机械设计基础与实践齿轮传动.ppt

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1、10.1 齿轮传动的失效形式及设计准则 10.2 齿轮常用材料及许用应力 10.3 直齿圆柱齿轮传动的强度计算 10.4 斜齿圆柱齿轮传动的强度计算 10.5 齿轮结构设计 10.6 齿轮传动的润滑及传动效率,第10章 齿轮传动,10.1 齿轮常见的失效形式与设计准则,10.1 齿轮轮齿的失效形式（表10.10）,2 设计准则,对于软齿面（硬度350HBS）的闭式齿轮传动，由于齿面抗点蚀能力差，润滑条件良好，齿面点蚀将是主要的失效形式。在设计计算时，通常按齿面接触疲劳强度设计，再作齿根弯曲疲劳强度校核。对于硬齿面（硬度350HBS）的闭式齿轮传动，齿面抗点蚀能力强，但易发生齿根折断，齿根疲劳折

2、断将是主要失效形式。在设计计算时，通常按齿根弯曲疲劳强度设计，再作齿面接触疲劳强度校核。对于开式传动，其主要失效形式将是齿面磨损。但由于磨损的机理比较复杂，到目前为止尚无成熟的设计计算方法，通常只能按齿根弯曲疲劳强度设计，再考虑磨损，将所求得的模数增大10%20%。,强度计算按国家标准GB34801997“渐开线圆柱齿轮承载能力计算方法”及GB10006388“通用机械渐开线圆柱齿轮承载能力简化计算方法”进行。对其胶合计算，可参看GB641386“渐开线圆柱齿轮胶合承载能力计算方法”。,10.1 齿轮常见的失效形式与设计准则,10.2.1 齿轮材料的基本要求,齿轮的齿体应有较高的抗折断能力，齿

3、面应有较强的抗点蚀、抗磨损和较高的抗胶合能力，即要求：齿面硬、芯部韧、加工工艺性能及热处理性能良好。,10.10.2 齿轮常用材料及其热处理,（1）锻钢。锻钢具有强度高、韧性好、便于加工制造等特点，且可通过各种热处理方法来改善其机械性能，故大多数齿轮都用锻钢制造。按热处理后的齿轮齿面硬度不同，将锻钢齿轮分为软齿面（齿面硬度）齿轮和硬齿面（齿面硬度）齿轮。,10.2 齿轮的常用材料及许用应力,1）软齿面齿轮。这类齿轮经调质或正火处理后进行切齿，切齿精度一般为8级，精切可达7级。对于强度、速度及精度要求不高的齿轮常用软齿面,其制造工艺简单，成本低。常用材料牌号有45、40Cr等中碳钢和中碳合金钢。

4、为提高小齿轮的寿命，对软齿面齿轮传动，小齿轮齿面硬度应比大齿轮的高2550HBS。,2）硬齿面齿轮。这类齿轮通常切齿后进行表面硬化处理（如表面淬火、渗碳、氮化、氰化等），然后再磨齿，齿轮精度可达5级或4级。所以精度高，成本也高，选择时要慎重。主要用于尺寸及质量有较高要求的场合，如汽车、飞机中的齿轮。常用牌号有20Cr、20CrMnTi、35SiMn、45等。,（2）铸钢。常用于不便锻造的大齿轮（大于400-600mm）齿轮。可用铸造的方法制成铸钢齿坯，由于铸钢晶粒较粗，故需进行正火处理。,（3）铸铁。普通铸铁的抗弯强度、抗冲击和耐磨性能较差，但铸造时浇铸容易、加工方便，成本较低，故铸铁齿轮一般

5、仅用于低速、轻载、冲击小的不重要的齿轮传动中。,10.2 齿轮的常用材料及许用应力,10.2 齿轮的常用材料及许用应力,10.2.3 许用应力,试验齿轮的接触疲劳极限sHlim查表,试验齿轮的弯曲疲劳极限sFlim查表,铸铁,正火结构钢和铸钢,调质钢和铸钢,渗碳淬火及表面淬火钢,铸铁,正火结构钢和铸钢,调质钢和铸钢,渗碳淬火及表面淬火钢,弯曲疲劳寿命系数YN,接触疲劳寿命系数ZN,10.2 齿轮的常用材料及许用应力,10.3.1 轮齿的受力分析,以节点 P 处的啮合力为分析对象，并不计啮合轮齿间的摩擦力，可得：,10.3 直齿圆柱齿轮传动的强度计算,受力方向判断,10.3.2 轮齿的计算载荷,

6、齿轮传动在实际工作时，由于原动机和工作机的工作特性不同，会产生附加载荷。齿轮、轴、轴承的加工、安装误差及弹性变形会引起载荷集中，使实际载荷增加。,计算载荷用符号Fnc表示。,即,Fnc=KFn,10.3 直齿圆柱齿轮传动的强度计算,10.3.3 齿面接触疲劳强度计算,基本公式赫兹应力计算公式，即:,在节点啮合时，接触应力较大，故以节点为接触应力计算点。,齿面接触疲劳强度的校核式：,齿面接触疲劳强度的设计式：,上述式中：u齿数比，u=z2/z1；ZE 弹性系数(表10.6)；,齿宽系数,10.3 直齿圆柱齿轮传动的强度计算,应用上式时应注意以下几点：,1）当两轮的许用接触应力 与 不等时，应代入

7、其中小值者 进行计算。,2)齿轮的齿面疲劳强度取决于小齿轮直径或中心距的大小，而与模数不直接相关。,3）一般情况下，两轮齿面接触应力与大小相等。,10.3.3 齿面接触疲劳强度计算,图10.44,10.3 直齿圆柱齿轮传动的强度计算,10.3.4 齿根弯曲疲劳强度计算,中等精度齿轮传动的弯曲疲劳强度计算的力学模型如下图所示。,根据该力学模型可得齿根理论弯曲应力,计入齿根应力校正系数Ys(表10.15)后，强度条件式为：,YF为齿形系数，是仅与齿形有关而与模数m无关 的系数，其值可根据齿数查表10.15获得。,10.3 直齿圆柱齿轮传动的强度计算,通常两轮的齿数不相同，故两轮的齿形系数、和应力修

8、正系数都不相等；两轮的材料不相同，许用应力也不一定相等。因此必须分别校核两轮的齿根弯曲强度。当两齿轮的宽度相等时，由式（10.46)得,引入齿宽系数后，可得设计公式：,计算时应将 与 两比值大者代入上式，并将计算得到的值圆整成表10.2的标准值。,10.3 直齿圆柱齿轮传动的强度计算,我国国标GB10095-88中，对渐开线圆柱齿轮规定了12个精度等级，第l级精度最高，第12级最低。,表10.16 常见机器中齿轮的精度等级,齿轮精度等级主要根据传动的使用条件、传递的功率、圆周速度以及其它经济、技术要求决定。,10.3.5 齿轮精度、设计参数选择,10.3 直齿圆柱齿轮传动的强度计算,表10.1

9、7 几种精度等级齿轮的加工方法及其应用范围,10.3 直齿圆柱齿轮传动的强度计算,10.3 直齿圆柱齿轮传动的强度计算,10.3 直齿圆柱齿轮传动的强度计算,由于Fatanb，为了不使轴承承受的轴向力过大，螺旋角b不宜选得过大，常在b=820之间选择。,10.4 斜齿圆柱齿轮传动的强度计算,10.4.1 斜齿圆柱齿轮的强度计算,1.受力分析,圆周力,径向力,轴向力,受力方向判断,受力方向分析,2.斜齿圆柱齿轮传动的强度计算：,（1）齿面接触疲劳强度计算,校核公式,设计公式,（2）齿根弯曲疲劳强度计算,校核公式,设计公式,10.4 斜齿圆柱齿轮传动的强度计算,10.5 齿轮的结构设计,10.5.

10、1 齿轮的结构设计,齿轮的结构设计主要包括：,选择合理适用的结构型式,依据经验公式确定齿轮的轮毂、轮辐、轮缘等各部分的尺寸,绘制齿轮的零件加工图等,1.锻造齿轮,（1）齿轮轴-圆柱齿轮的齿根圆至键槽底部的距离。,（2）实心式齿轮-当齿顶圆直径 时，做成实心结构的齿轮。,（3）腹板式齿轮-当 的齿轮。,2.铸造齿轮-,当齿顶圆直径 的齿轮,常用的齿轮结构形式有以下几种：,实心式圆柱齿轮,10.5 齿轮的结构设计,10.6 齿轮传动的润滑和传动效率,10.6.1 齿轮传动的润滑,润滑剂的选择,在选择润滑油时，先根据齿轮的工作条件以及圆周速度由下表查得运动粘度值，再根据选定的粘度值确定润滑油的牌号。

11、,10.6 齿轮传动的润滑和传动效率,10.6.2 齿轮传动的效率,齿轮传动中的损失，主要包括啮合中的摩擦损失、轴承中的摩擦损失和搅动润滑油的功率损失。进行计算时通常使用的是齿轮传动的平均效率。,当齿轮轴上装有滚动轴承，并在满载状态下运转时，传动的平均总效率见下表：,10.6 齿轮传动的润滑和传动效率,例10.3 设计一单级直齿圆柱齿轮减速器中的齿轮传动。已知：传递功率，电动机驱动，小齿轮转速，传动比，单向运转，载荷平稳。使用寿命10年，单班工作。,解：（1）选择齿轮材料及精度等级 因传递中等功率，故小齿轮选用45钢调质，大齿轮选用45钢正火，查表10.3硬度分别为217255和169217。

12、因为是普通减速器，由表10.16选择8级精度，要求大齿面粗糙度。,（2）确定设计准则 因为齿轮的硬度小于350，故按接触疲劳强度设计。由于两轮均为钢轮，可用式（10.43）求出，然后确定有关参数和系数。,1）转矩,齿轮传动例题,2）载荷系数(查表10.5),3）齿数和齿宽系数,小齿轮的齿数取为Z1=25，则大齿轮的齿数 Z2=100。因单级齿轮传动为对称布置，且为软齿面，由表10.18选取。,4）许用接触应力确定,（3）主要尺寸计算,（4）按齿根弯曲疲劳强度校核,（5）验算齿轮的圆周速度,（6）几何尺寸计算及绘制齿轮零件工作图（略）。,;由表10.3取标准值,mm。,齿轮传动例题,例10.5

13、设计一带式输送机的单级斜齿圆柱齿轮减速器中的齿轮传动。已知：传递功率，电动机驱动，小齿轮转速，传动比，载荷平稳。使用寿命10年，每年工作254天，单班工作。,（2）按接触疲劳强度设计,解（1）选择齿轮材料、热处理、精度等级齿数及螺旋角,（3）主要尺寸计算,（4）按齿根弯曲疲劳强度校核,（5）验算齿轮的圆周速度,（6）齿轮结构设计，绘制齿轮零件工作图（以大齿轮为例）,因，故采用腹板式齿轮结构（图10.49），利用图10.49之下经验公式进行几何尺寸计算，其零件工作图见图10.52。,齿轮传动例题,齿轮传动例题,图10.52,渐开线生成动画,公法线长度,展成法原理,插齿刀,曲线齿,准双曲面齿轮,四线和一,中心距可分性,啮合角不变,插齿刀,插齿时，插刀与轮坯严格地按定比传动作展成运动（即啮合传动），同时插刀沿轮坯轴线方向作上下往复的切削运动。,插齿刀,切制齿廓时，刀具与轮坯的展成运动相当于齿条与齿轮啮合传动，其切齿原理与用齿轮插刀加工齿轮的原理相同。,滚 刀,当滚刀转动时，相当于齿条作轴向移动，滚刀转一周，齿条移动一个导程的距离。所以用滚刀切制齿轮的原理和齿条插刀切制齿轮的原理基本相同。滚刀除了旋转之外，还沿着轮坯的轴线缓慢地进给，以便切出整个齿轮。,