第五章齒輪傳動(dòng)

第五章齒輪傳動(dòng)?xùn)|北大學(xué)國家工科機(jī)械基礎(chǔ)課程教學(xué)基地5-9齒輪傳動(dòng)的潤滑5-2齒輪傳動(dòng)的失效形式、計(jì)算準(zhǔn)則和材料5-8變位齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算5-7標(biāo)準(zhǔn)直齒圓錐齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算

5-6標(biāo)準(zhǔn)斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算5-5齒輪精度、設(shè)計(jì)參數(shù)選擇及許用應(yīng)力5-4標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算5-3齒輪傳動(dòng)的載荷計(jì)算5-1概述目錄5-10常用齒輪結(jié)構(gòu)§5-1概述一、齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)

1、直徑、速度、功率范圍廣2、效率高、壽命長、可靠性高，3、傳動(dòng)比恒定4、可實(shí)現(xiàn)平行軸、相交軸及間交錯(cuò)軸的傳動(dòng)5、

要求制造精度高6、

不適于大中心距傳動(dòng)內(nèi)齒輪外齒輪§5-1概述1、按軸線位置二、分類

2、按齒面硬度§5-1概述3、按工作條件

閉式傳動(dòng)半開式齒輪傳動(dòng)單級圓柱齒輪蝸桿傳動(dòng)三、要求

1、傳動(dòng)平穩(wěn)—瞬時(shí)傳動(dòng)比恒定2、強(qiáng)度高、壽命足夠§5-2齒輪失效形式、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與材料一、齒輪傳動(dòng)的失效形式1.輪齒折斷2.齒面點(diǎn)蝕3.齒面膠合4.齒面磨損5.輪齒塑性F齒根裂紋起始點(diǎn)1.輪齒折斷（1）過載斷齒：意外超載（2）疲勞斷齒：交變載荷反復(fù)作用,（硬齒面齒輪）齒根圓角應(yīng)力集中，產(chǎn)生疲勞裂紋、擴(kuò)展、斷齒§5-2齒輪失效形式、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與材料2.齒面點(diǎn)蝕（軟齒面齒輪）點(diǎn)蝕：交變接觸應(yīng)力反復(fù)作用,齒面產(chǎn)生微裂紋，疲勞擴(kuò)展、點(diǎn)蝕§5-2齒輪失效形式、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與材料齒面點(diǎn)蝕機(jī)理§5-2齒輪失效形式、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與材料3.齒面膠合(高速重載齒輪)齒面膠合：高壓、高速，油膜破裂；嚙合局部高溫，齒面焊接；相對運(yùn)動(dòng)撕裂、涂抹熱膠合冷膠合§5-2齒輪失效形式、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與材料4.齒面磨損(開式齒輪)齒面磨損：磨料進(jìn)入齒面間；相對運(yùn)動(dòng)齒面磨損。§5-2齒輪失效形式、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與材料5.輪齒塑變從動(dòng)齒—節(jié)線起脊主動(dòng)齒—節(jié)線出溝（1）齒面塑變：齒面較軟，材料沿摩擦力方向流動(dòng)(滾壓)§5-2齒輪失效形式、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與材料（2）齒體塑變材料較軟，載荷過大，輪齒整體塑變移位。§5-2齒輪失效形式、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與材料三、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則1、閉式齒輪傳動(dòng)①主要失效形式軟齒面（齒面硬度≤350HBS），齒面點(diǎn)蝕硬齒面（齒面硬度＞350HBS），斷齒、點(diǎn)蝕②設(shè)計(jì)準(zhǔn)則按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)定參數(shù)按齒根彎曲強(qiáng)度校核2、開式齒輪傳動(dòng)①主要失效形式：齒面磨損和斷齒②設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)，定參數(shù)§5-2齒輪失效形式、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與材料四、齒輪材料1.基本要求：齒面硬，齒芯韌。2.常用材料：優(yōu)質(zhì)碳鋼，合金鋼，鑄鋼，鑄鐵，非金屬材料①優(yōu)先采用鍛制或軋制鋼材。②大尺寸齒輪受鍛造設(shè)備限制或形狀復(fù)雜時(shí)采用鑄鋼。③開式齒輪可用鑄鐵④高速小功率以傳遞運(yùn)動(dòng)為主的齒輪可用非金屬材料§5-2齒輪失效形式、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與材料3.熱處理方法(1)滲碳淬火材料：低碳鋼、低碳合金鋼如20，20CrMnTi等（含碳0.15~0.25%）特點(diǎn)：齒面硬度56~62HRC，芯部韌性較高接觸強(qiáng)度高，耐磨性好，抗沖擊載荷能力強(qiáng)。應(yīng)用：對尺寸和重量有嚴(yán)格要求的重要設(shè)備中。(2)表面淬火材料：中碳鋼，中碳合金鋼如45，40Cr等。特點(diǎn)：齒面硬度40~50HRC，芯部未淬硬有較高的韌性；接觸強(qiáng)度高，耐磨性好，能承受一定的沖擊載荷。

§5-2齒輪失效形式、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與材料3.熱處理方法(3)調(diào)質(zhì)（淬火+高溫回火）材料：中碳鋼，中碳合金鋼特點(diǎn)：齒面硬度160~280HBS承載能力較低，制造成本低，應(yīng)用：對尺寸和重量沒有嚴(yán)格限制的一般機(jī)械設(shè)備中。要求：齒面硬度差=HBS1-HBS2=20～50

HBS(4)正火（消除應(yīng)力）材料：中碳鋼，鑄鋼，鑄鐵。特點(diǎn)：承載能力低，制造成本低。應(yīng)用：強(qiáng)度要求不高的中碳鋼齒輪，鑄鋼、鑄鐵齒輪。

§5-2齒輪失效形式、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與材料一、名義載荷§5-3齒輪傳動(dòng)的載荷計(jì)算小齒輪名義功率kW小齒輪分度圓直徑mm小齒輪名義轉(zhuǎn)矩小齒輪轉(zhuǎn)速r/min二、計(jì)算載荷§5-3齒輪傳動(dòng)的載荷計(jì)算齒間載荷分配系數(shù)—齒向載荷分布系數(shù)—?jiǎng)虞d系數(shù)—使用系數(shù)—abab==KKKKKKKKKKFFvAvAttc1.使用系數(shù)§5-3齒輪傳動(dòng)的載荷計(jì)算原動(dòng)機(jī)工作特性從動(dòng)機(jī)工作特性及其示例均勻平穩(wěn)輕微沖擊中等沖擊嚴(yán)重沖擊發(fā)電機(jī)機(jī)床主傳動(dòng)提升機(jī)構(gòu)挖掘機(jī)均勻平穩(wěn)1.01.251.51.75輕微沖擊1.101.351.601.85中等沖擊1.251.501.752.00或更大嚴(yán)重沖擊1.501.752.002.25或更大齒輪外部因素引起的動(dòng)載，與原動(dòng)機(jī)、工作機(jī)、聯(lián)軸器特性有關(guān)（表10-2）2.動(dòng)載系數(shù)齒輪內(nèi)部因素引起的附加動(dòng)載荷查圖10-8§5-3齒輪傳動(dòng)的載荷計(jì)算（1）基節(jié)誤差：pb不同—ω2突變—沖擊（2）齒形誤差：ff（3）輪齒變形：剛度變化3.齒向載荷分布系數(shù)§5-3齒輪傳動(dòng)的載荷計(jì)算軸彎曲變形的影響考慮載荷沿齒寬方向分布不均的影響與齒輪、軸、軸承、箱體變形及安裝誤差有關(guān)軸扭轉(zhuǎn)變形的影響bK

改善齒向載荷分布方法鼓型修形§5-3齒輪傳動(dòng)的載荷計(jì)算HbbKKF表10-4接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算圖10-13彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算 §5-3齒輪傳動(dòng)的載荷計(jì)算4.齒間載荷分配系數(shù)(斜齒輪)考慮同時(shí)嚙合齒對間載荷分配不均的系數(shù)影響因素：（1）齒輪制造誤差-基節(jié)誤差（2）彈性變形（嚙合齒對變形有關(guān)）精度等級(Ⅱ組)KAFt/b56785級或更低<100N/mm經(jīng)表面硬化的斜齒輪1.01.11.21.4>1.4未經(jīng)表面硬化的斜齒輪1.01.11.2>1.4表10-3齒間載荷分布系數(shù)HaaKKF彎曲接觸=1直齒輪一、輪齒受力分析§10-5標(biāo)準(zhǔn)直齒輪傳動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算切向力徑向力法向力大小切向力:徑向力:法向力:方向關(guān)系二、赫茲公式§5-4標(biāo)準(zhǔn)直齒輪傳動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算三、齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算§5-4標(biāo)準(zhǔn)直齒輪傳動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算1.計(jì)算模型：p點(diǎn)--節(jié)點(diǎn)當(dāng)量圓柱體接觸代替2.接觸應(yīng)力：dρd21=2ρ1z21=z由=u三、齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算§5-4標(biāo)準(zhǔn)直齒輪傳動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算2.接觸應(yīng)力：==

)2(KFFnnc計(jì)算載荷：acostKF§5-4標(biāo)準(zhǔn)直齒輪傳動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算表10-621t/

1

mmNuubdKFZZEHH±=s接觸應(yīng)力：aa=cossin2HZ節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)：=2.5§5-4標(biāo)準(zhǔn)直齒輪傳動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算]

[1

1tHEHuubdKFZ2.5s￡±=s校核式：ddb=f1

設(shè)：()[]mmZ2.32uuKTdHEd32111

:????è?s±f3設(shè)計(jì)式td2T=1

1F10-8a10-9a分析：d大σH小1H1=sH2s§5-4標(biāo)準(zhǔn)直齒輪傳動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算[]mmZ2.32KTud1HEd3211

????è?sf±3

Nmm

11dbTzzuudd=f-f-=-齒寬系數(shù)小輪扭矩齒數(shù)比小大[][][]KKHHHt

},min{

1.4)~21.(21設(shè)計(jì)時(shí)初取載荷系數(shù)”用于內(nèi)嚙合”用于外嚙合，““ss=s=--+±u表10-7四、齒根彎曲強(qiáng)度計(jì)算§5-4標(biāo)準(zhǔn)直齒輪傳動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算1.計(jì)算模型：懸臂梁（單齒對齒頂受載）Sh危險(xiǎn)截面寬懸臂長：切線法）（危險(xiǎn)界面位置：,

30

)1(06/cos)2(2FancF0bShFWMa==smKhmKShs

;==令：FaFaF0YmbKFKKmbKFt2sht6==aascoscosWMF0=s

.2彎曲應(yīng)力Ysa-應(yīng)力修正系數(shù)(表10-5）;考慮齒根過渡圓角應(yīng)力集中影響

§5-4標(biāo)準(zhǔn)直齒輪傳動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算[]2t/mmNYYmbKFFsaFaFs￡=sddb=f1

t2T=

1Fd11d=

1mz齒根彎曲強(qiáng)度校核式：)(coscos62sh無關(guān)與齒形系數(shù)：mKKYFaFa表10-5aa=10-5a分析：m-模數(shù)，m大σF小設(shè)：齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)式：§5-4標(biāo)準(zhǔn)直齒輪傳動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算[]11212FsaFaFYYmKTs￡=s[]mmσYYzφKTmFsaFad321123φdz3110-5若最終確定參數(shù)后求出與初取值相差較大，則修正模數(shù)

3=KKmmtntK3=KKddt1ttK1一、齒輪精度選擇§5-5齒輪精度、設(shè)計(jì)參數(shù)及許用應(yīng)力1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12高低未規(guī)定公差機(jī)器名稱精度等級機(jī)器名稱精度等級汽輪機(jī)3～6拖拉機(jī)6～8金屬切削機(jī)床3～8通用減速器6～8航空發(fā)動(dòng)機(jī)4～8鍛壓機(jī)床6～9輕型汽車5～8起重機(jī)7～10載重汽車7～9農(nóng)業(yè)機(jī)械8～11常用設(shè)備齒輪的精度等級6-9級(表10-8)二、設(shè)計(jì)參數(shù)選擇§5-5齒輪精度、設(shè)計(jì)參數(shù)及許用應(yīng)力1、齒數(shù)20~17

40~20

11==zz開式傳動(dòng)閉式傳動(dòng)

)

(b

2分布不均大，承載大，齒向載荷、dbd=f1見表10-7三、許用應(yīng)力§5-5齒輪精度、設(shè)計(jì)參數(shù)及許用應(yīng)力1.齒輪傳動(dòng)的許用應(yīng)力實(shí)驗(yàn)齒輪及試驗(yàn)條件：直齒圓柱齒輪m=3~5mm、=20°、b=10~50mma=100mm,v=10m/s齒面粗糙度為Rz=3μm，失效概率為1%?！?-5齒輪精度、設(shè)計(jì)參數(shù)及許用應(yīng)力2.接觸疲勞強(qiáng)度許用應(yīng)力[H]：HNHHHKSlim][s=s,19101--=-圖10-21勞極限試驗(yàn)齒輪的齒面接觸疲命系數(shù)，圖接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的壽小安全系數(shù)接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的最lim-sHHNHHKSS§5-5齒輪精度、設(shè)計(jì)參數(shù)及許用應(yīng)力3.彎曲疲勞強(qiáng)度許用應(yīng)力[F]：2010,E--s-圖勞極限彎曲疲安全系數(shù)彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的FFFS=1.25-1.5SFNFFFKSE][s=s-FNK彎曲疲勞壽命系數(shù)圖10-18一、輪齒受力分析§5-6標(biāo)準(zhǔn)斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算切向力徑向力軸向力法向力大小切向力:徑向力:軸向力:方向ba=costannrFFttatanFFb=ba=coscosntnFF主動(dòng)輪左右手定則：§5-6標(biāo)準(zhǔn)斜圓柱齒輪傳動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算(1)主動(dòng)輪左旋（右旋）左手（右手）(2)四指握指回轉(zhuǎn)方向(3)拇指指向軸向力方向關(guān)系二、齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算§5-6標(biāo)準(zhǔn)斜圓柱齒輪傳動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算斜齒圓柱齒輪法面齒廓曲率半徑1.模型：,

2.接觸應(yīng)力：ttbtnαdρρβ徑：法面齒廓接觸點(diǎn)曲率半2sin

;cos

==ρ2.接觸應(yīng)力：§5-6標(biāo)準(zhǔn)斜圓柱齒輪傳動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算uubdKFZZEHH121t±=settcos

)2(ea==KFKFFnnc計(jì)算載荷：aa見圖10-30：]

[Hs￡圖10-26：§5-6標(biāo)準(zhǔn)斜圓柱齒輪傳動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算校核式：()[]mmZZuuKTdHEHd321112

????è?s±j3uubdKFZZEHH121t±=sea]

[Hs￡設(shè)計(jì)式：ae三、齒根彎曲強(qiáng)度計(jì)算§5-6標(biāo)準(zhǔn)斜圓柱齒輪傳動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算1.模型：斜齒輪法面當(dāng)量直齒輪輪齒受彎，引入Yβ考慮螺旋角影響2.彎曲強(qiáng)度計(jì)算：變化YYSaFa[]2t/mmNYYYmbKFFSaFanFs￡=sb校核式：ea按當(dāng)量齒數(shù)

查表10-5[]mmYYYzKTmFSaFadn32121cos2sfb3be設(shè)計(jì)式abY圖10-28

螺旋角系數(shù)：式中：一、主要設(shè)計(jì)參數(shù)§5-7標(biāo)準(zhǔn)直齒錐齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算大端參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)值直齒錐齒輪傳動(dòng)的幾何參數(shù)35.0~25.0)5(==fRbR齒寬系數(shù)：二、受力分析§5-7標(biāo)準(zhǔn)直齒錐齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算切向力:徑向力:軸向力：方向切向力徑向力軸向力法向力大小關(guān)系tncosa=F