模块7 齿轮传动.ppt

模块7齿轮传动 学习情境1齿轮传动的失效形式与齿轮的材料学习情境2齿轮传动的精度学习情境3直齿圆柱齿轮传动学习情境4斜齿圆柱齿轮传动学习情境5直齿圆锥齿轮传动学习情境6齿轮的结构与齿轮传动的润滑 知识目标 理解齿轮传动失效形式和设计准则 了解误差对传动的影响和齿轮精度的选择 掌握直齿圆柱齿轮传动的强度计算和设计步骤 了解圆锥齿轮传动的设计 认识齿轮的结构与齿轮传动的润滑 模块7齿轮传动 技能目标 根据齿轮传动应用的场合 选择齿轮的材料和齿轮精度 能够设计简单的齿轮传动 并采取措施避免齿轮传动的失效 根据需要 选择适当的齿轮结构与润滑形式 模块7齿轮传动 齿轮传动是机械传动中应用最为广泛的一种传动形式 它主要用来传递任意两根轴之间的运动和动力 一般利用一对齿轮将一根轴的转动传递给另一根轴 并可改变转动速度和转动方向 如图7 1所示 模块7齿轮传动 学习情境1齿轮传动的失效形式与齿轮的材料 7 1 1齿轮传动的失效形式齿轮由于某种原因不能正常工作的现象称为失效 失效和破环是两个完全不同的概念 失效并不意味着破环 1 轮齿折断 7 1 1齿轮传动的失效形式2 齿面点蚀 7 1 1齿轮传动的失效形式3 齿面磨损 7 1 1齿轮传动的失效形式4 齿面胶合 7 1 1齿轮传动的失效形式5 塑性变形 7 1 2齿轮的设计准则针对上述各种不同的失效形式 各有相应的工作能力判定条件 这种为了防止失效以满足齿轮的工作要求而制定相应的判定条件 通常称为齿轮工作能力的设计准则 主要有强度 刚度 耐磨性和稳定性准则等 齿轮的工作条件分为闭式齿轮传动和开式齿轮传动 7 1 2齿轮的设计准则1 闭式传动在闭式传动中 设计时首先按齿面接触疲劳强度条件进行设计计算 并确定齿轮的主要参数和尺寸 然后再按轮齿的弯曲疲劳强度进行校核 当采用硬齿面 硬度 350HBS 时 一般首先按轮齿的弯曲疲劳强度条件进行设计计算 确定齿轮的模数及其主要几何尺寸 然后再校核其齿面接触疲劳强度 7 1 2齿轮的设计准则2 开式传动在开式传动中齿轮暴露在外界 杂物容易侵入齿轮啮合区域 不能保证良好的润滑 且传动系统精度和刚度都较低 只适用于低速传动 开式传动的主要失效形式为磨粒磨损 通常按照齿根弯曲疲劳强度进行设计计算 确定齿轮的模数及其他参数 但考虑磨粒磨损的影响再将模数增大10 20 无须校核接触强度 7 1 3齿轮的材料与热处理为了使齿轮能正常工作 齿轮材料应保证轮齿表面有足够的硬度 以增强它的抗点蚀 抗磨损 抗胶合和抗塑性变形的能力 轮芯部应有足够的强度和韧性 以抵抗齿根折断和冲击载荷 同时材料应具有良好的加工性和热处理性能 使之便于加工 利于提高其力学性能 常用齿轮材料及其力学性能见表7 1 7 1 3齿轮的材料与热处理1 软齿面齿轮对于软齿面齿轮 常用的齿轮材料有35 45 35SiMn 40Cr等 其热处理方法为调质或正火处理 调质后材料的综合性能良好 硬度一般为280 300HBS 切齿后的精度一般可达8级 精切可达7级 正火处理可以改善材料的力学性能和切削性能 齿面硬度一般为150 200HBS 软齿面齿轮容易加工制造 成本较低 常用于一般用途的中 小功率的齿轮传动 7 1 3齿轮的材料与热处理2 硬齿面齿轮对于硬齿面齿轮 通常是在调质后切齿 然后进行表面硬化处理 有的齿轮在硬化处理后还要进行精加工 如磨齿 剃齿等 故调质后的切齿应留有适当的加工余量 硬齿面主要用于高速 重载或要求尺寸紧凑的重要传动中 齿轮齿面硬度配对见表7 2 学习情境2齿轮传动的精度 7 2 1误差对传动的影响误差对传动带来以下三方面的影响 1 相啮合齿轮在一转范围内实际转角与理论转角不一致 即影响传递运动的准确性 2 瞬时传动比不能保持恒定不变 齿轮在一转范围内会出现多次重复的转速波动 特别在高速传动中将引起振动 冲击和噪声 即影响传动的平稳性 3 齿向误差能使齿轮上的载荷分布不均匀 当传递较大转矩时 易引起早期损坏 即影响载荷分布的均匀性 7 2 2齿轮精度等级的选择按国家标准规定 齿轮和齿轮副分为12个精度等级 从1 12级精度依次降低 其中1 2级是为发展前景而规定的 目前加工工艺水平还难以达到 3 5级属于高精度 6 8级属于中精度 9 12级属于低精度 两个齿轮的精度等级一般是相同的 也允许采用不同等级 7 2 2齿轮精度等级的选择表7 3列出了各种机械所采用的齿轮精度等级 表7 4列出了部分齿轮精度等级的适用范围 供选用时参考 学习情境3直齿圆柱齿轮传动 7 3 1直齿圆柱齿轮传动的受力分析对轮齿上的作用力进行分析是进行齿轮承载能力的计算 设计支承齿轮的轴以及选用轴承的基础 如图7 7所示 各力的大小计算公式为 7 3 1直齿圆柱齿轮传动的受力分析如图7 8所示 两轮的径向力Fr1和Fr2分别指向各自的轮心 7 3 2轮齿的计算载荷齿轮所受的法向力计算公式为Fc KFn式中 Fc为计算载荷 单位为N K为载荷系数 由表7 5查取 7 3 3直齿圆柱齿轮传动的强度计算1 齿面接触疲劳强度防止齿面点蚀的强度条件为 节点处的计算接触应力应小于或等于齿轮材料的许用接触应力 即 H H 为计算方便 用转矩T1表示载荷 并考虑各种影响引入载荷系数K 经等量变换 整理后 可得齿面接触强度的校核计算公式为 7 3 3直齿圆柱齿轮传动的强度计算2 齿根弯曲疲劳强度危险截面可用30 切线法来确定 即作与轮齿对称中心线成30 角并与齿根过渡曲线相切的两条直线 连接两个切点的截面即为齿根的危险截面 如图7 11所示 7 3 3直齿圆柱齿轮传动的强度计算2 齿根弯曲疲劳强度由于弯曲应力起主要作用 因此防止齿根疲劳折断的强度条件为 齿根危险截面的最大弯曲应力应小于或等于轮齿材料的许用弯曲应力 即 F F 考虑齿根应力集中和危险截面上压应力与切应力的影响 引入应力修正系数YS 计入载荷系数K 见表7 5 即可得轮齿齿根弯曲疲劳强度的校核计算公式为 7 3 3直齿圆柱齿轮传动的强度计算3 公式应用注意事项1 软齿面闭式齿轮传动在满足弯曲强度的条件下 为提高传动的平稳性 小齿轮齿数一般取z1 20 40 速度较高时取较大值 硬齿面的弯曲强度是薄弱环节 宜取较少的齿数 以便增大模数 通常取z1 17 20 2 为保证减小加工量 也为了装配和调整方便 大齿轮齿宽应小于小齿轮齿宽 3 大小两齿轮的齿根弯曲应力 F1 F2 两轮的许用弯曲应力也不同 所以 校核时应分别验算大小齿轮的弯曲强度 7 3 4直齿圆柱齿轮传动设计步骤1 齿轮传动参数的选择2 直齿圆柱齿轮传动设计步骤 学习情境4斜齿圆柱齿轮传动 如图7 17所示为平行轴斜齿轮传动 如图7 18所示为人字齿轮传动 7 4 1斜齿圆柱齿轮传动的基本参数1 螺旋角如图7 19所示为斜齿轮分度圆柱面的展开图 分度圆柱上的螺旋线展开后成为一条斜直线 该直线与齿轮轴线之间的夹角称为分度圆柱上的螺旋角 简称螺旋角 用 表示 7 4 1斜齿圆柱齿轮传动的基本参数1 螺旋角螺旋角是反映斜齿轮特征的一个重要参数 可反映出轮齿的倾斜程度 按照斜齿轮的齿廓螺旋线的方向不同 可分为右旋和左旋两种 如图7 20所示 7 4 1斜齿圆柱齿轮传动的基本参数1 螺旋角螺旋角 越大 轮齿越倾斜 则传动的平稳性越好 但轴向力也越大 一般设计时常取 8 20 近年来为了增大重合度 提高传动平稳性和降低噪声 在螺旋角参数选择上 有大螺旋角化的倾向 对于人字齿轮 因其轴向力可以抵消 常取 25 45 但加工较困难 精度较低 一般用于重型机械的齿轮传动 7 4 1斜齿圆柱齿轮传动的基本参数2 其他基本参数除螺旋角 之外 斜齿轮与直齿轮一样 也有齿数 模数 压力角 齿顶高系数和顶隙系数这五个基本参数 一对外啮合斜齿圆柱齿轮的正确啮合条件是 齿轮副的法面模数和法面压力角分别相等 而且螺旋角大小相等 旋向相反 用仿形法加工斜齿轮时 盘状铣刀是沿螺旋线方向切齿的 因此 刀具需按斜齿轮的法向齿形来选择 如图7 21所示 7 4 2标准斜齿轮尺寸计算 7 4 3斜齿圆柱齿轮的受力分析图7 22所示为一对斜齿圆柱齿轮传动时主动轮上的受力情况 7 4 4斜齿圆柱齿轮传动的强度计算1 齿面接触疲劳强度斜齿圆柱齿轮的齿面接触疲劳强度是以轮齿法面的当量齿轮为基础计算的 其校核计算公式为若取齿宽系数 d b d1 可得一对标准斜齿圆柱齿轮以接触疲劳强度为条件的设计计算公式为 7 4 4斜齿圆柱齿轮传动的强度计算2 齿根弯曲疲劳强度参照直齿圆柱齿轮齿根弯曲疲劳强度疲劳计算公式的推导 可直接写出标准斜齿圆柱齿轮齿根弯曲疲劳强度校核公式基于齿根弯曲疲劳强度的设计计算公式为 学习情境5直齿圆锥齿轮传动 圆锥齿轮机构用于相交轴之间的传动 两轴的交角 1 2由传动要求确定 可为任意值 90 的圆锥齿轮传动应用最广泛 如图7 23所示 7 5 1直齿圆锥齿轮传动受力分析图7 24 a 所示为直齿圆锥齿轮传动的受力情况 大齿轮上所受的各个分力可根据作用与反作用定律确定 如图7 18 b 所示 7 5 2直齿圆锥齿轮传动的强度计算直齿圆锥齿轮传动的强度计算 可近似按平均直径处的一对当量直齿圆柱齿轮的传动进行 对于两轴交角 90 的一对钢制标准直齿圆锥齿轮 其简化的强度计算公式是 1 齿面接触疲劳强度计算齿面接触疲劳强度的校核计算公式为齿面接触疲劳强度的设计计算公式为 7 5 2直齿圆锥齿轮传动的强度计算2 齿根弯曲疲劳强度计算齿根弯曲疲劳强度计算的校核计算公式为齿根弯曲疲劳强度计算的设计计算公式为上述各式的各参数的含义 单位及许用应力计算方法与直齿圆柱齿轮相同 计算所得模数应按表圆整为标准值 7 6 1齿轮的结构1 锻造齿轮对于齿顶圆直径da 500mm的齿轮 通常采用锻造齿轮 其常用的结构形式有以下几种 齿轮轴 实心式齿轮和腹板式齿轮 1 齿轮轴如果圆柱齿轮的齿根圆到键槽底面的径向距离e 2 5m 或mn 圆锥齿轮小端齿根圆到键槽底面的径向距离e 1 6m 则可将齿轮与轴做成一体 称为齿轮轴 如图7 25所示 其中 图7 25 a 所示为圆柱齿轮轴 图7 25 b 所示为圆锥齿轮轴 学习情境6齿轮的结构与齿轮传动的润滑 7 6 1齿轮的结构1 锻造齿轮2 实心式齿轮如果齿轮齿根圆的直径大于轴的直径 则当齿轮的齿顶圆直径da 200mm 一般制成实心式结构 如图7 26所示 7 6 1齿轮的结构1 锻造齿轮3 腹板式齿轮当200mm da 500mm时 可采用腹板式结构 如图7 27所示 7 6 1齿轮的结构2 铸造齿轮对于齿顶圆直径da 400mm的圆柱齿轮 以及齿顶圆直径da 300mm的圆锥齿轮来说 由于锻造困难 大多采用铸造齿轮 如图7 28所示 7 6 1齿轮的结构3 焊接齿轮对于单件或小批量生产的大直径齿轮 为降低成本 缩短加工周期