第8章 圓柱齒輪傳動.ppt

1、第 8 章 圓柱齒輪傳動,8-1 齒輪傳動的失效形式及設(shè)計準(zhǔn)則,8-2 齒輪的材料及熱處理,8-3 齒輪的精度,8-4 漸開線圓柱齒輪的設(shè)計計算,8-5 齒輪基本參數(shù)選擇,8-6 齒輪設(shè)計計算舉例,8-7 直齒錐齒輪的設(shè)計計算,8-9 齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計,8-10 齒輪傳動的效率和潤滑,一、齒輪傳動的主要特點：,傳動效率高可達(dá)99。在常用的機械傳動中，齒輪傳動的效率為最高；,結(jié)構(gòu)緊湊與帶傳動、鏈傳動相比，在同樣的使用條件下，齒輪傳動所需 的空間一般較?。?與各類傳動相比，齒輪傳動工作可靠，壽命長；,傳動比穩(wěn)定無論是平均值還是瞬時值。這也是齒輪傳動獲得廣泛應(yīng)用的 原因之一；,與帶傳動、鏈傳動相比，齒

2、輪的制造及安裝精度要求高，價格較貴。,齒輪傳動是機械傳動中最重要的傳動之一，其應(yīng)用范圍十分廣泛，型式 多樣，傳遞功率從很小到很大（可高達(dá)數(shù)萬千瓦）。,齒輪傳動概述,二、齒輪傳動的分類,按齒輪類型分：直齒圓柱齒輪傳動斜齒圓柱齒輪傳動 錐齒輪傳動人字齒輪傳動,按裝置形式分：開式傳動、半開式傳動、閉式傳動。,按使用情況分：動力齒輪以動力傳輸為主，常為高速重載或低速重載傳動。 傳動齒輪以運動準(zhǔn)確為主，一般為輕載高精度傳動。,按齒面硬度分：軟齒面齒輪（齒面硬度350HBS）,硬齒面齒輪（齒面硬度350HBS）,三、本章的學(xué)習(xí)目的,本章學(xué)習(xí)的根本目的是掌握齒輪傳動的設(shè)計方法，也就是要能夠根據(jù)齒輪工作條件的

3、要求，能設(shè)計出傳動可靠的齒輪。,設(shè)計齒輪是指設(shè)計確定齒輪的主要參數(shù)以及結(jié)構(gòu)形式。,對于斜齒圓柱齒輪而言，其主要參數(shù)有：模數(shù)m、齒數(shù)z、螺旋角以及壓力角a、 齒高系數(shù)h*a、徑向間隙系數(shù)c*。,圖片,齒輪傳動概述,一、齒輪的主要失效形式,輪齒折斷,齒面磨損,齒面點蝕,齒面膠合,塑性變形,二、齒輪的設(shè)計準(zhǔn)則,對一般工況下的齒輪傳動，其設(shè)計準(zhǔn)則是：,保證足夠的齒根彎曲疲勞強度，以免發(fā)生齒根折斷。,保證足夠的齒面接觸疲勞強度，以免發(fā)生齒面點蝕。,對高速重載齒輪傳動，除以上兩設(shè)計準(zhǔn)則外，還應(yīng)按齒面抗膠合能力的準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計。,由實踐得知：閉式軟齒面齒輪傳動，以保證齒面接觸疲勞強度為主。 閉式硬齒面或開式齒

4、輪傳動，以保證齒根彎曲疲勞強度為主。,齒輪傳動的失效主要是指輪齒的失效，其失效形式是多種多樣的。常見的失效形式有：,由于齒輪其它部分（齒圈、輪輻、輪轂等）通常是經(jīng)驗設(shè)計的，其尺寸對 于強度和剛度而言均較富裕，實踐中也極少失效。,齒輪傳動的失效形式及設(shè)計準(zhǔn)則,一、對齒輪材料性能的要求,齒輪的齒體應(yīng)有較高的抗折斷能力，齒面應(yīng)有較強的抗點蝕、抗磨損和較高的抗膠合能力，即要求：齒面硬、芯部韌。,二、常用的齒輪材料,鋼：許多鋼材經(jīng)適當(dāng)?shù)臒崽幚砘虮砻嫣幚?，可以成為常用的齒輪材料；,鑄鐵：常作為低速、輕載、不太重要的場合的齒輪材料；,非金屬材料：適用于高速、輕載、且要求降低噪聲的場合。,三、齒輪材料選用的基

5、本原則,齒輪材料必須滿足工作條件的要求，如強度、壽命、可靠性、經(jīng)濟性等；,應(yīng)考慮齒輪尺寸大小，毛坯成型方法及熱處理和制造工藝；,鋼制軟齒面齒輪，其配對兩輪齒面的硬度差應(yīng)保持在3050HBS或更多。,常用金屬材料,齒輪的材料及熱處理,齒輪精度共分12級，1級精度最高，第12級精度最低。 選擇精度依據(jù)傳動的用途，使用條件，傳遞功率，圓周速度等。,齒輪的精度,表8-3 常用精度等級適用的圓周速度范圍 （單位： m/s）,表8-2 各類機械中常用齒輪傳動精度等級,以節(jié)點 P 處的嚙合力為分析對象，并不計嚙合輪齒間的摩擦力，可得：,嚙合傳動中，輪齒的受力分析,直齒圓柱齒輪受力分析,由于Fatanb，為了

6、不使軸承承受的軸向力 過大，螺旋角b不宜選得過大，常在b=820之 間選擇。,斜齒圓柱齒輪受力分析,嚙合傳動中，輪齒的受力分析,齒輪受力方向,1、作用在主動輪上的各力與作用在從動輪上的各力大小相等、方向相反 2、主動輪上的切向力Ft與作用點的輪齒速度方向相反。 3、徑向力Fr總是指向各自的輪心。 4、法向力Fn總是沿齒廓法向指向各自的嚙合齒面。 5、主動輪上的軸向力Fa的方向可用如下判則：右旋齒用右手判則，左旋齒用左手判則，四指沿主動輪旋轉(zhuǎn)方向握軸，大拇指指向即為作用在主動輪上的軸向力的方向。,課堂討論,已知圖示二級減速傳動，輸入軸的轉(zhuǎn)向如圖。要求： 確定各軸轉(zhuǎn)向 確定各齒輪螺旋角方向，使軸上

7、的軸向力最小，輪1的軸向力指向A處 確定輪1、輪3的各作用力,實際傳動中由于原動機、工作機性能的影響以及制造誤差的影響，載荷分布不均勻等使載荷有所增大。在工程計算中使用計算載荷：,K為載荷因數(shù)，其值為：KKA Kv KK,式中：KA 使用因數(shù),Kv 動載因數(shù),K齒間載荷分配因數(shù),K齒向載荷分布因數(shù),齒輪傳動的計算載荷,各因數(shù)的數(shù)值可從教材P116120頁查到,漸開線圓柱齒輪齒面接觸強度計算,齒面接觸應(yīng)力計算式：,（8-6）,式中 H齒輪的計算接觸應(yīng)力（MPa）； ZH節(jié)點區(qū)域因數(shù), 見圖8-17。對標(biāo)準(zhǔn)直齒輪20o時，ZH2.5； ZE材料彈性系數(shù)（MPa1/2 ）。 鋼對鋼時，ZE189.8

8、 MPa1/2；鋼對鑄鋼時，ZE188.9 MPa1/2； 鋼對球墨鑄鐵時，ZE181.4 MPa1/2。其他材料組合的ZE值見標(biāo)準(zhǔn)。 Z重合度因數(shù)，見圖8-18； Z螺旋角因數(shù)，見圖8-19； Ft分度圓切向力（N）； b齒寬（mm），取一對齒輪中的較小齒寬，通常為大齒輪的齒寬； d1小齒輪分度圓直徑（mm）； u齒數(shù)比，uz2 /z1 ；,“ ”號中，“”用于外嚙合，“”用于內(nèi)嚙合。,在節(jié)點嚙合時，接觸應(yīng)力較大，故以節(jié)點為接觸應(yīng)力計算點。,詳細(xì)說明,漸開線圓柱齒輪齒面接觸強度計算,國標(biāo)GB/T 34801997給出的齒輪許用接觸應(yīng)力計算式：,（8-7）,式中： Hlim試驗齒輪的接觸疲勞極

9、限（MPa），見圖8-20； ZNT 接觸強度計算的壽命因數(shù)， 見圖8-21； ZL、ZV、ZR 影響齒面潤滑油膜的潤滑劑因數(shù)、速度因數(shù)和齒面粗糙度因數(shù)。簡化計算時，取ZLVRZL ZV ZR= (0.85,0.92,1) ZW 齒面工作硬化因數(shù)：ZW1.2（HBS130）/1 700 HBS為大齒輪的齒面硬度； ZX 尺寸因數(shù)。見圖8-22所示，靜強度時ZX1， SHmin 接觸強度的最小安全因數(shù)。SHmin?。?.851.6；,漸開線圓柱齒輪齒面接觸強度計算,齒面接觸強度條件式：,取齒寬因數(shù)bd*b/d1，載荷因數(shù) KKAKVKHKH， Ft2000T1/d1，代入上式中可得小齒輪分度圓直

10、徑d1 的設(shè)計公式。,對于20的標(biāo)準(zhǔn)圓柱直齒輪和斜齒輪，齒輪副材料為鋼對鋼，精度不高、重合度影響不計時，其設(shè)計公式分別為：,注： 一對相嚙齒輪，兩齒輪的接觸應(yīng)力值H是相等的，而兩齒輪的許用應(yīng)力值HP1、HP2常因材料及熱處理不同而不等。計算時，應(yīng)以HP1、HP2中之小值評定強度條件。,中等精度齒輪傳動的彎曲疲勞強度計算的力學(xué)模型如下圖所示。,根據(jù)該力學(xué)模型可得齒根理論彎曲應(yīng)力,YFa為齒形因數(shù)，是僅與齒形有關(guān)而與模數(shù)m無關(guān) 的系數(shù)，其值可根據(jù)齒數(shù)查表獲得。,輪齒彎曲疲勞強度計算,YSa載荷作用于齒頂時的應(yīng)力修正因數(shù)，與齒根圓角參數(shù)有關(guān)。,簡化計算時，可取復(fù)合齒形因數(shù)YFS YFaYSa ，外齒

11、輪的YFS對于直齒輪按齒數(shù)z 、斜齒輪按當(dāng)量齒數(shù)zv z / cos3由圖8-24查取。對內(nèi)齒輪可取 YFS25.44。,Y 為重合度因數(shù)。近似計算時取1,Y 為螺旋角因數(shù)。近似計算時取1,強調(diào)： YFS僅與齒數(shù)相關(guān)。 一般：F1F2,輪齒彎曲疲勞強度計算,國標(biāo)GB/T 34801997給出的齒輪許用彎曲應(yīng)力計算式：,（8-18）,式中： Flim 試驗齒輪的齒根彎曲疲勞極限（MPa），見圖8-25； YST 試驗齒輪的應(yīng)力修正因數(shù)。 當(dāng)Flim值由圖8-25查取時，YST2.0； YNT 彎曲強度計算的壽命因數(shù)。見圖8-26； YrelT相對齒根圓角敏感因數(shù)。 YRrelT 相對齒根表面狀況

12、因數(shù)。 Yx 彎曲強度計算的尺寸因數(shù)（見圖8-28）； SFmin 彎曲強度計算的最小安全因數(shù) ；,輪齒彎曲疲勞強度計算,齒面彎曲強度條件式：,取bbd*d1bd* z1mn / cos ，KKAKVKFKF， Ft2 000T1/d1 2 000T1 cos/ z1mn， YFSYFaYSa，取10，令Y1，Y1。得斜齒輪彎曲強度設(shè)計公式：,0時，得直齒輪彎曲強度設(shè)計公式：,模數(shù)影響齒根彎曲強度的主要幾何參數(shù),大小齒輪分別計算，取大值,1齒數(shù)比u的選擇,2齒數(shù)的選擇,一般情況下，閉式齒輪傳動: z1=2040 開式齒輪傳動: z1=1720 z2=uz1,3齒寬系數(shù)bd* 的選擇,當(dāng)d1已按

13、接觸疲勞強度確定時，,z1,m,重合度e,傳動平穩(wěn),抗彎曲疲勞強度降低,齒高h(yuǎn) ,減小切削量、減小滑動率,因此，在保證彎曲疲勞強度的前提下，齒數(shù)選得多一些好！,bd* 齒寬b 有利于提高強度，但bd* 過大將導(dǎo)致K,一般減速傳動取u68；增速傳動取u1.52； 開式傳動或手動傳動可取到812。,bd*的選取可參考齒寬因數(shù)表 （表8-8）,齒輪基本參數(shù)選擇,齒寬因數(shù)推薦值,表8-8 齒寬因數(shù)bd* 的薦用值,注：1.載荷變動較小時，bd*可取大些；載荷變動較大時，bd*宜取小些。 2.括號內(nèi)的數(shù)值用于人字齒輪或雙斜齒輪，其齒寬b應(yīng)為兩半齒圈寬度之和。,為防止齒輪裝配時大小齒輪的軸向錯位導(dǎo)致嚙合齒

14、寬減小， 一般?。篵2bbd*d1 ， b1b2（510）mm。,齒輪傳動參數(shù)選擇,4螺旋角的選擇,通常815 （20 ）。 增大螺旋角有利于提高傳動平穩(wěn)性、降低噪聲，但軸向力增大。因此，對輕載、高速傳動，應(yīng)以降低噪聲為主，宜取大些；對重載、低速傳動，應(yīng)勿使軸向力過大，宜取小些。如在多級傳動中，高速第一級齒輪常取10 15 ，第二級取8 12 ，第三級則可采用直齒輪。 的方向應(yīng)使輪齒上的軸向力由徑向力較小的軸承承受。當(dāng)一根軸上有兩個齒輪時,應(yīng)使兩個齒輪的軸向力盡可能抵消。它們的輪齒螺旋方向應(yīng)相同。 對人字齒輪或雙斜齒輪，因作用在兩半齒圈上的軸向力可抵消，故可大到20 40 ，常取30 左右。,

15、齒輪傳動設(shè)計計算,1.選擇齒輪材料和熱處理方法，確定齒輪的疲勞極限。 2. 初定齒輪主要參數(shù)： 1） 按齒面接觸強度估算齒輪中心距； 2） 按齒根彎曲強度估算齒輪模數(shù)； 3） 初定齒輪幾何參數(shù)； 4） 計算圓周速度，選擇齒輪精度等級。 3. 校核齒面接觸疲勞強度。 4. 校核齒根彎曲疲勞強度。 5. 齒輪尺寸。 6. 繪制齒輪的零件工作圖樣。,學(xué)習(xí)132頁例題,齒輪傳動設(shè)計內(nèi)容包括確定齒輪的主要參數(shù)以及結(jié)構(gòu)形式。,主要參數(shù)：模數(shù)m、齒數(shù)z、螺旋角以及壓力角a、齒寬,對軸交角為90的直齒錐齒輪傳動：,直齒錐齒輪傳動是以大端參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)值，強度計算時，是以錐齒輪齒寬中點處的當(dāng)量齒輪作為計算時的依據(jù)。

16、,直齒錐齒輪傳動的幾何參數(shù),令bR*=b/R為錐齒輪傳動的齒寬因數(shù)，設(shè)計中常取bR*= 0.250.35。,直齒錐齒輪的基本參數(shù),教材中用下標(biāo)e表示大端參數(shù),直齒錐齒輪的輪齒受力分析模型如下圖，將總法向載荷集中作用于齒寬中 點處的法面截面內(nèi)。Fn可分解為圓周力Ft，徑向力Fr和軸向力Fa三個分力。,各分力計算公式：,軸向力Fa的方向總是由錐齒輪的小端指向大端。,輪齒受力分析,齒面接觸疲勞強度計算,直齒錐齒輪的齒面接觸疲勞強度，按齒寬中點處的當(dāng)量圓柱齒輪計算。工作齒寬取為錐齒輪的齒寬b。,綜合曲率為：,利用赫茲公式，并代入齒寬中點處的當(dāng)量齒輪相應(yīng)參數(shù)，可得錐齒輪齒面接觸疲勞強度計算公式。,校核計

17、算公式：,當(dāng)20、90、鋼對鋼、未修形時，直齒錐齒輪齒面接觸強度設(shè)計公式：,直齒錐齒輪承載能力計算,齒根彎曲疲勞強度計算,直齒錐齒輪的彎曲疲勞強度可近似地按齒寬中點處的當(dāng)量圓柱齒輪進(jìn)行計算。采用直齒圓柱齒輪強度計算公式，并代入當(dāng)量齒輪的相應(yīng)參數(shù)，得：,校核計算公式：,設(shè)計計算公式：,直齒錐齒輪承載能力計算,通過強度計算確定出了齒輪的齒數(shù)z、模數(shù)m、齒寬B、螺旋角b、分度圓直徑d 等主要尺寸。,在綜合考慮齒輪幾何尺寸，毛坯，材料，加工方法，使用要求及經(jīng)濟性等各方面因素的基礎(chǔ)上，按齒輪的直徑大小，選定合適的結(jié)構(gòu)形式，再根據(jù)推薦的經(jīng)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸計算。,常見的結(jié)構(gòu)形式有,齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要是確定

18、輪緣，輪輻，輪轂等結(jié)構(gòu)形式及尺寸大小。,輪輻式結(jié)構(gòu),中型尺寸齒輪結(jié)構(gòu),小尺寸齒輪結(jié)構(gòu),大尺寸齒輪結(jié)構(gòu),腹板式結(jié)構(gòu),齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計,齒輪傳動的效率,功率損耗不僅造成經(jīng)濟損失，也使傳動裝置溫度升高，引發(fā)故障和降低承載能力。,一般，齒輪傳動的總效率按下式計算： 123 （8-28） 式中 1考慮齒輪嚙合損耗的效率； 2考慮齒輪攪油損耗的效率； 3軸承的效率。,提高齒輪傳動效率的措施： 1）減小齒輪嚙合損耗。 2）減小攪油損耗。 3）減小軸承損耗。 4）減小密封損耗。,一、齒輪傳動潤滑的目的,對齒輪傳動進(jìn)行潤滑，目的是避免金屬直接接觸，減少摩擦磨損，同時還可以起到散熱和防銹蝕的目的。,二、齒輪傳動的潤

19、滑方式,開式及半開式齒輪傳動或速度較低的閉式齒輪傳動，通常采用人工周期性加油潤滑。通用的閉式齒輪傳動，常采用浸油潤滑和噴油潤滑。,三、潤滑劑種類的選擇,詳細(xì)介紹,齒輪傳動常用的潤滑劑為潤滑油或潤滑脂。 選用時，應(yīng)根據(jù)齒輪的工作 情況（轉(zhuǎn)速高低、載荷大小、環(huán)境溫度等），選擇潤滑劑的粘度、牌號。,齒輪傳動的潤滑,開式齒輪傳動，可選用開式齒輪油，詳見石化行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SH/T 036392。,閉式齒輪傳動，通常根據(jù)齒面接觸應(yīng)力大小選用不同類型的工業(yè)齒輪油，詳見國標(biāo)GB 59031995。當(dāng)H350 MPa時，選用L-CKB抗氧防銹工業(yè)齒輪油；當(dāng)H350500 MPa時，選用L-CKB抗氧防銹工業(yè)齒輪油或L

20、-CKC中載荷工業(yè)齒輪油；當(dāng)H5001100 MPa時，選用L-CKC中載荷工業(yè)齒輪油；當(dāng)H1100 MPa時，選用L-CKD重載荷工業(yè)齒輪油。,四、潤滑劑牌號的選擇,一般根據(jù)節(jié)圓線速度和Stribeck滾動壓力選擇潤滑油的粘度。,齒輪傳動的潤滑,閉式按圖8-42查得的潤滑油粘度，應(yīng)按表8-11進(jìn)行修正，根據(jù)修正的粘度值查國標(biāo)GB59031995確定工業(yè)齒輪潤滑油的牌號。,力-速度系數(shù)：,選擇粘度的修正與說明,齒輪傳動的潤滑,8-1 齒輪傳動常見的輪齒失效形式有哪些？閉式軟齒面齒輪傳動中，哪些失效形式更易出現(xiàn)？閉式硬齒面齒輪傳動中，哪些失效形式更易出現(xiàn)？開式齒輪傳動中，哪些失效形式更易出現(xiàn)？為

21、什么齒面膠合更易出現(xiàn)在高速重載齒輪傳動中？ 8-3 哪些情況下宜采用軟齒面齒輪傳動？ 8-6 齒面點蝕通常首先出現(xiàn)在什么部位？為什么？ 8-11 如何合理選擇齒輪齒數(shù)?為什么一般宜使z1、 z2互為質(zhì)數(shù)，或使二者的最大公約數(shù)為最小為好？為什么在滿足輪齒彎曲強度的條件下,宜取較多的齒數(shù)? 8-14 為什么通常應(yīng)使小齒輪的齒寬比大齒輪的齒寬稍大些 ？ 8-17 對于軟齒面齒輪，為什么應(yīng)使小齒輪的齒面硬度比大齒輪硬些？二者的齒面硬度差一般以多大為宜？ 8-20 一對相嚙齒輪，若兩輪齒數(shù)不同，但材料和熱處理相同，請判斷它們的齒面接觸應(yīng)力H大??？它們的齒根彎曲應(yīng)力F1、F2哪個大？ 8-29 在圖8-43中標(biāo)出各對齒輪主動輪所受的力（必須標(biāo)在輪齒嚙合處） 8-37 試設(shè)計一專用機床主軸箱中的一對直齒圓柱齒輪傳動，已知傳遞功率P=6 kW，n1=1250 r/min，n2=450 r/min，齒輪相對于軸承為非對稱布置，每天兩班制工作，預(yù)期壽命10年。擬兩齒輪均采用齒面高頻淬火處理，小齒輪采用40Cr，齒面硬度5055 HRC，大齒輪采用35SiMn，齒面硬度4550 HRC，6