiMn、40Cr、35CrMo 2.铸钢齿轮较大(d400600)时采用 ZG310-570、ZG340-640,铸铁,非金属材料,四.钢制齿轮加工工艺过程：,热(正)切齿表面硬化处理(淬火、氰化、氮化),坯料热(正、调)切齿(一般8级、精切7级),正火、调质HBS1=HBS220 50,渗氮,低碳钢渗碳淬火,中碳钢表面淬火,三.常用热处理：,软齿面(中)：硬齿面：,相对运动 储存润滑剂,组:传递运动的准确性组:传递运动的平稳性组:载荷分布的均匀性,12级,常用69级,二.齿轮精度,三.齿轮副侧隙,一.齿轮精度等级,标准齿轮:理论上(分度圆)齿厚=齿槽 实际上齿厚齿槽,齿轮副侧隙 齿厚减簿,精度等级的选择表11-2 P.168,113齿轮传动的精度 P.167,安装制造误差影响正常工作 精度,(二)斜齿圆柱齿轮传动作用力分析(三)直齿圆锥齿轮传动作用力分析(四)计算载荷,11-4齿轮传动作用力分析及计算载荷 P.168,Fr,Fn,Ft,设一对标准齿轮正确安装，齿廓在C点接触，略去f不计轮齿间的总压力为n,沿啮合线指向齿面,一.n 的分解：,对n进行分解：,沿半径方向指向齿面,沿分度圆切线方向指向齿面,(一)直齿圆柱齿轮传动作用力分析 图11-5,Ft2T11(11-1)FrFtg(11-1a)Fn Ft cos(11-1b)1:小齿轮转矩mm,1:小齿轮分度圆直径mm,:压力角,P功率kw，转速r/min,二.作用力的大小：,三.作用力的方向及判断,与1 反向 与2 同向,t2(从):,由啮合点指向轮心(外),Ft2,Fr2,Fr1,Ft1,Fr1,Fr2,Ft2,示意图,Ft1,C,1,2,Ft2,Ft1,Fr2,Fr1,V,(二)斜齿圆柱齿轮传动作用力分析 p.176,右,右,左,左,一.n 的分解：,其轮齿沿螺旋线方向均匀地分布在圆柱体左、右旋,Fn,1,过C建立OXYZ坐标,Fr,Ft,Fa,n,圆周力t：沿分度圆 切线方向指向齿面,轴向力a：与轴线 平行并指向齿面,径向力r：沿半径方 向指向齿面,切面：F=Ft/cos attg法面：Fr=F tg n,圆周力:t21d1,径向力:rttgncos,轴向力:attg,二.作用力的大小：,F,三.作用力的方向及判断：,Ft1,Fr1,Ft1,Fr1,Fr2,Ft2,Fr2,Fa1,Fa1,Fa2,Fa2,Ft2,主动轮用左右手定则(左旋左手、右旋右手、四指转向、拇指轴向),示意图,tt1（主）:与1 反向 t2（从）：与2 同向 r 由啮合点指向轮心 a,*配对齿轮旋向相反,Ft1,Ft2,Fr1,Fr2,Fa1,Fa2,Ft3,Fr3,Fa3,Ft4,Fr4,Fa4,*同轴齿轮旋向相同(非同级齿轮),例题：设斜齿圆柱齿轮传动的转动方向及螺旋线方向如图所示,试分别画出各轮的t、r、a的方向以及确定轮3和轮4的螺旋线方向。,(三)直齿圆锥齿轮传动作用力分析 P.179,二.作用力的大小:,分度圆锥角,当1+2=90sin 1=cos2sin2=cos1,法面：F=Fttg 轴面：Fr=F cos Fa=F sin,F,t21m1,rttgcos,attgsin,Fn,Ft,Fa,Fr,一.n 的分解：,与斜齿轮同,Fr2,a 由小端指向大端,Ft1,Ft2,Fa1,Fa2,Fr1,示意图,三.作用力的方向及判断：,计算载荷公式:Fca=KFn Fn名义载荷 K载荷系数,查表11-3 P.169,(四)计算载荷 p.169,引入原因(1)载荷集中现象(2)附加动载荷,作业：P187 11-9 11-16,主要内容：齿轮传动作用力分析及计算载荷,11-5直齿圆柱齿轮传动齿面接触强度计算 P.170,（一）强度公式建立的依据,（二）强度计算公式,1.以赫兹公式为基础一对圆柱 体(线接触)接触面上的接触应 力H H,2.以节点作为计算点 以齿 廓节点处的作为圆柱体 的半径,泊松比 E1,E2 弹性系数Fn轮齿上的法向力；b齿宽E综合弹性模量;综合曲率半径,（三）接触强度计算分析思路:,二.齿面接触疲劳强度公式:,1.校核公式(尺寸参数已知校核齿面强度),当 一对钢制齿轮E1=E2=2.06 105 MPa 1 20.3,20。,式中:H轮齿齿面接触应力 Mpa;T1小轮传递的转矩 Nmm;中心距 mm;K载荷系数(表11-3,P.169);u齿数比(uZ大Z小);b(大)齿轮的宽度mm,b=b2,b1=b2+(510)。,2.设计公式,H轮齿的许用接触应力MPa,Hlim查表(11-1)p.166SH查表(11-5)p.171,Hlim(Mpa),(按齿面强度确定主参数中心距),当 一对钢制齿轮E1=E2=2.06 105 MPa 1 20.3,20。,中心距(d1),成对计算取较小 H代入计算,当一对齿轮的材料、传动比、齿宽系数一时，轮齿的表面接触强度仅取决于,H1 H2;H1 H2,（三）接触强度计算分析思路:,舍去,11-6直齿圆柱齿轮齿根弯曲疲劳强度计算,（一）强度公式建立的依据:P.166,1.载荷作用在齿顶,仅由一对轮齿承担(79级),2.30切线法确定危险截面 图11-8,（二）强度计算公式:,一.公式的建立：,2.求W:,F2,Fn,F1,F,(弯曲)(压),1.求M:,30,YF:齿形系数与齿形(尺寸比例)有关,与m无关 ZYF F,令：,斜:ZV=Z/cos3锥:ZV=Z/cos,=YF,YF齿形系数,YF一齿形系数 查图11-8 p.173;Z1一小轮齿数 F一许用弯曲应力MPa,1.校核公式:,2.设计公式:,a齿宽系数；u齿数比,二.强度计算公式:,Flim弯曲疲劳极限(表11-1 P.166)SF安全系数 表11-4,p.171,三.弯曲强度计算说明:,当轮齿单侧工作,F 当轮齿双侧工作,F,F1 F2;F1 F2,轮齿的弯曲强度主要取决于，必取标准值 查表(4-1)p.57。传递动力齿轮模数m1.5mm,分别计算,分别校核,0(脉动循环应力),1(对称循环应力),校核时:设计时:,取 与 中较大者计算,1宜取多(2040)保证平稳,1不宜过多(2030)平稳,弯曲强度,1宜取少 保证轮齿弯曲强度 1 17(1720)(标准齿轮),重合度大，平稳性好m小，轮齿弯曲强度差,小轮齿数1:,按主要失效形式决定,按齿面强度设计按弯曲校核,按弯曲强度设计按齿面校核,按弯曲强度设计考虑磨损将 F(0.70.8),(三)计算方法:,例11-1:,某两级直齿圆柱齿轮减速器用电动机驱动，单向转，载荷有中等冲击。高速级传动比i 3.7,高速轴转速745 rmin,传动功率P17kw，采用软齿面，试计算此高速级传动。,解:1.选材料,定 H,F:P.175,2.按齿面接触强度计算:,(1)选8级精度(表11-2 P.162);取载荷系数K=1.5 选齿宽系数a=0.4,(2)求1=9.55106 P1/n 1=2.18105 Nmm u=Z2/Z1=i=3.7,(3)按接触强度初求 中心距 a=220.2 mm,(5)求中心距 a,齿宽b:a=m(Z1+Z2)/2=225mm b=aa=90mm=b2,b1=b2+5=95mm,3.校核轮齿弯曲强度,(1)查齿形系数F(图11-8 P.173):YF1=2.57,YF2=2.18,(2)验算弯曲应力 F1=64.9Mpa F1=185Mpa F2=F1 YF2/YF1=55.1Mpa F2=138Mpa 安全,(3)求圆周速度:V=3.74m/S 所选精度合适 表(11-2)P.168。,(4)选齿数Z并求模数:取Z1=32,Z2=uZ1118 m=2a/(Z1+Z2)=2.94mm,取m=3mm,作业：P187 11-3,主要内容：直齿圆柱齿轮传动齿面接触强度计算和齿根弯曲疲劳强度计算,斜齿轮强度:,斜齿轮传动的特点:,1.重合度大承载力大,直齿轮,Zv=Z/cos3,与法面当量直齿圆柱齿轮的相当,11-8 斜齿圆柱齿轮传动 p.170,2.轮齿接触线倾斜逐渐进入 及退出啮合平稳,注意,Mpa(11-8),mm(11-9),校核,设计,一对钢制标准斜齿轮,(一)接触强度公式,求 选Z、=820求mn,取标准重计,取整修正(精确到小数后34位)(d、da、df),Mpa(11-10),mm(11-11),注意:1.YF用ZV查图11-8,校核,设计,二.弯曲强度公式,2.设计先选Z 1、=820求mn,取标准求 取整修正(精确到小数后34位)(d、da、df),11-9直齿圆锥齿轮传动 p.179,只介绍=90直齿圆锥齿轮传动的强度设计,其轮齿在分度圆锥上与轴线相交(分度圆锥角)沿齿宽d,m,齿廓大小均不同大端齿廓大承载力大,小端反之载荷沿齿宽分布不均假设Fn集中作用于齿宽中点处,即dm处。(me,d 大端),正确啮合条件:,me1=me2(大),Re1=Re2(外锥距),以齿宽中点处的当量直齿圆柱齿轮作为强度计算依据,ZV=Z/cos,(一)齿面接触强度公式 P.181(=90,钢),校核公式:,设计公式:,齿宽系数 R=b/Re,Re外锥距mm;b齿宽mmu齿数比,求Re 选齿数Z1、Z2求me,mm平均模数mmYF齿形系数(按ZV查 图11-9 p.167)m1小齿轮齿寛中点的分度圆直径mm,(二)齿根弯曲强度公式:P.181,校核公式:,(11-20),设计公式:,(11-22),(11-21);me大端模数mm,(三)锥齿轮接触强度分析:,1.ZVmin=17,Zmin=ZVmincos=17cos17,取Z=1630;R=0.250.32.锥齿轮接触强度,弯曲强度直齿轮3.锥齿轮加工困难,(尤其是m较大)改变轴的方向 才采用尽量置于高速轴,使m。4.锥齿轮精度低,振动噪音大用于V较低处,11-10 齿轮的构造 p.179,由直径确定,齿轮轴(22.5)mn,齿轮轴,腹板式齿轮,轮幅式齿轮,(一)齿轮传动的润滑,(二)齿轮传动的效率,开式传动,人工定期(油或脂),表11-9 P.186,喷油润滑:V12m/S,最高油面,最低油面,11-11齿轮传动的润滑和效率 p.184,闭式传动,作业：P187 11-9,主要内容：斜齿圆柱齿轮和直齿圆锥齿轮传动强度计算的特点、齿轮的构造特点、齿轮传动的润滑和效率,