齒輪傳動(dòng)與蝸桿傳動(dòng)輔導(dǎo)

1、齒輪傳動(dòng)與蝸桿傳動(dòng)輔導(dǎo)一、失效分析和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則1輪齒的失效分析齒輪傳動(dòng)的失效發(fā)生在輪齒表面或齒體，主要失效形式有輪齒折斷、齒面點(diǎn)蝕、齒面磨損、齒面膠合和齒面塑性變形。討論這些失效的目的是為了研究對(duì)策，建立相應(yīng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。在學(xué)習(xí)中應(yīng)注意掌握這五種失效形式的概念，弄清發(fā)生失效的條件、原因和失效發(fā)生的部位，了解為避免發(fā)生失效而采取的相應(yīng)措施。2設(shè)計(jì)準(zhǔn)則一般閉式齒輪的主要失效形式是齒面點(diǎn)蝕和齒根彎曲疲勞折斷，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以齒面接觸疲勞強(qiáng)度和齒根彎曲疲勞強(qiáng)度作為其承載能力的計(jì)算依據(jù)。開式齒輪的主要失效形式是齒面磨損和輪齒折斷，不會(huì)發(fā)生點(diǎn)蝕。由于當(dāng)前尚無較成熟的磨損計(jì)算方法，因此只進(jìn)行齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算，把求

2、得的模數(shù)增大1020，以考慮輪齒磨薄的影響。二、齒輪材料及熱處理1齒輪材料的選用原理對(duì)齒輪材料的基本要求是：材料具有足夠的強(qiáng)度，齒面要硬、齒芯要韌，以抵抗各種齒面失效和齒根的折斷。選擇材料及熱處理方法應(yīng)根據(jù)齒輪的載荷、精度、傳動(dòng)方式以及其他工作條件的要求。為使兩輪壽命接近，還應(yīng)合理選擇材料配對(duì)，通常令小齒輪硬度略高于大齒輪。2常用材料及熱處理齒輪的常用材料是鍛鋼，其次為鑄鋼、鑄鐵及非金屬材料。（1）鍛鋼和鑄鋼對(duì)于一般工作要求和加工條件，可采用軟齒面（硬度350HBS）齒輪，通常由中碳鋼或中碳合金鋼正火或調(diào)質(zhì)處理后切齒。在工作要求較高、加工條件較好時(shí)，應(yīng)采用硬齒面齒輪，常用方法是低碳鋼滲碳淬火或

3、中碳鋼表面淬火，但熱處理后需要磨齒。鑄鋼常用于制造高強(qiáng)度的大型齒輪，齒坯一般都應(yīng)經(jīng)正火處理，其機(jī)械性能低于鍛鋼。（2）鑄鐵用于制造齒輪的鑄鐵有灰鑄鐵和球墨鑄鐵，灰鑄鐵機(jī)械性能較差，多用于開式齒輪傳動(dòng)；球墨鑄鐵的機(jī)械性能接近于鑄鋼，有時(shí)可作為代用材料使用。（3）非金屬材料用于制造齒輪的非金屬材料主要有尼龍、夾布膠木等工程塑料。這些材料制成的齒輪噪聲小、重量輕、耐腐蝕。但由于強(qiáng)度低，多用于高速輕載的場合。三、圓柱齒輪的受力分析齒輪傳動(dòng)的受力分析為進(jìn)行齒輪強(qiáng)度計(jì)算提供計(jì)算載荷，同時(shí)也為軸和軸承的設(shè)計(jì)提供原始數(shù)據(jù)。圓柱齒輪傳動(dòng)的受力分析是要求熟練掌握的重點(diǎn)內(nèi)容，應(yīng)結(jié)合圖8-27、8-29熟記各力的計(jì)算

4、公式。各分力方向的判斷是有規(guī)律的。圓周力：作用于主動(dòng)輪上的圓周力與齒輪轉(zhuǎn)向相反，而從動(dòng)輪上的圓周力與齒輪轉(zhuǎn)向相同。徑向力：不論主、從動(dòng)輪，其徑向力均由作用點(diǎn)指向各自輪心。斜齒輪軸向力的方向?yàn)檠剌S向指向受力齒面，受力齒面是兩輪傳力時(shí)的接觸齒面，由齒輪轉(zhuǎn)向和主從動(dòng)輪確定。具體判斷方法見教材144頁所述“左、右手法則”。四、圓柱齒輪的強(qiáng)度計(jì)算本節(jié)學(xué)習(xí)重點(diǎn)是直齒圓柱齒輪接觸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度的計(jì)算。計(jì)算公式不要求記憶，但應(yīng)做到：（1）了解建立公式的力學(xué)模型、計(jì)算依據(jù)；（2）掌握公式中各參數(shù)的意義、單位；（3）能正確運(yùn)用公式進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和齒輪強(qiáng)度分析。1計(jì)算載荷齒輪工作時(shí)，原動(dòng)機(jī)和工作機(jī)的載荷波動(dòng)將引起動(dòng)載

5、荷，齒輪本身的嚙合誤差也會(huì)引起附加動(dòng)載荷。同時(shí)，若齒輪所在軸系剛度不足，齒輪制造和安裝誤差較大，還可能引起偏載和局部載荷集中。在設(shè)計(jì)齒輪傳動(dòng)時(shí)，應(yīng)按實(shí)際工作條件對(duì)名義載荷Fn進(jìn)行修正，采用計(jì)算載荷Fnc。通常，用載荷系數(shù)K綜合考慮動(dòng)載和偏載的影響，齒輪的計(jì)算載荷為Fnc=KFn。2齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算齒輪嚙合傳動(dòng)時(shí)，齒面接觸處相當(dāng)于一對(duì)平行圓柱體接觸傳力。當(dāng)輪齒在節(jié)點(diǎn)接觸時(shí)，多為一對(duì)齒傳力，接觸應(yīng)力大而易發(fā)生點(diǎn)蝕。所以設(shè)計(jì)時(shí)以節(jié)點(diǎn)處的接觸應(yīng)力為計(jì)算依據(jù)，限制其接觸應(yīng)力HH。一對(duì)齒輪嚙合，接觸應(yīng)力由兩個(gè)齒輪的參數(shù)共同決定，H1=H2。但由于材料及熱處理?xiàng)l件不同，兩個(gè)齒輪的許用接觸應(yīng)力也不相同，H

6、值小則接觸強(qiáng)度弱，是危險(xiǎn)齒輪。因此計(jì)算中應(yīng)取較小的H值。由齒面接觸強(qiáng)度的校核公式可知，一定載荷條件下提高齒輪接觸強(qiáng)度的措施是加大中心距、增大齒寬或選強(qiáng)度較高的材料。3齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算輪齒彎曲強(qiáng)度計(jì)算的力學(xué)模型有如懸臂梁，受載后齒根部產(chǎn)生最大彎曲應(yīng)力，是彎曲疲勞的危險(xiǎn)點(diǎn)。當(dāng)力作用在齒頂時(shí)，齒根危險(xiǎn)截面上有最大彎距。因此，彎曲強(qiáng)度的計(jì)算依據(jù)是按力作用于齒頂?shù)臈l件，限制齒根危險(xiǎn)截面上的彎曲應(yīng)力FF。一對(duì)齒輪嚙合，其大小齒輪的齒數(shù)不同，齒形系數(shù)YFS也不相同。小輪齒數(shù)少而YFS1值較大，YFS1YFS2。因而小齒輪的計(jì)算應(yīng)力較大，F(xiàn)1F2。但考慮到大小齒輪在工作條件上的差別，小齒輪的材料強(qiáng)度和硬度

7、一般要高于大齒輪，F(xiàn)1 F2。因此，應(yīng)綜合比較兩個(gè)齒輪的YFS/F的值，此值大者則彎曲強(qiáng)度弱，在設(shè)計(jì)公式中應(yīng)代入大值進(jìn)行計(jì)算。由校核公式可知，加大模數(shù)、齒寬和齒數(shù)都能夠降低應(yīng)力而提高彎曲疲勞強(qiáng)度。其中，加大模數(shù)的效果最明顯。在閉式齒輪傳動(dòng)中，軟齒面齒輪最易發(fā)生疲勞點(diǎn)蝕，在設(shè)計(jì)時(shí)先按接觸疲勞強(qiáng)度求出中心距，再進(jìn)行彎曲疲勞強(qiáng)度校核；而硬齒面齒輪則易發(fā)生輪齒折斷，一般可先按彎曲疲勞強(qiáng)度求出模數(shù)m，然后再校核齒面接觸強(qiáng)度。開式齒輪主要失效形式是磨損，但目前尚無成熟的計(jì)算方法，一般按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算，把求得的模數(shù)增大1020，以考慮輪齒磨薄的影響。 五、直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)1設(shè)計(jì)內(nèi)容（1）選擇齒輪

8、材料及熱處理；（2）選定齒輪的傳動(dòng)精度；（3）選定齒輪的傳動(dòng)參數(shù)。主要參數(shù)有：模數(shù)m，齒數(shù)Z1、Z2，中心距a，齒寬b。（4）確定齒輪的結(jié)構(gòu)型式和尺寸；（5）選擇齒輪的潤滑方式和潤滑劑。2設(shè)計(jì)思路由于齒輪傳動(dòng)的工作各不相同，設(shè)計(jì)齒輪首先應(yīng)進(jìn)行失效分析、確定設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，在此基礎(chǔ)上再選材和確定參數(shù)。齒輪的傳動(dòng)參數(shù)可用經(jīng)驗(yàn)法、類比法或計(jì)算法確定，設(shè)計(jì)結(jié)果應(yīng)滿足運(yùn)動(dòng)關(guān)系、幾何關(guān)系和強(qiáng)度條件。3設(shè)計(jì)步驟（1）初定參數(shù)Z1、Z2，按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)a，b，再校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，F(xiàn)F（2）初定參數(shù)Z1、Z2，按齒根接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)m，再校核齒面接觸疲勞強(qiáng)度，HH。在設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)原始條件、失效分析選定一

9、種設(shè)計(jì)方法，并擬定設(shè)計(jì)步驟。4參數(shù)選擇齒輪設(shè)計(jì)參數(shù)的選取與齒輪傳動(dòng)的工作條件和設(shè)計(jì)要求有關(guān)，設(shè)計(jì)者應(yīng)考慮上述條件并參照齒輪設(shè)計(jì)參數(shù)的一般選擇原則來確定它們。下面是齒輪主要設(shè)計(jì)參數(shù)的推薦使用范圍，供設(shè)計(jì)時(shí)參考：（1）齒數(shù)比u u5（2）齒數(shù)Z1 閉式齒輪 Z11825 開式齒輪 Z11720（3）模數(shù)m 動(dòng)力傳動(dòng)m1.5mm，常用m=28mm（4）齒寬系數(shù)a 減速器齒輪 a=0.30.4； 變速器齒輪 a=0.10.2 開式齒輪 a=0.10.3六、齒輪的結(jié)構(gòu)與潤滑1輪體的結(jié)構(gòu)齒輪輪體的結(jié)構(gòu)型式取決于齒輪的材料、尺寸、齒坯工藝及使用條件等因素，通常采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法完成。常用的結(jié)構(gòu)型式有齒輪軸、盤

10、式齒輪、輻板式及輻條式齒輪、雙聯(lián)齒輪等。教材中給出了各種結(jié)構(gòu)型式齒輪的參考尺寸范圍、結(jié)構(gòu)圖及經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)此內(nèi)容應(yīng)有一大致了解，以便在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)查閱、選用。2齒輪的潤滑合理潤滑是保證齒輪正常運(yùn)轉(zhuǎn)的必要條件，如果齒輪潤滑不良，將引起發(fā)熱、齒面磨損或膠合，使齒輪很快失效。潤滑設(shè)計(jì)的內(nèi)容是選定潤滑方式和潤滑劑。開式齒輪速度低，常用定期人工加油潤滑；潤滑劑常選用粘度高的瀝青質(zhì)開式齒輪油，也可使用潤滑脂。閉式齒輪的潤滑方式取決于齒輪的圓周速度，一般閉式齒輪常采用油浴潤滑。七、蝸桿傳動(dòng)1蝸桿傳動(dòng)的受力分析蝸桿傳動(dòng)受力分析類似于斜齒輪，但由于齒面滑動(dòng)摩擦大，不能忽略嚙合摩擦損失；又因蝸桿與蝸輪兩軸交錯(cuò)，各分力

11、的對(duì)應(yīng)關(guān)系與斜齒輪也不同，如圖9-5所示。受力關(guān)系式中，T1、T2分別為蝸桿和蝸輪的轉(zhuǎn)矩，由T2=T1·i·可知，計(jì)入嚙合效率即表示在受力分析中已經(jīng)計(jì)入了齒面摩擦力。判斷蝸桿蝸輪受力方向的方法類似斜齒輪傳動(dòng)，蝸桿軸向力Fa1的指向可利用教材158頁所述“左、右手法則”。2失效分析和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則蝸桿傳動(dòng)的失效形式與齒輪傳動(dòng)相似，但傳動(dòng)過程中齒面滑動(dòng)摩擦大，其主要失效形勢(shì)是膠合和磨損。蝸桿傳動(dòng)的強(qiáng)度取決于蝸輪輪齒，由于膠合與磨損尚無成熟計(jì)算方法，當(dāng)前仍沿用齒輪輪齒的計(jì)算方法。（1）開式蝸桿傳動(dòng)輪齒易磨損，按蝸輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)適當(dāng)考慮磨損對(duì)輪齒強(qiáng)度的影響。（2）閉式蝸桿傳

12、動(dòng)則按齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算，限制齒面接觸應(yīng)力以避免膠合和點(diǎn)蝕。3蝸桿蝸輪常用材料蝸桿蝸輪材料的一般選用原則是：材料在滿足一定強(qiáng)度條件下，具備良好的減摩性、耐磨性和抗膠合性。蝸桿常用材料為優(yōu)質(zhì)碳素鋼或合金鋼，可用表面淬火或調(diào)質(zhì)等熱處理方法提高性能。蝸輪材料有鑄鐵、鋁青銅、錫青銅等，可根據(jù)滑動(dòng)速度來選擇。4蝸桿傳動(dòng)的效率和熱平衡計(jì)算（1）蝸桿傳動(dòng)的效率在計(jì)算蝸桿傳動(dòng)的效率時(shí)應(yīng)考慮嚙合摩擦、軸承摩擦和攪油油阻三部分功率損耗。通常，軸承摩擦效率和攪油油阻效率取為0.950.97；嚙合效率可按螺旋傳動(dòng)的效率公式計(jì)算。（2）熱平衡的計(jì)算連續(xù)工作的閉式蝸桿傳動(dòng)，如果摩擦所產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)散發(fā)，將引起油溫上升而導(dǎo)致膠合，因此要進(jìn)行熱平衡計(jì)算以控制油的溫度。所謂熱平衡就是在蝸桿傳動(dòng)工作一段時(shí)間后，傳動(dòng)中單位時(shí)間的發(fā)熱量與傳動(dòng)裝置通過介質(zhì)在單位時(shí)間內(nèi)散熱量逐漸接近而達(dá)到平衡，此時(shí)油溫不再繼續(xù)上升。由熱平衡條件，可得蝸桿