第11章-齒輪傳動課件

第11章齒輪傳動§11-1輪齒的失效形式§11-2齒輪材料及熱處理§11-3齒輪傳動的精度§11-4直齒圓柱齒輪傳動的作用力及計算載荷§11-5直齒圓柱齒輪傳動的齒面接觸強度計算§11-6直齒圓柱齒輪傳動的彎曲強度計算§11-8斜齒圓柱齒輪傳動§11-9直齒圓錐齒輪傳動§11-10齒輪的構(gòu)造§11-11齒輪傳動的潤滑和效率§11-7設(shè)計圓柱齒輪時材料和參數(shù)的選取第11章齒輪傳動作用：

不僅用來傳遞運動、而且還要傳遞動力。要求：

運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、足夠的承載能力。分類開式傳動

閉式傳動

----潤滑良好、適于重要應(yīng)用；----裸露、灰塵、易磨損，適于低速傳動。設(shè)計：潘存云§11-1輪齒的失效形式輪齒折斷失效形式設(shè)計：潘存云嚴(yán)重過載突然斷裂疲勞折斷潘存云教授研制§11-1輪齒的失效形式輪齒折斷失效形式齒面接觸應(yīng)力為脈動循環(huán)變化，當(dāng)超過疲勞極限時，表面產(chǎn)生微裂紋、高壓油擠壓使裂紋擴展、微粒剝落。點蝕首先出現(xiàn)在節(jié)線處，齒面越硬，抗點蝕能力越強。軟齒面閉式齒輪傳動常因點蝕而失效。齒面點蝕§11-1輪齒的失效形式輪齒折斷失效形式齒面點蝕齒面膠合高速重載傳動中，常因嚙合區(qū)溫度升高而引起潤滑失效，致使齒面金屬直接接觸而相互粘連。當(dāng)齒面相對滑動時，較軟的齒面沿滑動方向被撕下而形成溝紋。措施：

1.提高齒面硬度2.減小齒面粗糙度3.增加潤滑油粘度(低速)4.加抗膠合添加劑(高速)設(shè)計：潘存云§11-1輪齒的失效形式輪齒折斷失效形式齒面點蝕齒面膠合齒面磨損措施：1.減小齒面粗糙度2.改善潤滑條件磨粒磨損跑合磨損跑合磨損、磨粒磨損。設(shè)計：潘存云§11-1輪齒的失效形式輪齒折斷失效形式齒面點蝕齒面膠合齒面磨損從動齒主動齒齒面塑性變形從動齒主動齒從動齒主動齒從動齒主動齒§11-2齒輪材料及熱處理常用齒輪材料優(yōu)質(zhì)碳素鋼合金結(jié)構(gòu)鋼鑄鋼鑄鐵熱處理方法表面淬火滲碳淬火調(diào)質(zhì)正火滲氮一般用于中碳鋼和中碳合金鋼，如45、40Cr等。表面淬火后輪齒變形小，可不磨齒，硬度可達52~56HRC，面硬芯軟，能承受一定沖擊載荷。1.表面淬火----高頻淬火、火焰淬火2.滲碳淬火滲碳鋼為含碳量0.15~0.25%的低碳鋼和低碳合金鋼，如20、20Cr等。齒面硬度達56~62HRC，齒面接觸強度高，耐磨性好，齒芯韌性高。常用于受沖擊載荷的重要傳動。通常滲碳淬火后要磨齒。調(diào)質(zhì)一般用于中碳鋼和中碳合金鋼，如45、40Cr、35SiMn等。調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度為：220~260HBS。因為硬度不高，故可在熱處理后精切齒形，且在使用中易于跑合。3.調(diào)質(zhì)4.正火正火能消除內(nèi)應(yīng)力、細(xì)化晶粒、改善力學(xué)性能和切削性能。機械強度要求不高的齒輪可用中碳鋼正火處理。大直徑的齒輪可用鑄鋼正火處理。滲氮是一種化學(xué)處理。滲氮后齒面硬度可達60~62HRC。氮化處理溫度低，輪齒變形小，適用于難以磨齒的場合，如內(nèi)齒輪。材料為：38CrMoAlA.5.滲氮特點及應(yīng)用：調(diào)質(zhì)、正火處理后的硬度低，HBS≤350，屬軟齒面，工藝簡單、用于一般傳動。當(dāng)大小齒輪都是軟齒面時，因小輪齒根薄，彎曲強度低，故在選材和熱處理時，小輪比大輪硬度高:20~50HBS表面淬火、滲碳淬火、滲氮處理后齒面硬度高，屬硬齒面，小齒輪的硬度應(yīng)略高。硬齒面承載能力高，但一般需要磨齒。常用于結(jié)構(gòu)緊湊的場合。表11-1常用的齒輪材料及其力學(xué)性能p171§11-3齒輪傳動的精度等級制造和安裝齒輪傳動裝置時，不可避免會產(chǎn)生齒形誤差、齒距誤差、齒向誤差、兩軸線不平行誤差等。誤差的影響：1.轉(zhuǎn)角與理論不一致，影響運動的準(zhǔn)確性；2.瞬時傳動比不恒定，出現(xiàn)速度波動，引起震動、沖擊和噪音影響運動平穩(wěn)性；3.齒向誤差導(dǎo)致輪齒上的載荷分布不均勻，使輪齒提前損壞，影響載荷分布的均勻性。國標(biāo)GB10095-88給齒輪副規(guī)定了12個精度等級。其中1級最高，12級最低，常用的為6~9級精度。按照誤差的特性及它們對傳動性能的主要影響，將齒輪的各項公差分成三組，分別反映傳遞運動的準(zhǔn)確性，傳動的平穩(wěn)性和載荷分布的均勻性。表11-2齒輪傳動精度等級的選擇及其應(yīng)用精度等級直齒圓柱齒輪9級斜齒圓柱齒輪直齒圓錐齒輪圓周速度v(m/s)8級7級6級≤15≤10≤6≤2≤30≤15≤10≤4≤12≤8≤4≤1.5應(yīng)用高速重載齒輪傳動，如飛機、汽車和機床中的重要齒輪；分度機構(gòu)的齒輪傳動。高速中載或低速重載齒輪傳動,如飛機、汽車和機床中的重要齒輪；分度機構(gòu)的齒輪傳動。機械制造中對精度無特殊要求的齒輪。低速及對精度要求低的齒輪設(shè)計：潘存云設(shè)計：潘存云O2O1ttω1（主動）N1N2cα

α

d12α

FnT1§11-4直齒圓柱齒輪傳動的作用力及計算載荷一、輪齒上的作用力及計算載荷圓周力：徑向力：法向力：小齒輪上的轉(zhuǎn)矩：P為傳遞的功率（KW）ω1----小齒輪上的角速度，n1----小齒輪上的轉(zhuǎn)速d1----小齒輪上的分度圓直徑，α----壓力角各作用力的方向如圖O2ω2（從動）O1N1N2ttω1（主動）T1cα

α

d12d22α

FtFrFnFn圓周力的方向：主動輪的方向與其轉(zhuǎn)向相反；從動輪的方向與其轉(zhuǎn)向相同。徑向力Fr的方向：指向各自的輪心（外齒輪）。力的方向背離輪心（內(nèi)齒輪）。主動齒輪直輪齒的受力分析設(shè)計：潘存云二、計算載荷Fn---名義載荷受力變形制造誤差安裝誤差附加動載荷載荷集中用計算載荷KFn代替名義載荷Fn以考慮載荷集中和附加動載荷的影響，K----載荷系數(shù)表11-3載荷系數(shù)K原動機電動機多缸內(nèi)燃機單缸內(nèi)燃機均勻中等沖擊大的沖擊工作機械的載荷特性1~1.21.2~1.61.6~1.81.8~2.01.2~1.61.6~1.81.6~1.81.9~2.12.2~2.4Fnb()maxFnb()min§11-5直齒圓柱齒輪傳動的齒面接觸強度計算在一般閉式齒輪傳動中，輪齒的失效主要是齒面接觸疲勞點蝕和輪齒彎曲疲勞折斷。齒面疲勞點蝕與齒面接觸應(yīng)力的大小有關(guān)設(shè)計：潘存云赫茲公式：“+”用于外嚙合，“-”用于內(nèi)嚙合實驗表明：齒根部分靠近節(jié)點處最容易發(fā)生點蝕，故取節(jié)點處的應(yīng)力作為計算依據(jù)。節(jié)圓處齒廓曲率半徑：齒數(shù)比:u=z2/z1=d2/d1

≥1得:O2ω2（從動）O1N1N2ttω1（主動）T1cα

α

d12d22α

中心距:a=(d2±

d1)/2或:d1

=2a/(u

±1)Cρ1ρ2=d1(u

±1)/2在節(jié)點處，載荷由一對輪齒來承擔(dān)：經(jīng)整理得驗算接觸強度公式:式(11-2)p175按接觸強度設(shè)計公式:式(11-3)p176當(dāng)一對齒輪的材料，傳動比以及齒寬一定時，由齒面接觸強度所決定的承載能力，僅與齒輪的分度圓有關(guān)。分度圓直徑分別相等的兩對齒輪，不論其模數(shù)是否相等，具有相同的承載能力。模數(shù)m不能成為衡量齒輪接觸強度的依據(jù)。許用接觸應(yīng)力：σHlim

----接觸疲勞極限,由實驗確定,表11-1p171SH

----為安全系數(shù)，查表11-5確定。

p176設(shè)計：潘存云rbO30?

30?

§11-6直齒圓柱齒輪傳動的彎曲強度計算假定載荷僅由一對輪齒承擔(dān)，按懸臂梁計算。齒頂嚙合時，彎矩達最大值。hFFnF2F1SFαF

分量F2產(chǎn)生壓縮應(yīng)力可忽略不計，彎曲力矩：M=KFnhFcosαF

危險界面的彎曲截面系數(shù)：彎曲應(yīng)力：危險截面：齒根圓角30?

切線兩切點連線處。齒頂受力：Fn，可分解成兩個分力：F1=Fn

cosαF

F2=FnsinαF

---產(chǎn)生彎曲應(yīng)力；---壓應(yīng)力，小而忽略。Fn∵h(yuǎn)F和SF與模數(shù)m成正比，故YFa與模數(shù)m無關(guān)。彎曲應(yīng)力：對于標(biāo)準(zhǔn)齒輪,YFa僅取決于齒數(shù)Z，取值見圖11-8。YFa

–齒形系數(shù)

輪齒彎曲強度計算公式：式（11-5）

p177輪齒彎曲強度設(shè)計公式：式（11-6）

p177設(shè)計：潘存云3.73.63.53.43.33.23.13.02.92.82.72.62.52.42.32.22.12.01.91.81.73.73.63.53.43.33.23.13.02.92.82.72.62.52.42.32.22.12.01.91.81.7111213141516182025304050100400齒形系數(shù)–YFa

計算根切極限實際根切極限標(biāo)準(zhǔn)齒輪許用彎曲應(yīng)力：彎曲疲勞極限σFE由實驗確定。表11-1SF為安全系數(shù)，查表11-5確定。因彎曲疲勞造成的輪齒折斷可能造成重大事故，而疲勞點蝕只影響壽命，故：SF>SH§11-7設(shè)計圓柱齒輪時材料和參數(shù)的選取一、材料二、主要參數(shù)

齒輪傳動設(shè)計時，按主要失效形式進行強度計算，確定主要尺寸，然后按其它失效形式進行必要的校核。軟齒面閉式齒輪傳動：按接觸強度進行設(shè)計，按彎曲強度校核：硬齒面閉式齒輪傳動：按彎曲強度進行設(shè)計，按接觸強度校核:開式齒輪傳動：按彎曲強度設(shè)計。P179例11.1設(shè)計：潘存云設(shè)計：潘存云設(shè)計：潘存云d12βF'F'ββF'§11-8斜齒圓柱齒輪傳動一、輪齒上的作用力ω1T1圓周力：徑向力：軸向力：輪齒所受總法向力Fn可分解為三個分力:圓周力Ft的方向在主動輪上與運動方向相反，在從動論上與運動方向相同；徑向力指向各自的軸心；軸向力的方向由螺旋方向和輪齒工作面而定。FrFtFt長方體底面長方體對角面即輪齒法面F'=Ft/cosβ

Fr=

F'tgαn

αnFrFnF'αnFncFaFa圓周力的方向:主動輪的方向與其轉(zhuǎn)向相反；從動輪的方向與其轉(zhuǎn)向相同。徑向力Fr的方向：指向各自的輪心（外齒輪）。力的方向背離輪心（內(nèi)齒輪）。斜輪齒的受力分析軸向力Fa

的方向：用“主動輪左右手法則”判斷。左(右)旋左(右)手握，四指齒輪回轉(zhuǎn)方向，拇指軸向力方向1主動21主動21主動2兩級斜輪齒的受力分析斜齒圓柱齒輪傳動的強度計算是按輪齒的法面進行的，其基本原理與直齒輪相同。但是，斜齒輪的重合度大，同時嚙合的輪齒較多，輪齒的接觸線是傾斜的，在法面內(nèi)斜齒輪的當(dāng)量齒輪的分度圓半徑較大，因此斜齒輪的接觸強度和彎曲強度較直齒輪低。二、強度計算一對鋼制標(biāo)準(zhǔn)斜齒輪傳動的接觸應(yīng)力及強度條件為：得設(shè)計公式：引入齒寬系數(shù)：ψd=b/d1彎曲應(yīng)力驗算公式：得設(shè)計公式：引入齒寬系數(shù)：ψd=b/d1其中模數(shù)mn為法面模數(shù)，YFa為齒形系數(shù),根據(jù)當(dāng)量齒數(shù)由圖表11-8查得。P182例11.2設(shè)計：潘存云dm2d2bδ1δ2§11-9直齒圓錐齒輪傳動一、輪齒上的作用力小齒輪齒寬中點分度圓直徑：

dm12δFnc假設(shè)力集中作用在輪齒中點分度圓處。d1b/2dm1d1AB=(b/2)sinδ1dm1=d1-2ABdm1δ1AB=d1-bsinδ1設(shè)計：潘存云Ft的方向在主動輪上與運動方向相反，在從動輪上與運動方向相同；δdm12圓周力：徑向力：軸向力：軸向力Fa的方向?qū)蓚€齒輪都是背著錐頂。由小端指向大端輪齒所受總法向力Fn可分解為三個分力:ω1T1FtFaFrF'FnFtF'FrFasinδ1=cosδ2cosδ1=sinδ2徑向力指向各自的軸心；當(dāng)δ1+δ2=90?

時，有：Ft1=Fa2Fa1=Ft2于是有：cFnα

ααδδ§11-10齒輪的構(gòu)造設(shè)計：潘存云直徑較小的鋼質(zhì)齒輪，當(dāng)齒根圓直徑與軸徑接近時，可以將齒輪與軸做成一體，稱為齒輪軸。否則可能引起輪緣斷裂。1.齒輪軸設(shè)計：潘存云e圓柱齒輪：e<2mt

e圓錐齒輪：e<1.6mt

設(shè)計：潘存云§11-10齒輪的構(gòu)造直徑較小的鋼質(zhì)齒輪，當(dāng)齒根圓直徑與軸徑接近時，可以將齒輪與軸做成一體，稱為齒輪軸。如果齒輪的直徑比軸徑大得多，則應(yīng)把齒輪和軸分開制造。1.齒輪軸2.實心齒輪da≦200mm設(shè)計：潘存云dh=1.6ds

;lh=(1.2.~1.5)

ds

,并使lh

≥b

c=0.3b;δ=(2.5.~4)

mn

,但不小于8mmd0和d按結(jié)構(gòu)取定，當(dāng)d較小時可不開孔3.腹板式齒輪da≦500mm設(shè)計：潘存云dd0bdsdhda斜度1:10lhδc3.腹板式齒輪dh=1.6ds

;lh=(1.2.~1.5)

ds

,并使lh

≥b

c=0.3b;δ=(2.5.~4)

mn

,但不小于8mmd0和d按結(jié)構(gòu)取定。設(shè)計：潘存云bdsdhda斜度1:10lhδc設(shè)計：潘存云設(shè)計：潘存云dh=1.6ds

(鑄鋼);dh=1.6ds

(鑄鐵)lh=(1.2.~1.5)

ds

,并使lh

≥b

c=0.2b;但不小于10mmδ=(2.5.~4)

mn

,但不小于8mmh1=0.8ds;h2=0.8h1;s=1.5h1;但不小于10mme=0.8ds;h2=0.8h1

設(shè)計：潘存云bdsdhda斜度1:20cδlhh1eeh2s4.輪輻式齒輪da≧400mm設(shè)計：潘存云設(shè)計：潘存云dh=1.6ds

;lh=(1.2.~1.5)

ds

c=(0.2~0.3)b;?=(2.5~4)me;但不小于10mm