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1、第三章 齿轮传动设计（一）,主 讲 吴 昌 林,公元前二世纪西汉初年的金属铸造齿轮,第三章 齿轮传动设计,一、齿轮设计的基本问题,(1) 传动要平稳,一对齿啮合：,齿廓曲线的问题,正确啮合条件：,连续传动条件：,且旋向相反,保证传动平稳,正确的几何尺寸计算,加工制造精度,(2) 强度要足够,传递一定的功率,或,二、齿轮传动的失效形式及设计准则,(一) 失效形式,(1) 疲劳折断,现象：,齿根处产生裂纹,扩展,材料较脆,断齿,原因：,根部应力集中,1. 轮齿折断,(2) 过载折断 (静强度问题),原因：,脆性材料,突然过载或冲击,第三章 齿轮传动设计,2. 齿面点蚀,现象：,齿面产生裂纹,油的挤
2、压,金属剥落,靠近节线的齿根面上出现麻点,原因：,有润滑油存在的闭式传动,齿面较软、硬度 350HBS,3. 齿面胶合,现象：,齿面上沿相对滑动方向形成伤痕,原因：,(热胶合),高速重载,高温失油,(冷胶合),低速重载,不易形成油膜,两齿面金属直接接触并粘接,齿面间相对滑动,较软齿面沿滑动方向被撕下一条条伤痕,第三章 齿轮传动设计,4. 齿面磨料磨损,现象：,齿面磨损、齿形变瘦,原因：,两齿面间有相对滑动,铁屑、灰尘进入,常发生于润滑不良的开式齿轮传动,5. 齿面塑性变形,现象：,齿面失去正常齿形,原因：,齿面较软,重载,齿面形成凹沟、凸棱,主动轮上摩擦力分别朝向齿顶和齿根 形成凹沟,从动轮上
3、摩擦力由齿顶和齿根朝向中间 形成凸棱,第三章 齿轮传动设计,(二) 设计准则,齿面间的接触疲劳点蚀,轮齿的弯曲疲劳折断,齿面接触疲劳强度条件,轮齿弯曲疲劳强度条件,闭式传动,软齿面 (硬度 350HBS),按齿面接触疲劳强度条件设计,按轮齿弯曲疲劳强度条件校核,硬齿面(硬度 350HBS),按轮齿弯曲疲劳强度条件设计,按齿面接触疲劳强度条件校核,开式传动,按轮齿弯曲疲劳强度条件设计,第三章 齿轮传动设计,三、齿轮材料及许用应力,1. 齿轮材料及热处理,(1) 锻钢,优质碳素钢： 45、,合金钢： 35SiMn、40Cr、20CrMnTi、,热处理,正火,调质,软齿面 (硬度 350HBS),小
4、轮齿面硬度比大轮高 3050 HBS,表面淬火,渗碳淬火,氮化,硬齿面 (硬度 350HBS ),常用于高速、重载、精密传动,第三章 齿轮传动设计,(2) 铸钢,(3) 铸铁,常用于不太重要、不受尺寸限制的场合,(4) 非金属,夹布胶木、尼龙、,常用于小功率、精度不高、噪声低的场合,选择原则：,结构紧凑,硬齿面,工艺复杂,一般传动,软齿面,工艺简单,第三章 齿轮传动设计,2. 许用应力,(1) 许用接触疲劳应力,试验齿轮的接触疲劳极限,接触强度计算的寿命系数,接触强度计算的最小安全系数,ML：齿轮材料和热处理质量要求低时 的取线,MQ：齿轮材料和热处理质量中等要求 时的取线,ME：齿轮材料和热
5、处理质量严格要求 时的取线,接触疲劳极限,第三章 齿轮传动设计,转速 r/min,总工作时间 h,一转中轮齿同侧齿面啮合的次数,寿命系数,是按无限寿命试验所得，若为有限寿命则疲劳极限值应提高,有限寿命,最小安全系数,第三章 齿轮传动设计,(2) 许用弯曲疲劳应力,试验齿轮的弯曲疲劳极限,弯曲强度计算的寿命系数,弯曲强度计算的最小安全系数,图中数据是脉动循环变应力下试验所得，若为对称循环变应力则图示数乘 0.7,应力修正系数，取,弯曲疲劳极限,寿命系数,第三章 齿轮传动设计,四、直齿圆柱齿轮传动的强度条件,1. 受力分析,(1) 力的大小,以小齿轮为对象 不考虑摩擦,功率kW,转速r/min,(
6、2) 力的方向,圆周力,径向力,圆周力,径向力,主、从动轮上各对应力大小相等、方向相反,第三章 齿轮传动设计,2. 计算载荷,名义载荷(理论载荷),计算载荷(考虑实际因素的载荷),工作状况的影响,基节不等,瞬时传动比不是定值,产生冲击和动载荷,载荷系数,一般：直齿轮传动、取,斜齿轮传动、取,第三章 齿轮传动设计,齿面上的动载荷沿接触线分布不均匀,齿轮在支承中间对称布置,轴的刚度大,转矩,靠近转矩输入端,轮齿扭转变形大,载荷沿齿宽分布不均,取小值,一般：两轮均为硬齿面时,否则,轴扭转变形,齿轮应布置在远离转矩输入端,第三章 齿轮传动设计,双对齿啮合区,轮齿弹性变形和制造误差,两对齿上载荷不是均匀
7、分配,制造精度低、硬齿面,取大值,取,精度高于 7 级 取,精度低于 7 级 取,斜齿轮,直齿轮,第三章 齿轮传动设计,3. 齿面接触疲劳强度条件,(1) 齿面接触应力的计算,齿面载荷,节点C处的综合曲率半径,接触线长度,代入赫兹公式,赫兹公式,第三章 齿轮传动设计,接触应力,两圆柱体接触、施加压力 Fn,产生接触应力,接触应力的特点：,表面的,局部的,两接触表面的接触应力相等,赫兹公式,第三章 齿轮传动设计,(2) 齿面接触疲劳强度条件,校核式：,节点区域系数,重合度系数,齿数多,重合度大,取小值,材料系数,一般取,第三章 齿轮传动设计,设计式：,令齿宽系数,4. 轮齿弯曲疲劳强度条件,(1
8、) 力学模型(悬臂梁受力),考虑一对轮齿承担全部载荷,线法确定危险截面,第三章 齿轮传动设计,(2) 齿根部弯曲应力,引入：,令,应力修正系数,重合度系数,渐开线越平,仅与齿数 Z 及变位系数 X 有关、与模数 m 无关,齿形系数,第三章 齿轮传动设计,(3) 轮齿弯曲疲劳强度条件,校核式：,与齿数Z及变位系数X有关,设计式：,齿形系数,应力修正系数,重合度系数,一般取,第三章 齿轮传动设计,4. 讨论,(1) 接触应力与接触强度,接触应力：,接触强度：,与材料、热处理、应力循环次数有关,一般不相等,(2) 弯曲应力与弯曲强度,弯曲应力：,弯曲强度：,代入强度条件式,一般小齿轮选材较好,应力是零件受力而产生的,强度是由零件的材料与加工工艺所形成的固有特性,第三章 齿轮传动设计,(3) 提高齿轮接触疲劳强度的主要措施,由,加大,适当加大,正角度变位,对于圆弧齿轮啮合,第三章 齿轮传动设计,(4) 提高轮齿弯曲疲劳强度的主要措施,由,适当加大,较大变位系数 X,第三章 齿轮传动设计,结束,请批评指正!,
