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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：,传动效率高可达99。在常用的机械传动中，齿轮传动的效率为最高；,结构紧凑与带传动、链传动相比，在同样的使用条件下，齿轮传动所需 的空间一般较小；,与各类传动相比，齿轮传动工作可靠，寿命长；,
2、传动比稳定无论是平均值还是瞬时值。这也是齿轮传动获得广泛应用的 原因之一；,与带传动、链传动相比，齿轮的制造及安装精度要求高，价格较贵。,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，型式多样，传递功率从很小到很大（可高达数万千瓦）。,齿轮传动概述,齿轮传动概述2,二、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,按装置形式分：开式传动、半开式传动、闭式传动。,按使用情况分：动力齿轮以动力传输为主，常为高速重载或低速重载传动。传动齿轮以运动准确为主，一般为轻载高精度传动。,按齿面硬度分：软齿面齿轮（齿面硬度350HBS）,硬齿面齿轮（齿面硬度
3、350HBS）,齿轮传动概述,三、本章的学习目的,本章学习的根本目的是掌握齿轮传动的设计方法，也就是要能够根据齿轮工作条件的要求，能设计出传动可靠的齿轮。,设计齿轮是指设计确定齿轮的主要参数以及结构形式。,对于斜齿圆柱齿轮而言，其主要参数有：模数m、齿数z、螺旋角以及压力角a、齿高系数h*a、径向间隙系数c*。,图片,齿轮传动的失效形式及设计准则,齿轮传动的失效形式及设计准则,一、齿轮的主要失效形式,轮齿折断,齿面磨损,齿面点蚀,齿面胶合,塑性变形,二、齿轮的设计准则,对一般工况下的齿轮传动，其设计准则是：,保证足够的齿根弯曲疲劳强度，以免发生齿根折断。,保证足够的齿面接触疲劳强度，以免发生齿
4、面点蚀。,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准则进行设计。,由实践得知：闭式软齿面齿轮传动，以保证齿面接触疲劳强度为主。闭式硬齿面或开式齿轮传动，以保证齿根弯曲疲劳强度为主。,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：,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。,齿轮的材料及其选择原则,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,钢：许多
5、钢材经适当的热处理或表面处理，可以成为常用的齿轮材料；,铸铁：常作为低速、轻载、不太重要的场合的齿轮材料；,非金属材料：适用于高速、轻载、且要求降低噪声的场合。,三、齿轮材料选用的基本原则,齿轮材料必须满足工作条件的要求，如强度、寿命、可靠性、经济性等；,应考虑齿轮尺寸大小，毛坯成型方法及热处理和制造工艺；,钢制软齿面齿轮，其配对两轮齿面的硬度差应保持在3050HBS或更多。,常用材料,齿轮传动的计算载荷,齿轮传动的计算载荷,齿轮传动强度计算中所用的载荷，通常取沿齿面接触线单位长度上所受的载荷，即：,Fn 为轮齿所受的公称法向载荷。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
6、会有所增大，且沿接触线分布不均匀。,接触线单位长度上的最大载荷为：,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,直齿圆柱齿轮强度计算1,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，可得：,啮合传动中，轮齿的受力分析,直齿圆柱齿轮强度计算2,标准直齿圆柱齿轮强度计算,二、齿根弯曲疲劳强度计算,中等精度齿轮传动的弯曲疲劳强度计算的力学模型如下图所示。,根据该力学模型可得齿根理论弯曲应力,计入齿根应力校正系数Ysa后，强度条件式为：,引入齿宽系数后，可得设计公式
7、：,YFa为齿形系数，是仅与齿形有关而与模数m无关的系数，其值可根据齿数查表获得。,YFa与Ysa表,直齿圆柱齿轮强度计算3,标准直齿圆柱齿轮强度计算,三、齿面接触疲劳强度计算,基本公式赫兹应力计算公式，即:,在节点啮合时，接触应力较大，故以节点为接触应力计算点。,齿面接触疲劳强度的校核式：,齿面接触疲劳强度的设计式：,节点处的综合曲率半径为：,详细说明,上述式中：u齿数比，u=z2/z1；ZE 弹性影响系数；ZH 区域系数；,齿轮传动的设计参数1,一、齿轮传动设计参数的选择,齿轮传动设计参数、许用应力与精度选择,1压力角a的选择,2齿数的选择,一般情况下，闭式齿轮传动:z1=2040 开式齿
8、轮传动:z1=1720 z2=uz1,3齿宽系数fd的选择,当d1已按接触疲劳强度确定时，,z1,m,重合度e,传动平稳,抗弯曲疲劳强度降低,齿高h,减小切削量、减小滑动率,因此，在保证弯曲疲劳强度的前提下，齿数选得多一些好！,fd 齿宽b 有利于提高强度，但fd过大将导致K,一般情况下取a=20,fd的选取可参考齿宽系数表,齿轮传动的设计参数2,二、齿轮传动的许用应力,齿轮传动设计参数、许用应力与精度选择,式中：KN为寿命系数，是应力循环次数N对疲劳极限的影响系数；,弯曲强度计算时：S=S F=1.251.50；limFE接触强度计算时：S=S H=1.0;limHlim,三、齿轮精度的选择
9、,lim为齿轮的疲劳极限，S为安全系数。,齿轮精度共分12级，1级精度最高，第12级精度最低。精度选择是以传动的用途，使用条件，传递功率，圆周速度等为依据来确定。,n为齿轮的转数，单位为r/min；j为齿轮每转一圈，同一齿面啮合的次数；Lh为齿轮的工作寿命，单位为小时。,FE线图,Hlim线图,详细说明,齿轮传动的设计参数3,齿轮传动设计参数、许用应力与精度选择,四、齿轮传动的强度计算说明,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
10、可先试选一载荷系数Kt。算出d1t(或 mnt）后，用d1t再查取KV、K、K从而计算Kt。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4,标准直齿圆柱齿轮设计过程,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=maxmH,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
11、寸：d1=mz1 d2=mz2 计 算 齿 宽：b=fd d1,确定齿宽：B2=int(b)B1=B2+(35)mm,标准斜齿圆柱齿轮强度计算,标准斜齿圆柱齿轮强度计算1,一、轮齿的受力分析,由于Fatanb，为了不使轴承承受的轴向力过大，螺旋角b不宜选得过大，常在b=820之间选择。,标准斜齿圆柱齿轮强度计算2,标准斜齿圆柱齿轮强度计算,二、计算载荷,计算载荷,啮合过程中，由于啮合线总长一般是变动的值，具体计算时可下式近似计算：,式中：L为所有啮合轮齿上接触线长度之和，即右图中接触区内几条实线长度之和。,因此，,载荷系数的计算与直齿轮相同，即：KKA Kv K K,标准斜齿圆柱齿轮强度计算3
12、,三、齿根弯曲疲劳强度计算,强度计算时，通常以斜齿轮的当量齿轮为对象，借助直齿轮齿根弯曲疲劳计算公式，并引入斜齿轮螺旋角影响系数Y，得：,斜齿轮齿面上的接触线为一斜线。受载时，轮齿的失效形式为局部折断（如右图）。,校核计算公式：,设计计算公式：,标准斜齿圆柱齿轮强度计算,式中：YFa、YSa应按当量齿数zv=z/cos3b查表确定,斜齿轮螺旋角影响系数Y的数值可查图确定,斜齿圆柱齿轮轮齿受载及折断,标准斜齿圆柱齿轮强度计算4,校核计算公式：,设计计算公式：,标准斜齿圆柱齿轮强度计算,借助直齿轮齿面接触疲劳强度计算公式，并引入根据上述关系后可得：,斜齿轮的sH,锥齿轮传动的强度计算1,对轴交角为
13、90的直齿锥齿轮传动：,标准锥齿轮传动的强度计算,一、设计参数,直齿锥齿轮传动是以大端参数为标准值，强度计算时，是以锥齿轮齿宽中点处的当量齿轮作为计算时的依据。,直齿锥齿轮传动的几何参数,令fR=b/R为锥齿轮传动的齿宽系数，设计中常取fR=0.250.35。,锥齿轮传动的强度计算2,二、轮齿的受力分析,直齿锥齿轮的轮齿受力分析模型如下图，将总法向载荷集中作用于齿宽中点处的法面截面内。Fn可分解为圆周力Ft，径向力Fr和轴向力Fa三个分力。,各分力计算公式：,标准锥齿轮传动的强度计算,轴向力Fa的方向总是由锥齿轮的小端指向大端。,锥齿轮传动的强度计算3,三、齿根弯曲疲劳强度计算,直齿锥齿轮的弯
14、曲疲劳强度可近似地按齿宽中点处的当量圆柱齿轮进行计算。采用直齿圆柱齿轮强度计算公式，并代入当量齿轮的相应参数，得直齿锥齿轮弯曲强度校核式和设计式如下：,上式中载荷系数K=KAKVKK。KAKV 取法与前者相同，KF、KH可取1，而KFKH1.5KHbe。KHbe为轴承系数，与齿轮的支承方式有关。,标准锥齿轮传动的强度计算,校核计算公式：,设计计算公式：,轴承系数表,锥齿轮传动的强度计算4,四、齿面接触疲劳强度计算,标准锥齿轮传动的强度计算,直齿锥齿轮的齿面接触疲劳强度，仍按齿宽中点处的当量圆柱齿轮计算。工作齿宽取为锥齿轮的齿宽b。,综合曲率为：,利用赫兹公式，并代入齿宽中点处的当量齿轮相应参数
15、，可得锥齿轮齿面接触疲劳强度计算公式如下：,校核计算公式：,设计计算公式：,齿轮的结构设计,齿轮的结构设计,通过强度计算确定出了齿轮的齿数z、模数m、齿宽B、螺旋角b、分度圆直径d 等主要尺寸。,在综合考虑齿轮几何尺寸，毛坯，材料，加工方法，使用要求及经济性等各方面因素的基础上，按齿轮的直径大小，选定合适的结构形式，再根据推荐的经验数据进行结构尺寸计算。,常见的结构形式有,齿轮的结构设计主要是确定轮缘，轮辐，轮毂等结构形式及尺寸大小。,轮辐式结构,中型尺寸齿轮结构,小尺寸齿轮结构,大尺寸齿轮结构,腹板式结构,齿轮传动的润滑,齿轮传动的润滑,一、齿轮传动润滑的目的,齿轮传动时，相啮合的齿面间有相对滑动，因此就会产生摩擦和磨损，增加动力消耗，降低传动效率。对齿轮传动进行润滑，就是为了避免金属直接接触，减少摩擦磨损，同时还可以起到散热和防锈蚀的目的。,二、齿轮传动的润滑方式,开式及半开式齿轮传动或速度较低的闭式齿轮传动，通常采用人工周期性加油润滑。通用的闭式齿轮传动，常采用浸油润滑和喷油润滑。,三、润滑剂的选择,详细介绍,齿轮传动常用的润滑剂为润滑油或润滑脂。选用时，应根据齿轮的工作情况（转速高低、载荷大小、环境温度等），选择润滑剂的粘度、牌号。,齿轮传动润滑油粘度荐用值,润滑油与润滑脂的牌号表,
