标准直齿圆柱齿轮传动的失效形式.ppt

输送机齿轮减速器典型零部件的设计与选用,学习情境三,任务一：齿轮的设计与选用,任务一：齿轮的设计与选用,图3-1b所示为输送机齿轮减速器装配图，根据已知条件计算可得：中间轴传递功率P=4.87kW，转速n=315.2r/min，二级齿轮传动比i23=3.5.载荷平稳，空载启动。单向连续运转，试设计此减速器中间轴上的圆柱齿轮传动。,齿轮传动的类型、特点；,渐开线标准直齿圆柱齿轮基本参数、几何尺寸计算、啮合传动特性与传动条件；,标准直齿圆柱齿轮传动的失效形式；,标准直齿圆柱齿轮常用的材料、传动精度及其选用方法；,标准直齿圆柱齿轮的设计计算；,标准直齿圆柱齿轮基本参数的选择；,标准直齿圆柱齿轮的结构类型和确定方法；,标准直齿圆柱齿轮的设计方法与计算步骤。,任务知识,掌握齿轮传动的类型、标准直齿圆柱齿轮基本参数及几何尺寸计算方法；,掌握标准直齿圆柱齿轮传动的失效形式及设计准则；,掌握闭式齿轮传动设计时，齿轮强度设计公式的使用方法；,能够根据齿轮传动工作工况，正确选定齿轮材料；,掌握标准直齿圆柱齿轮基本参数选择时经验值的应用及齿轮结构类型的确定方法；,掌握标准直齿圆柱齿轮的设计方法与计算步骤；,了解齿轮传动有关国家标准及行业标准，熟练运用（查选）齿轮传动设计时所需的各类图表；,任务技能,知识链接,2,3,优点:工作可靠，使用寿命长，瞬时传动比为常数，传动效率高，结构紧凑，功率和速度适用范围广。缺点：齿轮制造需专用设备，成本高；传动比是有级的，而不是无级的；精度低时，振动和噪音较大；不宜用于轴间距离大的传动。,知识链接,齿轮传动的类型,2,齿轮传动,平面齿轮传动(圆柱齿轮）,空间齿轮传动,直齿圆柱齿轮传动,斜齿圆柱齿轮传动,相交轴传动（锥齿轮传动）,交错轴传动,内啮合,外啮合,齿轮齿条,内啮合,外啮合,齿轮齿条,直齿,斜齿,交错轴斜齿轮传动,蜗杆蜗轮,准双曲面齿轮,曲线齿,人字齿齿轮传动,1、按轴的布置方式,平行轴,交错轴,相交轴,2、按工作条件：,3、按齿廓曲线：,渐开线常用摆线计时仪器圆弧承载能力较强,开式适于低速及不重要的场合半开式农业机械，建筑机械及简单机械设备，只有简单防护罩闭式润滑、密封良好，汽车、机床及航空发动机等齿轮传动中,4.按使用情况：动力齿轮以动力传输为主，常为高速重载或低速重载传动。传动齿轮以运动准确为主，一般为轻载高精度传动。,5.按齿面硬度：软齿面齿轮（齿面硬度350HBS）,硬齿面齿轮（齿面硬度350HBS）,1、渐开线的形成,2、渐开线的性质（1）发生线沿基圆滚过的线段长度等于基圆上被滚过的相应弧长。（2）渐开线上任意一点法线必然与基圆相切。因为当发生线在基圆上作纯滚动时，切B点为渐开线上K点的曲率中心，BK为其曲率半径和K点的法线。（3）渐开线上各点的曲率半径不同。随着K点离基圆愈远，相应的曲率半径愈大；而K点离基圆愈近，相应的曲率半径愈小。A点的曲率半径为零。（4）渐开线的形状只取决于基圆大小。基圆越大，渐开线越平直，当基圆半径趋于无穷大时，渐开线变成直线。齿条的齿廓就是这种直线齿廓。（5）基圆内无渐开线。（6）渐开线上各点的压力角不相等。,渐开线齿廓的压力角。,作用于渐开线上K点的正压力FN方向(法线方向)与点K的速度vK方向所夹的锐角K称为渐开线在K点的压力角。齿廓上各点压力角是变化的。基圆半径rb为定值，所以渐开线齿廓上各点的压力角不相等，离中心愈远(即rK愈大)，压力角愈大，基圆上的压力角b=0。,1、渐开线齿轮各部分的名称和符号,齿轮圆周上轮齿的数目称为齿数,用z表示。,2、渐开线直齿圆柱齿轮的基本参数,(1)模数 m,模数单位为mm，标准模数见表（小模数、中等模数与大模数）。它是确定齿轮尺寸的重要参数，也是齿轮强度计算的一个重要参数。,齿轮的分度圆是计算齿轮各部分尺寸的基准，其圆周长为 则,齿数、模数、压力角、齿顶高系数及顶隙系数,不同模数齿轮的比较,（2）压力角（齿形角）渐开线齿廓在分度圆上的压力角。用表示。,我国规定标准压力角为=20(此外，在某些场合也采用14.5、15、22.5及25)。可以给分度圆一个完整的定义：分度圆是设计齿轮时给定的一个圆，该圆上的模数m和压力角均为标准值。,3、标准直齿轮的几何尺寸计算,标准齿轮：标准齿轮是指m、ha*、c*均取标准值，具有标准的齿顶高和齿根高，且分度圆齿厚等于齿槽宽的齿轮。,一个齿轮：,d=mz da=d+2ha=(z+2 ha*)mdf=d-2hf=(z-2 ha*-2 c*)mdb=dcos,ha=ha*mhf=(ha*+c*)mh=ha+hf=(2 ha*+c*)mP=m,一对标准齿轮：,m、z决定了分度圆的大小，而齿轮的大小主要取决于分度圆，因此m、z是决定齿轮大小的主要参数,轮齿的尺寸与m，ha*，c*有关与z无关,至于齿形，与m，z，有关,渐开线标准圆柱内齿轮几何尺寸,da=d2ha=m(Z2ha*)df=d-2hf=m(Z-2ha*-2c*)a=(d1d2)/2=m(Z1Z2)/2,1、渐开线齿轮传动的啮合特性,（1）五线合一,一对具有渐开线齿廓齿轮的啮合传动，是依靠主动齿轮的齿廓推动从动齿轮的齿廓来实现的。五线合一：啮合线、过啮合点的公法 线、基圆的公切线和正压力作用线、发生线五线合一。图中：B1为啮合终止点 B2为啮合起始点 B1B2为实际啮合线段 N1N2为理论啮合线段 N1、N2为极限啮合点,（2）传动比恒定性：,两齿廓正确啮合时既不分离,也不相互嵌入,即在公法线上的分速度相等,有:,渐开线齿廓满足齿廓啮合基本定律。,连心线与齿廓接触点的公法线的交点称为啮合节点。过节点所作的两个相切的圆称为节圆。传动比与节圆半径成反比。即：一对相互啮合的齿廓无论在任何位置啮合，其两轮的传动比恒等于连心线被齿廓接触点的公法线所分成的两段的反比。这就是齿廓啮合基本定律。满足齿廓啮合基本定律的一对齿廓称为共轭齿廓。渐开线齿廓是应用最广泛的共轭齿廓。,（3）啮合角不变,啮合线与两节圆公切线所夹的锐角称为啮合角，用表示。显然，齿轮传动啮合角不变，正压力的大小、方向也不变。因此，传动过程比较平稳；传力性能良好。,cos=rb1/r1=rb2/r2=常数,（4）中心距可分性：,O2N2,O1N1,=,=,rb2,rb1,上式表明：渐开线齿轮的传动比等于两轮基圆半径的反比，为一常数。安装时若中心距略有变化不会改变传动比大小，此特性称为中心距可分性。,5,2、渐开线直齿圆柱齿轮的正确啮合条件,一对齿相邻两齿同侧齿廓间在啮合线上的法线距离(法向齿距)相等，如图所示的k1k2线段。由渐开线的性质可知：pb1=pb2,m1cos 1=m2cos 2,由,推导出：,结论：m1=m2=m，1=2=200,推论：,5,3、渐开线直齿圆柱齿轮的连续传动的条件,为了使齿轮传动不至中断，在轮齿相互交替工作时，必须保证前一对轮齿尚未脱离啮合时，后一对轮齿就应进入啮合。为了满足连续传动要求，前一对轮齿齿廓到达啮合终点K1时，尚未脱离啮合时，后一对轮齿至少必须开始在K2点啮合，此时线段K1K2恰好等于Pb。所以，连续传动的条件为：。的比值称为齿轮传动的重合度，用表示。即，一般取：=1.11.4；标准齿轮有：12,5,4、标准安装中心距,标准安装：顶隙C为标准值，侧隙为零,能实现无侧隙啮合,标准中心距：,顶隙,标准值,一对模数和压力角都相等的标准齿轮要想标准安装，必须两轮的分度圆相切，即分度圆与节圆重合,6、齿轮传动的失效形式,轮齿折断,齿面疲劳点蚀,齿面磨损,轮面胶合,齿面塑性变形,轮齿象一个悬臂梁，受载后齿根部 产生的弯曲应力最大。当该应力值超过材料的弯曲疲劳极限时，齿根处产生疲劳裂纹，并不断扩展使轮齿断裂。此外，突然过载、严重磨损及安装制造误差等也会造成轮齿折断。是闭式硬齿面钢齿轮和铸铁齿轮传动的主要失效形式,提高轮齿抗折断能力的措施：增大齿根圆角半径，消除加工刀痕以降低齿根应力集中；增大轴及支承物的刚度以减轻局部过载的程度；对轮齿进行表面处理以提高齿面硬度。,轮齿工作面某一固定点受到近似脉动的交变应力作用，由于疲劳而产生的麻点状剥蚀损伤的现象。点蚀是闭式传动常见的失效形式。开式齿轮由于磨损很少出现点蚀。点蚀首先出现在节线附近。,主要措施：提高齿面硬度；降低齿面粗糙度；增大润滑油粘度；采用合 理变位。,灰尘、砂粒、金属微粒等落入轮齿间，会使齿面间产生摩擦磨损。严重时会因齿面减薄过多而折断。磨损是开式传动的主要失效形式。,主要措施：采用闭式传动；提高齿面硬度；降低齿面粗糙度；采用清洁的润滑油。,高速重载传动中，齿面间压力大，瞬时温度高，润滑油膜被破坏，齿面间会发生粘接在一起的现象，在轮齿表面沿滑动方向出现条状伤痕，称为胶合。,防止胶合的措施：提高齿面硬度；降低齿面粗糙度；增大润滑油粘度；限制油温。,重载且摩擦力很大时，齿面较软的轮齿表面就会沿摩擦力方向产生塑性变形。,措施：提高齿面硬度；增大润滑油粘度。,主动齿轮齿面所受摩擦力背离节线，齿面在节线附近下凹；从动齿轮齿面所受摩擦力指向节线，齿面在节线附近上凸。,7、齿轮的常用材料及选用,双击添加标题文字,由轮齿的失效分析可知，齿轮材料的基本要求：齿面硬、齿芯韧(1)齿面应有足够的硬度，以抵抗齿面磨损、点蚀、胶合以及塑性变形等；(2)齿芯应有足够的强度和较好的韧性，以抵抗齿根折断和冲击载荷：(3)应有良好的加工工艺性能及热处理性能，使之便于加工且便于提高其力学性能。,最常用的齿轮材料是钢，此外还有铸铁及一些非金属材料等。,双击添加标题文字,1锻钢 锻钢因具有强度高、韧性好、便于制造、便于热处理等优点，大多数齿轮都用锻钢制造。锻钢包括各种牌号的优质非合金和合金结构钢，是齿轮制造常用的材料。,2铸钢 当齿轮直径较大（400mm）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。铸钢的耐磨性及强度均好，但由于铸造齿轮的内应力较大，故应当经过退火或正火处理。,3铸铁 灰铸铁的抗弯性能和抗冲击性能较差，但抗胶合性能及抗疲劳点蚀性能尚好，铸铁中的石墨又有自润滑作用，主要用来制造低速、工作载荷平稳、传递功率不大，以及对结构尺寸和重量无严格要求的齿轮传动，特别是开式齿轮传动。高强度的球墨铸铁作为齿轮新材料，其力学性能比灰铸铁好，与铸钢接近，因而得到越来越广泛的应用。,双击添加标题文字,双击添加标题文字,双击添加标题文字,材料选用,(1)软齿面齿轮：齿面硬度350HBS，常用中碳钢和中碳合金钢，如45钢40Cr，35SiMn等材料，进行调质或正火处理。这种齿轮适用于强度。精度要求不高的场合，轮坯经过热处理后进行插齿或滚齿加工，生产便利、成本较低。在确定大、小齿轮硬度时应注意使小齿轮的齿面硬度比大齿轮的齿面硬度高3050HBS，这是因为小齿轮受载荷次敷比大齿轮多，且小齿轮齿根较薄。为使两齿轮的轮齿接近等强度，小齿轮的齿面要比大齿轮的齿面硬一些。(2)硬齿面齿轮 硬齿面齿轮的齿面硬度大于350HBS，常用的材料为中碳钢或中碳合金钢经表面淬火处理。,8、渐开线圆柱齿轮的精度,国家标准对齿轮及齿轮副的精度规定了13个精度等级，第0级的精度最高，第12级的精度最低。齿轮副中两个齿轮的精度等级一般取成相同，也允许取成不相同。具体选择据传动用途、使用条件、传动功率、圆周速度及经济性选择。齿轮15个公差项目；齿轮副6个公差项目 齿轮每个精度等级的公差根据对运动准确性、传动平稳性和载荷分布均匀性等三方面要求，划分成三个公差组，即第I公差组、第II公差组、第III公差组。在一般情况下，可选三个公差组为同一精度等级，但也允许根据使用要求的不同，选择不同精度等级的公差组组合。但在同一公差组内，各项公差与极限偏差应保持相同的精度等级。第III公差组一般不得低于第II公差组的精度等级。,各类机器所用齿轮传动的精度等级范围,6级是高精度等级，用于高速、分度等要求高的齿轮传动，一般机械中常用78级，对精度要求不高的低速齿轮可使用912级。,齿轮精度的标注标注齿轮的精度和齿厚偏差代号,直齿圆柱齿轮的设计计算,9,1、齿轮轮齿的受力分析,以节点P 处的啮合力为分析对象，不计啮合轮齿间的摩擦力，可得：,啮合传动中，轮齿的受力分析,2、轮齿的计算载荷,Fnc=KFn Fn：名义载荷 Fnc：计算载荷（考虑到齿轮、轴、支承等的制造误差、安装误差以及在载荷作用下的变形等因素的影响，轮齿沿齿宽方向的作用力并非均匀分布，存在着载荷局部集中现象，以及由于原动机与工作机的载荷变化，以及齿轮传动的各种误差所引起的传动不平稳引起的附加动载荷的影响）K：为载荷系数,3、齿轮强度计算,轮齿强度设计理论 齿轮传动在具体的工作条件下，必须有足够的工作能力，以保证齿轮在整个工作过程中不致失效，齿轮传动的设计计算必须针对齿轮传动某种失效形式进行。目前，工程实际应用的计算方法是：齿根的弯曲疲劳强度计算和齿面的接触疲劳强度计算,强度校核公式：,强度设计公式：,（1）齿面的接触疲劳强度计算（点蚀）,3、齿轮强度计算,注意：1.相互啮合的一对齿轮其齿面接触应力是相同的。2.相互啮合的一对齿轮其许用接触应力一般不同，若校核接触强度或按接触强度设计齿轮传动，应选H1 与H2中的较小值代入计算公式。3.齿轮的齿面接触疲劳强度取决于小齿轮直径d或中心距a的大小，d或a减小，增大,3、齿轮强度计算,强度校核公式：,强度设计公式：,（2）齿根弯曲疲劳强度计算（折断）,3、齿轮强度计算,3、齿轮强度计算,齿轮传动设计准则：闭式软齿面（HB350）齿轮传动（点蚀）：先按齿面接触疲劳强度进行设计，然后再校核轮齿的弯曲疲劳强度。硬齿面（HB350）齿轮传动（折断）：先按轮齿弯曲疲劳强度进行设计，然后再校核齿面接触疲劳强度。铸铁齿轮传动：则只需计算轮齿的弯曲疲劳强度。开式齿轮传动（磨损）：通常只按轮齿弯曲疲劳强度的设计公式计算模数，然后可根据具体情况，把求得的模数加大1015%，无需校核接触疲劳强度。,3、齿轮强度计算,10、齿轮传动设计参数的选择,齿数和模数,传动中心距,齿数比,齿宽系数和齿宽,齿轮传动设计包括强度计算、几何尺寸计算和结构设计，设计参数的选择是齿轮传动强度设计中的关键，也是齿轮几何尺寸计算和齿轮结构设计的基础。,当d1已按接触疲劳强度确定时，,z1,m,重合度,传动平稳,抗弯曲疲劳强度降低,齿高h,减小切削量、降低成本,10、齿轮传动设计参数的选择,（1）齿数和模数,模数和齿数选择的原则：保证齿根弯曲疲劳强度的条件下，小模数多齿数,一般情况下，软齿面闭式齿轮传动:z1=2440 Z1+Z2最好取100200 硬齿面闭式及开式齿轮传动:z1=1720 z2=uz1,10、齿轮传动设计参数的选择,齿轮传动中心距a是在按齿面接触疲劳强度计算出d1，或按齿根弯曲疲劳强度计算出模数m，并选定齿数z1和z2后由计算得到的。中心距应当圆整为5的整数。如果计算出的中心距不是末位为0或5的整数，可按公式调整齿数或模数，但调整后的中心距a不得小于保证接触疲劳强度所需要的中心距。,10、齿轮传动设计参数的选择,齿数比与传动比i的意义不同，齿数比是大齿轮齿数与小齿轮齿数之比，其值大于1；而传动比是主动齿轮的转速与从动齿轮的转速之比，其大小等于从动齿轮的齿数与主动齿轮的齿数之比。对于减速传动，显然=i；而对于增速传动，=1/i。齿轮传动设计时，值不宜现在过大，以免因大齿轮的直径过大而使整个装置的尺寸过大。通常直齿圆柱齿轮传动取5，斜齿圆柱齿轮传动取6；当6时宜采用多级传动。对于齿数比（传动比）要求不高的传动，调整齿数后齿数比（传动比）误差，允许不超过（3%5%）。,10、齿轮传动设计参数的选择,由齿轮的强度计算公式可知，增大齿宽系数，可以减小齿轮直径和中心距，使齿轮传动结构紧凑并降低齿轮的圆周速度。但是，增大齿宽系数使得齿宽增大，而齿宽越大，载荷沿齿宽分布的不均匀性就越严重，从而增大齿面接触疲劳应力或齿根弯曲疲劳应力。一般齿轮传动的齿宽系数值d查书中表3-8。对于减速器中的齿轮传动，常用以中心距表示的齿宽系数，是齿宽b与中心距a之比。轻型减速器d=0.20.4；中型减速器d=0.40.6；重型减速器d=0.8；在减速器中，一般将小齿轮做得比大齿轮宽510mm，而将大齿轮的宽度做得与啮合宽度相等。,通过齿轮传动的强度计算，只能确定齿轮的主要参数，如模数、齿数、分度圆直径、齿顶圆直径、齿宽等，而齿圈、轮毂、轮辐等结构型式和尺寸大小等，通常都是由齿轮的结构设计来确定的,通常齿轮的结构型式和各部分的尺寸，主要是根据经验和齿轮的加工工艺确定，即先根据齿轮的直径和所选定的材料，选定合适的结构型式，然后再按照推荐的经验公式或数据，来确定齿轮各部分的尺寸，最后完成结构设计。,结构型式：,（1）齿轮轴；（2）实心式齿轮；（3）辐板式齿轮；（4）轮辐式齿轮；（5）组合式齿轮,（1）齿轮轴,d为齿轮分度圆直径与ds为轴的直径相差很小，d 1.8 ds 时，将齿轮和轴制成材料相同的整体，称为齿轮轴,齿轮轴的刚性很大，但轴必须与齿轮用同一种材料制造，材料成本较高，而且轴和齿轮其中之一损坏时，二者将同时报废而造成浪费。,当齿轮的齿顶圆直径da200mm 时，可采用实体式结构。这种结构型式的齿轮常用锻钢制造。,（3）辐板式齿轮,当齿轮的齿顶圆直径da=200500mm时，可采用辐板式结构。这种结构的齿轮多用锻钢制造。不重要件采用铸造结构,当齿轮的齿顶圆直径da500mm时，一般可采用轮辐式结构。这种结构的齿轮常用铸钢或铸铁制造。,（5）组合式齿轮,当齿轮的齿顶圆直径da600mm时，为了节约贵重金属材料，也可采用组合式结构，即将齿圈用贵重金属材料制造，而轮芯（轮辐和轮毂）用其他材料（如铸铜或铸铁）制造，再将齿圈用过盈配合镶套在轮芯上，并在它们的接缝处加装紧定螺钉固定，即所谓镶套齿轮,对于da1000mm，b240mm的大型齿轮还可以采用焊接的方法制造毛坯，称为焊接齿轮,直齿圆柱齿轮的设计与计算步骤,12,本次任务到此结束，谢谢欣赏,