第十章齿轮传动齿轮传动概述ppt课件.ppt

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1、第十章 齿轮传动,10-1 齿轮传动概述,10-2 齿轮传动的失效形式及设计准则,10-3 齿轮的材料及其选择原则,10-4 齿轮传动的计算载荷,10-5 标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算,10-6 齿轮传动设计参数、许用应力与精度选择,10-7 标准斜齿圆柱齿轮传动的强度计算,10-8 标准锥齿轮传动的强度计算,10-9 齿轮的结构设计,10-10 齿轮传动的润滑,齿轮传动概述1,一、齿轮传动的主要特点：,齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一，其应用范围十分广泛。,10-1 齿轮传动概述,1、优点：与带、链等传动比较，具有传递功率范围大、允许工作转速高、传动效率高、传动比准确、使用寿命长、工作

2、可靠、结构紧凑等。,2、缺点：工作中有振动、冲击和噪声，并有动载荷产生；无过载保护性能；制造与安装精度高，成本高；须用专门设备制造等。,齿轮传动概述1,10-1 齿轮传动概述,二、齿轮传动的分类,按齿轮类型分：直齿圆柱齿轮传动斜齿圆柱齿轮传动锥齿轮传动人字齿轮传动,齿轮传动的失效形式及设计准则,10-2 齿轮传动的失效形式及设计准则,一、齿轮的主要失效形式,齿轮传动的失效主要是指轮齿的失效，其失效形式是多种多样的。常见的失效形式有：,齿面磨损,齿面点蚀,齿面胶合,塑性变形,轮齿折断,齿轮传动的失效形式及设计准则,10-2 齿轮传动的失效形式及设计准则,一、齿轮的主要失效形式,1.轮齿折断,（2

3、）过载折断 意外过载（或磨损s、冲击载荷）突然折断,（1）疲劳折断 初始裂纹应力重复作用裂纹扩展折断,2.齿面磨损 相对滑动+“磨粒”（金属微粒、杂物、灰尘）磨损 平稳性、冲击、噪声，齿厚 失真、折断,措施：过渡圆角半径、表面粗糙度、对齿根进行强化处理等,措施：开式 闭式,齿轮传动的失效形式及设计准则,10-2 齿轮传动的失效形式及设计准则,一、齿轮的主要失效形式,3.齿面点蚀,闭式软齿面齿轮传动主要失效形式,H 变应力、N 细微裂纹 扩展 剥落 主要发生在节线附近齿根一侧,措施：齿面硬度、表面粗糙度、采用粘度高的油,齿轮传动的失效形式及设计准则,10-2 齿轮传动的失效形式及设计准则,一、齿

4、轮的主要失效形式,3.齿面点蚀,4.齿面胶合,高速、重载、高温条件下压力、温度、油粘度 金属直接接触熔焊撕裂胶合 措施：齿面硬度、表面粗糙度、采用抗胶 合能力强的油等,闭式软齿面齿轮传动主要失效形式,H 变应力、N 细微裂纹 扩展 剥落 主要发生在节线附近齿根一侧,措施：齿面硬度、表面粗糙度、采用粘度高的油,胶合,齿轮传动的失效形式及设计准则,10-2 齿轮传动的失效形式及设计准则,一、齿轮的主要失效形式,5.齿面塑性变形 软齿面、低速重载局部塑性变形 措施：硬度、润滑油粘度,齿轮传动的失效形式及设计准则,10-2 齿轮传动的失效形式及设计准则,一、齿轮的主要失效形式,齿轮传动的失效主要是指轮

5、齿的失效，其失效形式是多种多样的。常见的失效形式有：,由于齿轮其它部分（齿圈、轮辐、轮毂等）通常是经验设计的，其尺寸对于强度和刚度而言均较富裕，实践中也极少失效。,齿面磨损,齿面点蚀,齿面胶合,塑性变形,轮齿折断,齿轮传动的失效形式及设计准则,10-2 齿轮传动的失效形式及设计准则,二、齿轮的设计准则,1.闭式传动 软齿面：点蚀失效为主以保证齿面接触疲劳强度为主 硬齿面：折断失效为主以保证齿根弯曲疲劳强度为主开式传动 磨损失效（为条件性计算）为主 折断失效 只按齿根弯曲强度设计求出 m 将 m 增大 10 15%，以补偿磨损的影响,对高速重载齿轮传动，除以上两设计准则外，还应按齿面抗胶合能力的

6、准则进行设计。,齿轮的材料及其选择原则,10-3 齿轮的材料及其选择原则,一、对齿轮材料性能的要求,齿轮的齿体应有较高的抗折断能力，齿面应有较强的抗点蚀、抗磨损和较高的抗胶合能力，即要求：齿面硬、芯部韧。,二、常用的齿轮材料,（一）锻钢(碳钢或合金钢）软齿面齿轮：（HBS350）工艺过程：轮坯正火或调质处理切齿，切制后精度 7、8 级 硬齿面齿轮：（HBS 350）工艺过程：轮坯切削加工表面硬化处理磨齿等精加工（4、5级）（二）铸钢 形状复杂、尺寸较大的齿轮（耐磨性好、强度高）（三）铸铁 大直径、低速、小功率、工作平稳、开式传动（抗冲击及耐磨性较差，但抗胶合和抗点蚀能力较好）（四）非金属材料

7、高速、轻载、精度要求不高（质量轻噪音小）,齿轮的材料及其选择原则,10-3 齿轮的材料及其选择原则,齿轮的材料及其选择原则,10-3 齿轮的材料及其选择原则,齿轮的材料及其选择原则,10-3 齿轮的材料及其选择原则,三、齿轮材料的选择,基本原则：（1）必须满足工作条件的要求；（2）综合考虑工艺性和经济性的要求。,参考原则：选择适当的热处理方法：正火碳钢 只能用于制作在载荷平稳或轻度冲击下工作的齿轮。调质碳钢 可用于制作在中等冲击载荷下工作的齿轮。合金钢 常用于制作高速、重载并在冲击载荷下工作的齿轮。一对齿轮的材料搭配：小齿轮的材料和热处理方法比大齿轮的强；为防止产生胶合，两轮的材料性能差别越大

8、越好；两轮的材料相同时，小齿轮齿面硬度也应比大齿轮的高 3050HBS。采用软硬齿面搭配时，冷作硬化作用齿面的疲劳强度。,10-4 齿轮传动的计算载荷,强度计算中通常取沿齿面接触线单位长度上所受的载荷，即：,实际传动中由于原动机、工作机性能的影响以及制造误差的影响，载荷会有所增大，且沿接触线分布不均匀。,计算载荷：,K为载荷系数，其值为：KKA Kv K K,式中：KA 使用系数,Kv 动载系数,K齿间载荷分配系数,K齿向载荷分布系数,10-4 齿轮传动的计算载荷,1、使用系数KA：考虑齿轮系统外部因素引起的附加动载荷的影响；影响因素原动机、工作机的运转特性、轴和联轴器的类型、缓冲性能等；取值

9、方法参考表10-2（P193）,10-4 齿轮传动的计算载荷,1、使用系数KA 物理意义考虑齿轮系统外部因素引起的附加动载荷的影响；影响动载荷大小的因素原动机、工作机的运转特性、轴和联轴 器的类型、缓冲性能等；取值方法参考表10-2（P190）,10-4 齿轮传动的计算载荷,2、动载系数Kv:考虑齿轮副在啮合过程中因啮合误差和运转速度而引起的内部附加动载荷的影响。原因：齿轮传动的制造、安装误差及受载后轮齿的变形法向齿距不相等i瞬常数动载荷,措施：采用修缘齿，即将轮齿齿顶的一小部分齿廓曲线修成压力角20的渐开线；但修缘量不可过大，否则会因重合度减小过多,取值方法：根据齿轮精度等级进行选择。图10

10、-8、P194,10-4 齿轮传动的计算载荷,10-4 齿轮传动的计算载荷,3、齿间载荷分配系数K：考虑同时啮合齿对间载荷分配不均匀性的影响 1 2，当双对齿啮合时，在理想状态下，载荷应平均分配在两对齿上。但实际上，由于齿轮制造的误差和轮齿受力后变形，造成载荷在各齿对之间的分配时不均匀的。,取值方法：一般不需要精确计算的齿轮和30的斜齿圆柱齿轮传动可根据其精度等级由表10-3（p195)查取;,主要影响因素1）受载后轮齿变形；2）轮齿制造误差（特别是基节偏差）；3）齿廓修形（修缘量）；4）磨合效果。,10-4 齿轮传动的计算载荷,3、齿间载荷分配系数K 考虑同时啮合的各齿对间载荷分配不均匀性的

11、影响；1 2，当双对齿啮合时，在理想状态下，载荷应平均分配在两对齿上。但实际上，由于齿轮制造的误差和轮齿受力后变形，造成载荷在各齿对之间的分配时不均匀的。,10-4 齿轮传动的计算载荷,3、齿向载荷分布系数K：考虑工作载荷沿轮齿接触线方向分布不均匀性的影响,产生原因:由于轴的弯曲和扭转变形、轴承的弹性位移以及传动装置的制造和安装误差等原因，导致齿轮副相互倾斜及轮齿扭曲，最终造成轮齿沿接触线产生载荷分布的不均匀。影响因素：主要有齿轮在轴上位置的安排、轴承及支座的刚度等因素。,措施a)增大轴及支座的刚度；b)尽量采用对称布置；c)适当限制齿宽；d)提高精度；e)把一个齿轮的轮齿制作成鼓形齿等。,取

12、值方法P196 表 10-4 P198 图 10-13,直齿圆柱齿轮强度计算1,10-5 标准直齿圆柱齿轮强度计算,一、轮齿的受力分析,以节点 P 处的啮合力为分析对象，并不计啮合轮齿间的摩擦力。,直齿圆柱齿轮强度计算1,10-5 标准直齿圆柱齿轮强度计算,一、轮齿的受力分析,P,圆周力：,径向力：Fr=Ft tan,总作用力：,主动轮上与啮合点速度方向相反从动轮上与啮合点速度方向相同,指向各自的轮心,指向齿体,力的大小：,力的方向：,力的作用点：齿宽中点的分度圆处,直齿圆柱齿轮强度计算2,二、齿根弯曲疲劳强度计算,10-5 标准直齿圆柱齿轮强度计算,第个问题：在轮齿的危险剖面上存在三种应力

13、由 Fn cos F、由Fn sin c（c、较小，只计算F）c、在应力修正系数Ysa 中加以考虑,1、思路：,问题：载荷在齿上的作用点和载荷数值？如何确定齿根危险剖面的位置？最大应力应包括哪些应力？,第个问题：假定全部载荷Fn由一对轮齿 承受且作用于齿顶弯曲应力最大,第个问题：30切线法确定危险剖面位置 危险截面：a1a2 s,l,直齿圆柱齿轮强度计算2,二、齿根弯曲疲劳强度计算,10-5 标准直齿圆柱齿轮强度计算,2、计算公式：,h,取:h=Khm S=Ksm,考虑载荷系数K,齿形系数YFa 只与齿形有关（、ha*、z、变位系数等），与模数无关（表10-15 p200）,引入应力修正系数Y

14、Sa，考虑c、的影响。,直齿圆柱齿轮强度计算2,二、齿根弯曲疲劳强度计算,10-5 标准直齿圆柱齿轮强度计算,2、计算公式：,h,取:h=Khm S=Ksm,考虑载荷系数K,齿形系数YFa 只与齿形有关（、ha*、z、变位系数等），与模数无关（表10-15 p197）,引入应力修正系数YSa，考虑c、的影响。,(2)应用（10-5）时，YFa Ysa/F?,取 中较大者代入计算,直齿圆柱齿轮强度计算2,二、齿根弯曲疲劳强度计算,10-5 标准直齿圆柱齿轮强度计算,2、计算公式：,校核式（10-4）,设计式（10-5）,3、说明与讨论：,(3)载荷一定时，弯曲强度?,不一定,不一定,改善材料和热

15、处理 F m、b（适当）F,(4)决定弯曲强度的关键参数是：,模数m,直齿圆柱齿轮强度计算2,三、齿面接触疲劳强度计算,10-5 标准直齿圆柱齿轮强度计算,计算模型：两平行圆柱体相接触的赫兹公式：,计算点：节点,直齿圆柱齿轮强度计算2,三、齿面接触疲劳强度计算,10-5 标准直齿圆柱齿轮强度计算,计算模型：两平行圆柱体相接触的赫兹公式：,计算点：节点,直齿圆柱齿轮强度计算2,三、齿面接触疲劳强度计算,10-5 标准直齿圆柱齿轮强度计算,计算模型：两平行圆柱体相接触的赫兹公式：,计算点：节点,直齿圆柱齿轮强度计算2,三、齿面接触疲劳强度计算,10-5 标准直齿圆柱齿轮强度计算,计算模型：两平行圆

16、柱体相接触的赫兹公式：,直齿圆柱齿轮强度计算2,三、齿面接触疲劳强度计算,10-5 标准直齿圆柱齿轮强度计算,计算模型：两平行圆柱体相接触的赫兹公式：,计算点：节点,接触线长度 L=b（齿宽）,表10-6，p201,直齿圆柱齿轮强度计算2,三、齿面接触疲劳强度计算,10-5 标准直齿圆柱齿轮强度计算,计算模型：两平行圆柱体相接触的赫兹公式：,计算点：节点,接触线长度 L=b（齿宽）,表10-6，p201,直齿圆柱齿轮强度计算2,三、齿面接触疲劳强度计算,10-5 标准直齿圆柱齿轮强度计算,校核式（10-8）、（10-8a）,设计计算式（10-9）、（10-9a）,直齿圆柱齿轮强度计算2,三、齿

17、面接触疲劳强度计算,10-5 标准直齿圆柱齿轮强度计算,说明与讨论：,（3）载荷一定时，接触强度？,相等,不一定,改善材料和热处理 H d1（或 a）、b（适当）H,（4）决定接触强度的关键参数是：,分度圆直径d1或中心距a,（2）应用设计式（10-9）时，H=,取：H 1、H2中较小值,直齿圆柱齿轮强度计算2,四、齿轮传动的强度计算说明,10-5 标准直齿圆柱齿轮强度计算,接触强度计算中，因两对齿轮的H1=H2，故按此强度准则设计齿轮 传动时，公式中应代H 1和H 2中较小者。,用设计公式初步计算齿轮分度圆直径d1(或模数mn)时，因载荷系数中的 KV、K、K不能预先确定，故可先试选一载荷系

18、数Kt。算出d1t(或 mnt）后，用d1t再查取KV、K、K从而计算K。若K与Kt接近，则不必修改原设计。否则，按下式修正原设计。,弯曲强度计算中，因大、小齿轮的F、YFa、YSa 值不同，故按此强度准则设计齿轮传动时，公式中应代 和 中较小者。,齿轮传动的设计参数1,一、齿轮传动设计参数的选择,10-6 齿轮传动设计参数、许用应力与精度选择,1压力角a,2齿数 z,H，一般情况下取 a=20；航空用齿轮可取a=25；大重合度高速齿轮可取 a=1618,z1：z2，传动的平稳性；m 齿高 切削量，制造费用。同时，da毛坯的外 径与齿轮的重量；但是，m 轮齿的弯曲强度相应。齿高滑动系数磨损，效

19、率，降低了胶合的危险。,选择原则：闭式软齿面：承载能力主要取决于 H，F 一般都富裕。平稳性，以齿数多些为好。一般取：z1=2040。闭式硬齿面（或开式）齿轮传动，承载能力主要取决于 F，为使m不致过小，故齿数不宜过多，一般取:z1=1720,（当d1已按接触疲劳强度确定时）,齿轮传动的设计参数1,一、齿轮传动设计参数的选择,10-6 齿轮传动设计参数、许用应力与精度选择,3齿宽系数f d,fd 齿宽b 有利于提高强度，但fd过大将导致K,fd 的选取可参考齿宽系数表10-7，p205,齿轮传动的设计参数1,一、齿轮传动设计参数的选择,10-6 齿轮传动设计参数、许用应力与精度选择,3齿宽系数

20、f d,fd 齿宽b 有利于提高强度，但fd过大将导致K,fd 的选取可参考齿宽系数表10-7，p205,齿轮传动的设计参数1,一、齿轮传动设计参数的选择,10-6 齿轮传动设计参数、许用应力与精度选择,3齿宽系数f d,fd 齿宽b 有利于提高强度，但fd过大将导致K,fd 的选取可参考齿宽系数表10-7，p201,b=fd d1 圆整，b1=b2+（510）mm,减速器中，齿宽系数 fa 的规定值为 0.2，0.25，0.3，0.4，0.5，0.6，0.8，1.0，1.2,齿轮传动的设计参数2,二、齿轮传动的许用应力,10-6 齿轮传动设计参数、许用应力与精度选择,KN 寿命系数，应力循环

21、次数 N 对疲劳极限的影响，其它因素影响不大。,n 齿轮的转数，单位为r/min；j 齿轮每转一圈，同一齿面啮合的次数；Lh 齿轮的工作寿命，单位为小时。,KFN 图 10-18 p206、KHN 图 10-19 p207,齿轮传动的设计参数2,二、齿轮传动的许用应力,10-6 齿轮传动设计参数、许用应力与精度选择,KN 寿命系数，应力循环次数 N 对疲劳极限的影响，其它因素影响不大。,n 齿轮的转数，单位为r/min；j 齿轮每转一圈，同一齿面啮合的次数；Lh 齿轮的工作寿命，单位为小时。,KFN 图 10-18 p206、KHN 图 10-19 p207,齿轮传动的设计参数2,二、齿轮传动

22、的许用应力,10-6 齿轮传动设计参数、许用应力与精度选择,KN 寿命系数，应力循环次数 N 对疲劳极限的影响，其它因素影响不大。,n 齿轮的转数，单位为r/min；j 齿轮每转一圈，同一齿面啮合的次数；Lh 齿轮的工作寿命，单位为小时。,KFN 图 10-18 p202、KHN 图 10-19 p203,齿轮传动的设计参数2,二、齿轮传动的许用应力,10-6 齿轮传动设计参数、许用应力与精度选择,KN 寿命系数，应力循环次数 N 对疲劳极限的影响，其它因素影响不大。,n 齿轮的转数，单位为r/min；j 齿轮每转一圈，同一齿面啮合的次数；Lh 齿轮的工作寿命，单位为小时。,KFN 图 10-

23、18 p202、KHN 图 10-19 p203,S 安全系数：点蚀破坏 噪声、振动，能继续工作 取 S=S H=1 断齿 严重事故 取 S=S F=1.251.5,lim 试验齿轮的疲劳极限，弯曲疲劳强度极限 FE=Flim YST(YST 应力校正系数)图10-20接触疲劳强度极限 Hlim 图10-21,齿轮传动的设计参数2,10-6 齿轮传动设计参数、许用应力与精度选择,lim 试验齿轮的疲劳极限，弯曲疲劳强度极限 FE=Flim YST(YST 应力校正系数)图10-20接触疲劳强度极限 Hlim 图10-21,1、此图由试验得到。材料的成分、性能、热处理质量等的波动及原材料和加工方

24、法的变动，极限应力具有一定的离散性在区域内取值。2、ME、MQ和ML分别表示齿轮材料的质量和热处理品质为优、中、差。3、设计时，根据最低硬度值或中值查取；一般取MQML范围内的值。4、当所选材料的硬度值超出区域图范围时，可将图线向两端适当线性延长。5、图为脉动循环数据，对称循环为70%,齿轮传动的设计参数2,10-6 齿轮传动设计参数、许用应力与精度选择,三、齿轮精度的选择,齿轮精度共分12级，1级精度最高，第12级精度最低。、三个公差组,1 第公差组 主要控制齿轮在一转 范围内的转角误差 主要影响齿轮传递速度和分度的准确性。2第公差组 主要控制齿轮在一齿距角范围内的转角误差 主要影响齿轮传动

25、的平稳、振动和噪声以及工作精度。3第公差组 主要控制齿面接触痕迹的大小、形状和位置 主要影响齿轮轮齿载荷分布的均匀性 每个公差组又有多项指标。,齿轮传动的设计参数2,10-6 齿轮传动设计参数、许用应力与精度选择,三、齿轮精度的选择,根据工作条件不 同 三个公差组精度等级可以相同,也可以不同 测量仪器的读数齿轮、机床的分度齿轮、自动控制系 统和计算机构中的齿轮 传递运动的准确性 机床、汽车等变速箱中的齿轮 平稳性和载荷分布的均匀性;传递运动的准确性要求可稍低一些。高速重载（如汽轮机减速器的齿轮等）传递运动的准确性、传动平稳 性和载荷分布的均匀性都有很高的要求 低速重载（如起重机械、矿山机械等的

26、齿轮）啮合的齿面应有最大的接触面积;而对传递运动的准确性和平稳性精度要求，则可降低一些。,齿轮的精度通常以传动的用途，使用条件，传递功率，圆周速度等为依据来确定。,齿轮传动的设计参数2,10-6 齿轮传动设计参数、许用应力与精度选择,齿轮传动的设计参数4,五、直齿圆柱齿轮设计的大致过程,选择齿轮的材料和热处理,选择齿数，选齿宽系数fd初选载荷系数(如Kt=1.2),按接触强度确定直径d1计算得mH=d1/z1,按弯曲强度确定模数mF,确定模数mt=mH,mF,计算确定载荷系数K=KAKvKK,修正计算模数,m模数标准化计算主要尺寸：d1=mz1 d2=mz2 计 算 齿 宽：b=fd d1,确

27、定齿宽：b2=int(b)b1=b2+(5510)mm,10-6 齿轮传动设计参数、许用应力与精度选择,1带传动设计中，限制小带轮的最小直径主要是为了（）。A）限制带的弯曲应力 B）使结构紧凑 C）减小带速 D）限制小带轮的包角2普通平键的剖面尺寸（bh）是根据（）从标准中选出来的。A）轴的直径 B）传递的功率 C）轮毂的长度 D）轴的转速3设计链传动时，链节数与链轮齿数最好互为质数，其原因是为了（）。A)减小磨损与胶合 B)磨损均匀 C)具有抗冲击能力 D)瞬时传动比恒定4带传动中关于过载打滑和弹性滑动的论述，正确的是（）。A）两者都是不可避免的 B）弹性滑动是不可避免的C）过载打滑是不可避免的 D）两者都是可以避免的5.对于软齿面齿轮传动，当大、小齿轮均采用45钢时，一般将（）处理。A）小齿轮调质，大齿轮淬火 B）小齿轮淬火，大齿轮正火 C）小齿轮调质，大齿轮正火 D）小齿轮正火，大齿轮调质6普通平键联接最主要的失效形式是（）。A）键被剪断 B）工作面被压溃 C）工作面磨损 D）工作面扭曲7紧联接的普通螺栓联接强度计算公式中，系数1.3是考虑（）的影响。A）应力集中 B）扭转剪应力 C）载荷变化和冲击 D）安全因素8闭式硬齿面齿轮传动中，主要的失效形式是（）。A）齿面点蚀 B）轮齿折断 C）齿面胶合 D）塑性变形 E）齿面磨损,