《齿轮传动H》PPT课件.ppt

桑塔纳轿车的主传动系统,第11章 齿轮传动,第11章 齿轮传动,11.1 齿轮传动的失效形式及计算准则 11.2 齿轮材料及精度选择 11.3 齿轮传动的载荷计算 11.4 直齿圆柱齿轮传动的强度计算 11.5 斜齿圆柱齿轮传动的强度计算 11.6 直齿圆锥齿轮传动的强度计算 11.7 齿轮的结构设计 11.8 齿轮的润滑,重点： 1.齿轮的失效形式、计算准则 2.齿轮传动受力分析(直齿、斜齿、锥齿) 3.齿轮传动强度计算 作业：（11.15）、11.7、11.9（斜齿轮）,齿轮传动特点,传递功率范围广、转速范围大 理论上瞬时传动比恒定 啮合效率高 工作可靠 寿命长 结构紧凑,矿山、水泥、轧钢等 我国首条出口海外（阿拉伯联合酋长国联合水泥公司（UCC）的日产万吨新型干法水泥熟料生产线的主要设备-回转窑、原料立磨等,2005年6月26日成功下线，该齿圈直径9.936米，274个齿，净重近80吨。,50名中信洛阳重机员工站在大齿圈内,2011年8月7日，由中信重工自主设计、制造的目前国内直径最大的齿圈，正在进行精加工，即将下线。 为中国黄金集团公司制造的齿圈直径11米、重70余吨，精度等级达到7级。,瑞士制造女表 表盘直径只有10mm 比女士的小手指还小 堪称世界上最小机械表,日本研制出世界最小有齿轮马达,发布时间：2004.12.29 15:58 来源：中国新闻网 日本共同社报道，日本一个研究小组27日宣布，已经成功研制出一种直径仅1.5毫米，长9.4毫米用金属玻璃制成的带有减速器的微型马达。 刷新了由瑞士制造商开发的塑料马达所创造的最小直径记录(1.9毫米)。 该马达可望在医疗器材的小型化等方面发挥作用。由于其超小型机身上还配有齿轮，因而还能用于小型照相机的变焦机能。,介绍直齿圆柱、斜齿圆柱、直齿圆锥齿轮传动的设计。,按工作 条件 分 类,按载荷 情况 分 类,闭式传动,硬齿面 HBS350,开式传动,齿轮传动的分类:,低速轻载: V13m/S ; Fn510kN,中速中载: 3m/SV10m/S ;,10kNFn50kN,高速重载: V10m/S ; Fn50kN,软齿面 HBS350,前 言,11.1 轮齿的失效形式及计算准则,(一)轮齿的失效形式,疲劳折断,过载折断,全齿折断(齿根)(直齿),局部折断(斜齿受载不均),1.轮齿折断,(二) 齿轮传动常用计算准则,疲劳折断：轮齿受的弯曲应 力是循环变化的，在齿根的 过渡圆角处具有较大的应力 集中。易发生轮齿疲劳折断。,过载折断：齿轮受到过载或 冲击时,引起轮齿的突然折断。,闭式硬齿面、脆性材料 齿轮传动的主要破坏形式,轮齿折断机理,发生部位：一般出现在节线附近靠近齿根表面处。 （载荷大；速度低难形成油膜),H反复裂纹扩展麻点状脱落,2.齿面失效,闭式软齿面齿轮传动 的主要破坏形式。,1) 齿面疲劳点蚀,齿面点蚀机理,齿形破坏、轮齿变薄,1）磨粒磨损：由于金 属微粒，灰石砂粒进入 齿轮引起的磨损。 2）跑合磨损： 一般指新机器。,开式齿轮传动易发 生磨粒磨损。,2)齿面磨粒磨损,当齿面所受的压力很大且润滑效果差，或压力很大而速度很高时，由于发热大，瞬时温度高，相啮合的齿面发生粘联现象，此时两齿面有相对滑动，粘接的地方被撕裂。 热胶合。,润滑失效表面粘连 沿运动方向撕裂,低速重载的齿轮，油膜遭破坏也发生胶合现象。齿面温度无明显增高，冷胶合。,高速重载、低速重载闭式传动的主要破坏形式。,3) 齿面胶合,齿面沿摩擦力方向塑性变形 主凹、从凸,低速重载软齿面闭式传动 的主要破坏形式。,4)齿面塑性变形,从动齿节线起脊,主动齿节线出沟,断齿:,疲劳折断 过载折断,全齿折断(齿根)(直齿),局部折断(斜齿受载不均),H反复裂纹扩展麻点状脱落 靠近节线的齿根表面,齿面胶合:,齿面磨粒磨损:,润滑失效表面粘连沿运动方向撕裂,磨粒磨损齿形破坏,齿面塑性变形:,齿面沿摩擦力方向塑性变形 主凹、从凸,齿面点蚀:,.齿面失效:,*闭式传动 ,*开式传动 ,*闭式高速重载传动,软齿面 硬齿面,齿面点蚀,轮齿折断,齿面磨粒磨损,齿面胶合,*低速重载软齿面,齿面塑性变形,3.各种场合的主要失效形式,(二) 齿轮传动常用计算准则:,防齿面点蚀,防轮齿折断,齿面接触疲劳强度计算求中心距a,齿根弯曲疲劳强度计算求模数,常用的计算方法:,硬齿面: (断齿),按齿面接触疲劳强度设计(先求a) 按齿根弯曲疲劳强度校核,按齿根弯曲疲劳强度设计(先求m ) 按齿面接触疲劳强度校核,按齿根弯曲疲劳强度设计(求m ) 考虑磨损将F (0.70.8) (许用弯曲应力),软齿面: (点蚀),按主要失效形式进行强度计算，确定主要尺寸，再对其他失效形式进行必要校核。,1.齿面要硬, 齿芯要韧 2.易于加工及热处理,对齿轮材料的基本要求：,一. 常用的齿轮材料,二. 齿轮材料的选择,11.2 齿轮材料及精度选择,三. 齿轮精度,一. 常用的齿轮材料,钢,用于开式、低速传动的齿轮强度差,易成型 1. 灰口铸铁 HT200、HT300 2. 球墨铸铁 QT500-7,用于小功率、速度高低噪音,含碳量为0.10.6常用 性能最好(可通过热处理提高机械性能) 1.锻钢钢材经锻造, 性能提高最常用 45、35SiMn、42SiMn、40Cr、35CrMo 2.铸钢齿轮较大(d400600mm)时采用 ZG310-570、ZG340-640,铸铁,非金属材料,常用齿轮材料及其机械性能：表11-1,1.齿轮材料必须满足工作条件的要求 用于飞行器上的齿轮，要满足质量小、传递功率大和可靠性高的要求，必须选择机械性能高的合金钢； 矿山机械中的齿轮传动，一般功率很大、工作速度较低、周围环境中粉尘含量极高，往往选择铸钢或铸铁等材料； 家用及办公用机械的功率很小，但要求传动平稳、低噪声、以及能在少润滑或无润滑状态下正常工作，常选用工程塑料作为齿轮材料。 2.应考虑齿轮尺寸的大小、毛坯成型方法 大尺寸的齿轮一般采用铸造毛坯，可选用铸钢或铸铁作为齿轮材料。中等或中等以下尺寸、要求较高的齿轮常选用锻造毛坯，可选择锻钢制作。尺寸较小而又要求不高时，可选用圆钢作毛坯。,二. 齿轮材料的选择,3.应考虑热处理方法及工艺 齿轮常用的热处理方法有： 整体淬火 ：常用材料为中碳钢或中碳合金钢。这种热处理工艺较简单，但轮齿变形较大，心部韧度较低，质量不易保证，不适于承受冲击载荷。热处理后必须进行磨齿、研齿等精加工。 表面淬火 ：常用材料为中碳钢或中碳合金钢。由于芯部韧度高，能用于承受中等冲击载荷。因只在薄层表面加热，轮齿变形不大，可不最后磨齿，但若硬化层较深，则变形较大，应进行最后精加工。 渗碳淬火 ：常用材料为低碳钢或低碳合金钢。低碳钢渗碳淬火后，因其芯部强度较低，且与渗碳层不易很好结合，载荷较大时有剥离的可能，轮齿的弯曲强度也较低，重要场合宜采用低碳合金钢。齿轮经渗碳淬火后，轮齿变形较大，应进行磨齿。 渗氮 ：常用渗氮钢为38CrMoA1A等。渗氮齿轮硬度高、变形小，适用于内齿轮和难于磨削的齿轮。由于硬化层很薄，在冲击载荷下易破碎，磨损较严重时也会因硬化层被磨掉而报废，宜用于载荷平稳、润滑良好的传动。,碳氮共渗 ：碳氮共渗工艺时间短，且有渗氮的优点，可以代替渗碳淬火，其材料和渗碳淬火的相同。 正火和调质：材料为中碳钢或中碳合金钢。 4.金属制的软齿面齿轮，配对两轮齿面的硬度差应保持为3050HBS或更多 当小齿轮与大齿轮的齿面具有较大的硬度差，且速度又较高时，较硬的小齿轮齿面对较软的大齿轮齿面会起较显著的冷作硬化效应，从而提高了大齿轮齿面的疲劳极限。因此，当配对的两齿轮齿面具有较大的硬度差时，大齿轮的接触疲劳许用应力可提高约20，但应注意硬度高的齿面，粗糙度值也要相应地减小。,相对运动 储存润滑剂,组: 传递运动的准确性 组: 传递运动的平稳性 组: 载荷分布的均匀性,GB12级, 常用69级,齿轮精度等级,标准齿轮:理论上 (分度圆)齿厚=齿槽 实际上齿厚齿槽,齿轮副侧隙 齿厚减薄,选择:表11-2,齿轮传动的质量和承载能力,1-2级是待发展的精度等级，35级为高精度等级， 68级为中等精度等级，912级为低精度等级。,三. 齿轮精度,制造时 齿形误差 齿距误差 齿向误差 安装时(两轴线不平行),齿轮副侧隙,(二)斜齿圆柱齿轮传动作用力分析 (三)直齿圆锥齿轮传动作用力分析 (四)计算载荷,11.3 齿轮传动载荷计算,设一对标准齿轮正确安装，齿廓在C点接触，略去f不计轮齿间的总压力为n , 沿啮合线 指向齿面,(一)直齿圆柱齿轮传动作用力分析,Ft2T1/1 FrFt tan Fn Ft / cos,P功率kW，n转速r/min,2. 作用力的大小：,1:小齿轮转矩mm,1:小齿轮分度圆直径mm, :压力角,1. n 的分解：,沿分度圆切线方向指向齿面,沿半径方向指向齿面,3. 作用力的方向及判断,与1 反向 与2 同向,t2 (从):,由啮合点指向轮心 (外),Ft2,Fr2,Fr1,Ft1,Fr1,Fr2,Ft2,示意图,Ft1,C,1,2,Ft2,Ft1,Fr2,Fr1,V,(一)直齿圆柱齿轮传动作用力分析,*,(二)斜齿圆柱齿轮传动作用力分析,右,右,左,左,1. n 的分解：,其轮齿沿螺旋线方向均匀地分布在圆柱体左、右旋,Fn,1,过C建立OXYZ坐标,Fr,Ft,Fa,n,圆周力t ：沿分度圆 切线方向指向齿面,轴向力a ：与轴线 平行并指向齿面,径向力r ：沿半径方 向指向齿面,F,切面：F = Ft/cos Fa= Ft tan 法面：Fr= F tan n,圆周力: t21d1,径向力: rt tan ncos,轴向力: at tan,2. 作用力的大小：,3. 作用力的方向及判断：,Ft1,Fr1,Ft1,Fr1,Fr2,Ft2,Fr2,左,右,Fa1,Fa1,Fa2,Fa2,Ft2,主动轮用左右手定则 (左旋左手、右旋右手、 四指转向、拇指轴向),示意图,轴向力a ：与轴线平行并指向齿面,tt1（主）: 与1 反向 t2（从）：与2 同向 r 由啮合点指向轮心 a ,(二)斜齿圆柱齿轮传动作用力分析,配对外啮合齿轮旋向相反,Ft1,Ft2,Fr1,Fr2,Fa1,Fa2,Ft3,Fr3,Fa3,Ft4,Fr4,Fa4,同轴非同级齿轮 旋向相同,例题：,(三)直齿圆锥齿轮传动作用力分析,1.n 的分解：,与斜齿轮类似,*,(三)直齿圆锥齿轮传动作用力分析,2. 作用力的大小 :,分度圆锥角,当1+ 2=90 sin 1= cos2 sin2 = cos 1,法面：F=Ft tan 轴面：Fr=F cos Fa=F sin,F,t21m1,rttan cos,attan sin,Fn,Ft,Fa,Fr,1.n 的分解：,(11-3),Fr2,a 由小端指向大端,Ft1,Ft2,Fa1,Fa2,Fr1,示意图,作用力的方向及判断：,(三)直齿圆锥齿轮传动作用力分析,计算载荷: Fc = KFn (实际载荷不均匀,附加动载荷) Fn名义载荷，K载荷系数,查表11-3 p.190,(四)计算载荷,按主要失效形式决定,按齿面接触疲劳强度设计 按齿根弯曲疲劳强度校核,按齿根弯曲疲劳强度设计 按齿面接触疲劳强度校核,按齿根弯曲疲劳强度设计 考虑磨损将 F (0.70.8),齿轮强度计算:,11.5 直齿圆柱齿轮传动的强度计算,接触强度(H)表面强度(p, p, H)点、线接 触，接触。,特点：,12,接触面小，大在反复作用下 疲劳裂纹扩展点蚀振动、噪音。,(受载弹性变形)小矩形、小椭圆。,(一)齿面接触疲劳强度计算,-综合曲率半径, 泊松比 E1,E2 弹性系数,计算式(赫兹公式) 一对圆柱体,Fn-轮齿上的法向力 b-齿宽,-外接触；一-内接触,-综合曲率半径,1. 强度条件,1.以赫兹公式为基础一对圆柱 体(线接触)接触面上的接触应 力HH,2.以节点作为计算点 以齿 廓节点处的作为圆柱体 的半径,2. 齿面接触疲劳强度公式:,1.校核公式 (尺寸参数已知校核齿面强度),当配对齿轮非钢制.192 倒5,式中: H轮齿齿面接触应力 MPa; 泊松比 E1,E2 弹性系数 ; T1小轮传递的转矩 Nmm ; 中心距 mm ; K载荷系数(表11-3) ; u齿数比(uz大z小) ; i=z从/z主 ; b(大)齿轮的宽度mm , b=b2 , b1= b2+(510) 。,当 一对钢制齿轮E1= E2=2.06 105 MPa 1 20.3 , 20,2.设计公式, H轮齿的许用接触应力MPa,当配对齿轮非钢制.192 倒5, Hlim查图11-11 p.193 SH查表(11-4) p.192,mm,当 20,一对钢制齿轮E=2.06105MPa,图11-11(b),-齿宽系数, p192: 4.(3),成对计算取较小H代入计算,当一对齿轮的材料、传动比、齿宽系数一时， 轮齿的表面接触强度仅取决于, H1 H2 ; H1 H2,接触强度分析:,舍去,（二） 齿根弯曲疲劳强度计算,强度公式建立的依据:,1. 载荷作用在齿顶, 仅由一对轮齿承担(79级),2. 30切线法确定危险截面,一.公式的建立：,2.求W:,F2,Fn,F1,F,(弯曲) (压),1.求M:,30,YF:齿形系数与齿形(尺寸比例)、齿数有关, 与m无关 (l和s均与模数成正比 ) zYF F ,令：,斜:zV=z/cos3 锥:zV=z/cos,= YF,YF齿形系数,YF一齿形系数 查图11-13 ; z1一小轮齿数 F一许用弯曲应力MPa,MPa,mm,1.校核公式:,2.设计公式:,a齿宽系数； u齿数比,二. 强度计算公式:,Flim弯曲疲劳极限 ( =0) (图11-14 p.195) 当 = -1 数据0.7 p.194倒7 SF安全系数 表11-4, p.192,三.弯曲强度计算说明:,当轮齿单侧工作, F 当轮齿双侧工作, F ,F1 F2 ; F1 F2, 轮齿的弯曲强度主要取决于，必取标准值 查表(5-1 ) p.72。 传递动力齿轮模数m1.5mm,分别计算,分别校核,0 (脉动循环应力),1(对称循环应力),校核时: 设计时:,取 与 中较大者计算,z1宜取多 (2040) 保证平稳,z1不宜过多(1720)平稳,弯曲强度,z1宜取少 保证轮齿弯曲强度 z1 17(1720)(标准齿轮),重合度大，平稳性好 m小，轮齿弯曲强度差,小轮齿数z1:,例11-1：设计起重机用传动装置中的高速级标准直齿圆柱齿轮传动。已知：原动机为电机，传递功率P=7 kW，小齿轮转速n1=960r/min，传动比i=3，单向传动，载荷有中等冲击。 解： (1)设采用8级精度软齿面闭式传动(表11-2, p.186)。 根据计算准则，按接触疲劳强度进行设计计算，按弯曲疲劳强度校核计算。 选材料, 定 H , F 小齿轮用40Cr调制，齿面硬度270HB（表11-1,p.185）； 大齿轮用45钢调制，齿面硬度240HB（表11-1）； 查图11-11(c),p.193，Hlim1=710MPa，Hlim2=570MPa 查表11-4,p.192，SH=1.1， SF=1.3,查图11-14,p.195，Flim1=245MPa，Flim2=195MPa,(2)按齿面接触疲劳强度设计,H = H2 =518MPa, 齿宽系数a= 0.3, p.192, u=i=3,初求中心距 a=149.1mm 。,取齿数z1=30, z2=iz1=90。P.195,求模数,取标准模数m=2.5mm,确定实际中心距：,齿宽：b=a=0.3a=45mm = b2 , b1=b2+5=50mm,取载荷系数K=1.6(表11-3)p.190,(3) 验算轮齿弯曲疲劳强度 查齿形系数(图11-13,p.194)得：YF1=2.60，YF2=2.22。 验算轮齿弯曲强度,安全,(4) 齿轮的圆周速度,对照表11-2，p.187 选用8级精度是合适的。,（按b=b2=45mm计算）,斜齿轮强度:,斜齿轮传动的特点:,1.重合度大承载力大,直齿轮,与法面当量直齿圆柱齿轮的相当,11.5 斜齿圆柱齿轮传动,2.轮齿接触线倾斜 逐渐进入及退出啮合平稳,zv=z/cos3,注意:,MPa,mm,校核,设计,一对钢制标准齿轮,1.当配对齿轮非钢制p.197第14,(一)齿面接触疲劳强度公式,MPa,mm,注意: 1.YF用zV查,例11-2 p.197 自学,校核：,设计,（二） 弯曲强度公式,11.6 直齿圆锥齿轮传动,只介绍=90直齿圆锥齿轮传动的强度设计,其轮齿在分度圆锥上与轴线相交(分度圆锥角) 沿齿宽d,m,齿廓大小均不同大端齿廓大承载力大,小端反之载荷沿齿宽分布不均假设Fn集中作用于 齿宽中点处,即dm处。 (m , d 大端),以齿宽中点处的当量直齿圆柱齿轮作为强度计算依据,zV=z/cos,(一)齿面接触强度公式 (=90,钢),校核公式:,设计公式:,mm,齿宽系数 R = b/R,R外锥距mm;b齿寛mm u齿数比,求R 选齿数z1、z2 求m,mm平均模数mm YF齿形系数 (按zV查 图11-13 p.194) m1小齿轮齿寛中点的分度圆直径mm,(二)齿根弯曲强度公式:,校核公式:,(11-20),设计公式:,(11-21),; m大端模数mm,(三)锥齿轮接触强度分析:,1.zVmin=17 , zmin=zVmincos=17cos17, 取Z=1630 ;R=0.250.3 2.锥齿轮接触强度,弯曲强度直齿轮 3.锥齿轮加工困难,(尤其是m较大) 改变轴的方向才采用尽量置于高速轴,使m。 4.锥齿轮精度低,振动噪音大用于V较低处,1、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。,3、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。,4、常见的齿轮结构形式,2、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。,11.7 齿轮的结构设计,由直径确定,齿轮轴 (22.5)mn或da2D1,11.7 齿轮的结构设计,传动零件,轴系零件,联接零件,附件,机架,定期人工加油润滑,浸油润滑,喷油润滑,11.8 齿轮的润滑,惰轮蘸油润滑 (多级),喷油润滑: V12m/s,最高油面,最低油面,速度高,油甩出,达不到啮合区； 搅油损耗大，t , 润滑性； 轴承摩擦损耗大,减小齿轮传动的尺寸和质量的主要途径，在于设法提高其承载能力。 工业中广泛使用的渐开线齿轮传动已有两百多年的历史。具有易于加工及传动可分性特点，但综合曲率半径不能增加很多，载荷沿齿宽分布不均匀，啮合损失较大，提高承载能力受到了一定的限制 不能满足如冶金、采矿、动力等重要工业部门所提出的越来越高的要求,新的齿轮传动- 圆弧齿圆柱齿轮传动 简称圆弧齿轮传动。,圆弧齿轮传动简介, 泊松比