《机械设计》讲义濮良贵(第10章).docx
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1、10 1概述:本章主要介绍最常用的渐开线齿轮传动。1.特点:优:1)2)3)4)缺:第十章齿轮传动效率高(可达99%以上,这在大功率传动时意义很大)结构紧凑工作可靠,寿命长(可达几十年,如:机械表)传动比稳定制造、安装精度要求高,价高,不宜远距离传动。2 .传动型式:开式半开式闭式齿轮完全暴露在外的齿轮传动。有简单防护罩的齿轮传动。由箱体密封的齿轮传动。10-2齿轮传动的失效形式及设计准则:硬齿面齿轮:齿面硬度大于350HBS或38HRC的齿轮。软齿面齿轮:齿面硬度不大于350HBS或38HRC的齿轮。一. 失效形式:齿轮传动的失效主要是轮齿失效,齿圈、轮辐、轮毂等其它部分很少失效,所以, 以
2、下仅介绍常见的轮齿失效形式:1. 轮齿折断:1)折断形式:疲劳折断:齿根受弯曲变应力作用一疲劳一折断。过载折断:过载或偏载一应力超过静强度一折断。2) 折断位置:常发生在轮齿根部。根部弯曲应力最大,且截面变化大,P加式刀痕深,应力集中严重i /!3)抗折断措施:加大齿根圆角,消除刀痕一应力集中I。增大轴及支承刚性一偏载I。图10-1轮齿的疲劳折断增加齿芯韧性,强化齿根表层(喷丸,滚压等)2. 齿面磨损:传动时,啮合齿面间的相对滑动一磨损(是开式传动的主要失效形式)3. 齿面点蚀:1)点蚀:在接触变应力的反复作用下,齿面材料因疲劳而小片脱落的现象。2)位置:点蚀常先发生于节线附近的齿根一侧。3)
3、原因:在节线附近啮合时,相对滑动速度低,润滑差,摩擦大。啮合齿对少,受力大,接触应力大。注: 点蚀是闭式传动的主要失效形式。4)抗点蚀措施: 提高齿面硬度。 改善润滑条件:a、低速传动,采用粘度较大的润滑油。b高速传动,采用喷油润滑。4. 齿面胶合:1)胶合:两因瞬时温升过高而粘连的啮合齿面,在相对运动时被撕破,形成沿滑动方向沟痕的现象。2)机理:高速重载一啮合区瞬时温升1一两啮合面粘连一相对运动时被撕破一形成沿滑动方向的沟痕。注:低速重载时,也会因接触应力过大而粘连一冷胶合。3)抗胶合措施:采用抗胶合的润滑油。5. 塑性变形:1)塑变: 轮齿材料发生塑性流动的现象。2)类型: 滚压塑变:两啮
4、合轮齿既滚又滑致使材料沿滑动方向 流动,而在从动轮节线处形成凸棱、主动 从动轮轮节线处形成凹沟。图10-5轮齿的滚压塑变 锤击塑变:冲击过大引起的塑变(沿接触线的沟槽3)抗塑变措施: 提高齿面硬度。采用较高粘度的润滑油。二. 设计准则:针对各种失效形式,应建立相应的设计准则,以保证传动有足够的工作能力。 但对磨损和塑变,至今尚无公认、有效的计算方法,故目前的设计准则是: 保证齿根弯曲疲强及齿面接触疲强足够,兼顾抗胶合能力。1 .闭式传动:1)软齿面:以接触疲强设计,弯曲疲强校核。2)硬齿面:同时以接强、弯强设计,取其中较大者作为设计结果。3)高速大功率(75kw):需作热平衡计算,以防胶合。2
5、. 开式(半开式)传动:以齿根弯强设计,将模数适当放大以兼顾磨损。 10-3齿轮的材料及其选择原则:轮齿材料的基本要求:齿面硬度高,齿芯韧性好。一. 常用的齿轮材料:1. 钢:韧性好,耐冲击,可通过热处理改善性能,最适用于制造齿轮。1)锻钢除尺寸太大或结构太复杂者,一般齿轮都用锻钢制造,C% = 0.150.6% 热处理后切齿的齿轮所用的锻钢:a. 常用者:中碳钢,如45、35SiMnb. 热处理方法:调质,常化。c. 制造过程:毛坯一热处理一切齿一成品。d. 精度,齿面硬度:分别达78级及 V350HBS (软齿面)。e. 适用:强度、速度和精度都要求不高的齿轮 需精加工的齿轮所用的锻钢:a
6、. 常用者:低、中碳钢,如20Cr、40Cr、45b. 热处理:表面淬火,渗碳,氮化等。机械设计(第八版)濮良贵主编第十章齿轮传动c.制造过程:毛坯一切齿一表面硬化处理一精加工一成品。d.精度:可达34级。e.齿面硬度:350HBS (如 5865HRC)。f.适用:高速、重载及精密齿轮合金钢:价高,用于既高速载重、又要体小质轻的高要求处,如航空齿轮。2)铸钢: 耐磨性及强度均较高,适用于尺寸较大的齿轮。2 .铸铁:性脆,抗冲击及耐磨性较差,适用于低速轻载无冲击处。3. 非金属材料:1) 适用:高速轻载及精度不高的齿轮传动。2)用法: 小轮:非金属材料。大轮:钢,铸铁。3)常用材料:塑料,尼龙
7、。常用齿轮材料及其机械性能P.191.表10-1.二. 齿轮材料的选择原则:1. 满足工作条件的要求:如: 航空齿轮要质轻体小,工件可靠一合金钢。2. 齿轮尺寸、毛坯成型方法、热处理及制造工艺的要求:如:大尺寸齿轮一铸造毛坯一铸铁或铸钢中等及中等偏小的齿轮一锻造毛坯一锻钢3 .载荷影响:1) 正火碳钢:只能用于载荷平稳或有轻度冲击处2) 调质碳钢:可用于有中等冲击处3) 合金钢:一般用于高速、重载有冲击处4. 齿面硬度:1)要求体小质轻处: 齿面应表面硬化处理一硬齿面2) 金属制软齿面:小轮的齿面硬度应比大轮高3050HBS或更多.小轮易损,且较硬的小轮齿面对大轮齿面有冷作硬化效果, 从而可提
8、高大轮接强。 104齿轮传动的计算载荷:为方便计算,通常取齿面接触线单位长度上的载荷作为计算载荷ca。考虑原动机及工作机特性、齿轮的制造和安装等情况后,p可表示为:caKFp = Kp = N/mm式中:Fn 作用于齿面接触上的法向载荷,NL齿面间接触线的总长,mmK载荷系数,包括以下四部分:K = KA Kv K K(10-2)1. 使用系数K : A考虑齿轮传动的外部因素(如原动机及工作机的特性等)的影响。参考值见:P.193.表10-2.图10-6从动轮齿修缘2. 动载系数K :V主要考虑齿轮的制造精度和圆周速度对动载荷的影响1)成因:各种误差、受载弹变、单双齿啮合过渡中啮合齿对的刚度变
9、化一Pb1Pb2 一 i波动一角加速度 一动载2)措施:制造精度L小轮d1!,d1 ! 一周速v ! 一 i波动引起的角加速度I 一动载I 齿顶修缘。P.202.图10-6.图10-7.)3) Kv值:齿轮精度,小轮周速vP.194.图10-?%3. 齿间载荷分配系数K :a考虑齿距误差及弹变等引起的载荷在齿对接触线间非均匀分布的影响。1) 成因: 齿间误差、弹变一总载荷在不同齿对(二对及二对齿以上同时啮合时)接触线上的分布不均匀一某对齿接触线上载荷平均p=K/L n2) Ka值: 分、,P.195. 表 10-3.4. 齿向载荷分布系数K :p考虑支承非对称布置,轴和支承的受载变形及其制造、
10、装配误差引起的齿面上载荷分布不均的影响。(见下图)图10-10轴承作不对称布置图10-11轮齿所受的载荷分布不均1) % 值:K中P.196. 表 10-4.%按 KHp,b/hP.198.图 10-13 匕其中: b 齿宽h齿高2)改善措施: 对称地布置支承。 增大轴及支承的刚性。 齿端修缘一鼓形齿。P.196.图10-12.图10-14直齿轮轮齿的受力分析10 5标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算 一受力分析:齿轮传动一般均予润滑,摩擦力很小,可不计,程得:f Ft = 2T1/d1与分圆d相切,矩与T反向11 F = F tga指向轮心。- / 七一F - F/cosa垂直指向齿面。式中:
11、T小齿轮传递的转矩,Nmm1这样,沿啮合线作用的法向载荷在节点P处 可分解成径向力和圆周力Ft,其值按平衡方d 小轮的节圆直径,对标准轮即为分圆直径,mm 1a 啮合角,对标准轮,a =20二. 齿根弯曲疲劳强度计算:1. 载荷计算:1)高精度(6级以上)齿轮传动:齿顶啮合时,弯矩力臂最大,但齿顶啮合 总处于双齿啮合区,力不是最大,故弯矩 并非最大,最大弯矩出现于单对齿啮合区 最高点一算法较复杂,不讲。图10-16齿根应力图 以下仅讲此法。2)中等精度(7、8、9级)齿轮传动:制造误差大,通常按总载荷作用于齿顶来计算弯强,2. 危险截面AB:3.危险截面上的应力:p siny : p cosy
12、 :pca3.由于Z c和T都远小于。F PcaC0SY对AB面的弯矩M:在AB面上产生压应力。c弯矩M在AB面上产生弯曲应力?F剪力PcaCosY 在AB面上产生剪应力!所以强度计算均可忽略不计,而仅考屈f的影响。KM = p - cos y - h = (KF / L) cos y - h =caFf - cos y - h = KF cos y - h / b cos 以4.单位齿宽危险截面的抗弯截面系数叩:作与轮齿对称中线成30。的斜线与齿根过渡圆弧相切TA、B两点,则AB面 即为齿根危险截面。W = 1xS2 /6 = S2 /65. 理论弯曲应力。:F0MKF6h cos yKF6
13、(h / m) cos yKF表 10-5.Fo W bS 2 cos abm(S / m) 2 cos abmFaY = 6( )cos y/( -)2 cos a齿形系数。P. 200.Fa mm注:丫屈无量纲,只与齿形有关,与轮齿大小(艮Pm)无关。6. 弯曲应力Z f校核公式:Z F0只考虑了 M对AB面的影响,实际中,AB面还受到以下应力的作用:1)齿根处有应力集中2)AB面还受p siny引起的压应力3)AB面还受PcaCosY简化得到的水平力引起的剪应力所以应对Z进行修正如下:F0(10 -4)b = b - y =- Y Y 1齿数比。212121“土,处 一 “+”用于外啮合
14、,“-”用于内啮合。2. 校核公式:由赫兹公式得:3.Z h = 2 /sin a cos a 设计公式:将 F=2T /d ,甲=b/dt 11 d 1u 1 Z Zu a H 2KT1 r ::dI KF 2 u + 1 z I KF1 b - cos a d sin a u E bd对a =20的标准齿轮u +1Z Z a 区域系数代入上式,mm(10-9)(10 -8)Zh2.51)2)3)中:四. 齿轮传动的强度计算说明:1. 弯强计算说明:应力公式 a = (KF /bm)Y Y = (2KT /。m3z2)Y Y I 2 KTY Y 一时十。z: af应将YFa1YSa1/z f
15、1与YFa2YSa2/z F2中的较大者代入计算。2. 接强计算说明:1)两配对齿轮的接触应力相同,艮z h1 = z田(.是作用力和反作用力)2) 按: 2KTu 1 z zd 3r. . ()21 。 u a 设计时,应用z h 1和z h 2中的较小者代入计算。3.设计准则:H H 21)硬齿面传动应:两轮材料、热处理方法、齿面硬度均可取成一样。 应按接、弯强同时设计,取较大者作为结果。 推荐使用硬齿面,.可显著减小传动尺寸。2)软齿面传动: 应 HBS1 = HBS2 + (3050) HBS应 接强设计,弯强校核。4.设计说明:一 ,Ka,匕无法确定,.应:K = 1.2 1.4 t
16、(下标“t” 一试选或试算值)一求出 K = KA Kv Ka%.设计时,d1? 周速v?齿宽b?1)试选Kt.2)按设计公式试算出dt和m3)由 dit 一 v 和 b 一 查出 ,Ka,%4)修正: d = d Jk/km = m 邳K/K10-6齿轮传动的设计参数、许用应力与精度选择一.齿轮传动的设计参数的选择1 .压力角a :1)a t: 一齿厚、节点处齿廓曲率半径1 一弯强、接强1我国规定:一般齿轮a =20航空齿轮a =25(为提高弯强、接强)2)a !: 一齿厚I 一齿柔性t 一噪音、动载I故对高速齿轮,推荐a =16。18。,齿顶高系数ha* = 11.22. 小轮齿数z :1
17、中心距a不变,使z1t,有以下优缺点:优:重合度t 一传动平稳性t 齿高h I 金属切削量I 一制造费用I hI 啮合齿廓间的相对滑动速度I 一磨损、胶合可能性I缺:齿厚I 一弯强、耐磨性I1) 闭式传动:以接强为主,z1可多些,推荐:七二20402) 开式传动:以磨损为主,z1宜少些,推荐:七二17203. 齿宽系数中d:3 d t b t 承载能力t,但齿面上载荷分布不均t1)对标准减速器: 先选定 :=b/a = b/0.5cj(1+u) = d/0.5(1+u)推荐:0.2, 0.25, 0.30, 0.40, 0.50, 0.60, 0.80, 1.0, 1.2 再求出 d:d =
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