《齿轮传动》PPT课件.ppt

第4章齿轮传动 教学基本要求 1 了解齿轮传动特点 分类 2 掌握齿轮传动的主要失效形式及设计准则 3 了解常用齿轮材料及热处理方法 4 掌握齿轮传动的受力分析 强度计算方法及主要参数的选择 5 了解齿轮传动润滑及齿轮结构 重点与难点 齿轮传动的受力分析 强度计算 机械中应用最广泛的传动形式之一 4 1概述 4 1 1齿轮传动的特点 1 效率高 2 结构紧凑 3 工作可靠 寿命长 4 传动比准确 恒定 5 适用的速度和功率范围广 6 要求加工精度和安装精度较高 制造时需要专用工具和设备 因此成本比较高 7 不宜在两轴中心距很大的场合使用 4 1 2齿轮传动的分类 4 2齿轮传动的失效形式及设计准则 4 2 1齿轮传动的失效形式 4 2 2设计准则 设计齿轮时 所依据的设计准则取决于齿轮可能出现的失效形式 对于软齿面闭式齿轮传动 常因齿面点蚀而失效 故通常先按齿面接触疲劳强度进行设计 然后校核齿根弯曲疲劳强度 对于硬齿面闭式齿轮传动 其齿面接触承载能力较高 故通常先按齿根弯曲疲劳强度进行设计 然后校核齿面接触疲劳强度 对于开式齿轮传动 按齿根弯曲疲劳强度进行设计 然后校核齿面接触疲劳强度 短时过载 除以上计算准则外 还应进行静强度计算 高速大功率 除以上设计准则外 还应进行抗胶合计算 4 3齿轮常用材料 4 3 1常用的齿轮材料 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 加工工艺性能及热处理性能良好 最常用的材料是钢 其次是铸铁 还有非金属材料 钢 许多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 4 3 2齿轮热处理 1 调质或正火2 整体淬火3 表面淬火4 渗碳淬火5 氮化 4 3 3齿轮材料的选择原则 必须满足工作条件的要求应考虑齿轮尺寸的大小 毛坯成形方法及热处理和制造工艺正火碳钢 不论毛坯的制作方法如何 只能用于制作在载荷平稳 或轻度冲击下工作的齿轮 不能承受大的冲击载荷 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 飞行中的齿轮传动要求齿轮尺寸尽可能小 应采用表面硬化处理的高强度合金钢 为增强航空用齿轮的齿根弯曲疲劳强度和齿面接触疲劳强度 我国航空齿轮标准规定了 25 的标准压力角 但压力角增加 并不一定都有利于传动 对重合度接近2的高速齿轮传动 推荐使用ha 1 1 2 16 18 的齿轮 这样做可增加齿轮的柔性 降低噪音和动载荷 以节点C处的啮合力为分析对象 并不计啮合轮齿间的摩擦力 可得 4 4直齿圆柱齿轮传动的受力分析与计算载荷 4 4 1直齿圆柱齿轮传动的受力分析 式中 T1 小齿轮上的转矩 N mm d1 小齿轮分度圆直径 mm 分度圆压力角 力的方向判断 作用于主 从动轮上的各对力均大小相等 方向相反 圆周力Ft 在主动轮上与运动方向相反 在从轮上与运动方向相同 径向力Fr 对两轮都是由作用点指向轮心 4 4 2计算载荷 齿轮传动在实际工作时 由于原动机和工作机的工作特性不同 会产生附加载荷 齿轮 轴 轴承的加工 安装误差及弹性变形会引起载荷集中 使实际载荷增加 计算载荷用符号表示 K为载荷系数 1 工作情况系数 工作情况KA是考虑由于齿轮啮合外部因素引起附加动载荷影响的系数 影响KA的主要因素 原动机和工作机的工作特性 2 动载系数 动载系数K 是考虑由于齿轮制造精度 运转速度等轮齿内部因素引起的附加动载荷影响系数 影响K 的主要因素 基节和齿形误差产生的传动误差 节线速度和轮齿啮合刚度等 当 瞬时传动比 这种情况称为换齿冲击 当 瞬时传动比 这种情况称为啮入冲击 3 齿向载荷分布不均系数 齿向载荷分布系数K 是考虑沿齿宽方向载荷分布不均匀对轮齿应力的影响系数 影响K 的主要因素有 齿轮的制造和安装误差 轮齿 轴系及机体的刚度 齿轮在轴上相对于轴承的位置 轮齿的宽度及齿面硬度等 4 啮合齿对间载荷分配系数 齿间载荷分配系数K 是考虑同时啮合的各对轮齿载荷分配不均匀对轮齿应力的影响系数 影响K 的主要因素有 轮齿制造误差 特别是基节偏差 轮齿的啮合刚度 重合度和跑合情况等 4 5 1齿面接触疲劳强度计算 直齿圆柱齿轮强度计算3 4 5直齿圆柱齿轮传动的强度计算 赫兹应力计算公式 即 直齿圆柱齿轮强度计算3 在节点啮合时 接触应力较大 故以节点为接触应力计算点 节点处的综合曲率半径为 法向计算载荷 接触线长度 重合度系数 端面重合度 弹性系数 节点区域系数 齿宽系数 直齿圆柱齿轮齿面接触疲劳强度的校核公式为 直齿圆柱齿轮齿面接触疲劳强度的设计公式为 齿宽系数 应用齿面接触强度设计公式和校核公式的几点说明 1 一对相啮合的齿轮 齿面接触应力相等 2 由于两齿轮的材料 热处理方法不同 因而其许用应力一般不相同 计算时应取两者中的较小值 3 齿轮传动的接触疲劳强度取决于中心距或齿轮分度圆直径 4 取大齿轮的齿宽 为补偿装配和调整时大 小齿轮的轴向位置偏移 并保证轮齿接触宽度 取小齿轮的齿宽 若设计新的齿轮传动时 尺寸均未知 分度圆直径的初步计算公式 4 5 2齿根弯曲疲劳强度计算 齿根危险剖面上的弯曲应力为 引入载荷系数K 应力修正系数和重合度系数则可得 重合度系数 齿形系数 齿根弯曲强度校核公式 齿根弯曲疲劳强度的设计公式 齿根弯曲强度设计公式和校核公式的几点说明 1 由于弯曲应力与齿数有关 而相啮合的齿轮一般齿数不等 所以 2 由于两齿轮的材料 热处理方法不同 因而其许用应力和一般也不相同 3 按齿根弯曲强度设计时 应代入和中较大者 齿根弯曲强度校核时 也应同时满足和 4 齿根弯曲应力的大小 主要取决于模数 计算出模数 应取标准值 对于传递动力的齿轮 模数不宜过小 一般应使 4 5 3直齿圆柱齿轮的参数 精度选择和许用应力 1 设计参数的选择 1 齿数比 与传动比 单级闭式传动 一般常取 以上的传动 单级开式传动或手动 一般取 需要更大传动比时 可采用二级或二级 2 齿数 对于软齿面闭式传动一般可取 对于硬齿面闭式传动及开式传动推荐 齿数增多有利于 1 增大重合度 提高传动平稳性 2 减小滑动系数 提高传动效率 3 减小毛坯外径 减轻齿轮质量 4 减少切削量 延长刀具使用寿命 减少加工工时等 3 齿宽系数 齿宽系数选得越大 齿轮越宽 增大齿宽系数可使中心距和模数减小 从而缩小径向尺寸和减小齿轮的圆周速度 但轮齿过宽 会使载荷沿齿向分布不均程度严重 4 中心距 按承载能力要求算出后 尽可能圆整成整数 最好个位数为 0 或 5 2 齿轮传动的精度 1 精度等级 1 运动精度指传递运动的准确程度 2 工作平稳性精度指齿轮传动的平稳程度 冲击 振动及噪声的大小 3 接触精度指啮合齿面沿齿宽和齿高的实际接触程度 影响载荷分布的均匀性 选择精度等级时 应根据齿轮传动的用途 工作条件 传递功率及圆周速度的大小 以及其他技术要求 并以主要的精度要求作为选择的依据 3 许用接触应力 许用接触应力应按下式计算 齿轮材料接触疲劳极限 接触疲劳强度计算的寿命系数 接触疲劳强度安全系数 查取寿命系数时 其应力循环次数有以下两种情况 载荷不稳定时 载荷稳定时 齿轮每转一周 同一侧齿面的啮合次数 齿轮转速 齿轮的设计寿命 较长周期作用的最大转矩 指第个循环 指数 4 许用弯曲应力 许用弯曲应力的计算公式为 齿轮的齿根弯曲疲劳极限 弯曲疲劳强度计算的寿命系数 尺寸系数 弯曲疲劳强度安全系数 4 6斜齿圆柱齿轮传动强度计算 4 6 1斜齿圆柱齿轮传动的受力分析 1 各力的大小 节圆螺旋角 对标准斜齿轮即为分度圆螺旋角 啮合平面的螺旋角 亦即基圆螺旋角 端面压力角 2 力的方向 圆周力和径向力方向的确定与直齿轮传动相同 轴向力的方向与主动轮或从动轮 轮的转向 轮齿的旋向有关 判断轴向力的方向关键是确定轮齿的工作面 总是指向工作面的 也可以用主动轮左 右手定则判定 左旋齿轮用左手 右旋齿轮用右手 判定时四指方向与齿轮的转向相同 拇指的指向即为齿轮所受轴向力的方向 而从动轮轴向力的方向与主动轮的相反 斜齿轮传动中的轴向力随着螺旋角的增大而增大 故 角不宜过大 但 角过小 又失去了斜齿轮传动的优越性 所以 在设计中一般取 8O 20O 4 6 2斜齿圆柱齿轮齿面接触疲劳强度计算 赫兹应力计算公式 即 直齿圆柱齿轮强度计算3 节点处的综合曲率半径为 法向计算载荷 接触线长度 重合度系数 端面重合度 接触线长度变化系数 纵向重合度 如 取 斜齿圆柱齿轮齿面接触疲劳强度校核公式 节点区域系数 斜齿圆柱齿轮齿面接触疲劳强度设计公式 4 6 3斜齿圆柱齿轮齿根弯曲疲劳强度计算 斜齿圆柱齿轮弯曲疲劳强度校核计算公式为 斜齿圆柱齿轮弯曲疲劳强度设计计算公式为 重合度系数 应力修正系数按当量齿数查取 齿形系数按当量齿数查取 螺旋角影响系数 按 若 则取 当时 按计算 纵向重合度 当时 按计算 4 7直齿锥齿轮传动 4 7 1几何参数 齿宽系数则 4 7 2轮齿的受力分析 各力的大小为 各力的方向 主动锥齿轮的径向力与从动锥齿轮的轴向力大小相等 方向相反 主动锥齿轮轴向力与从动锥齿轮的径向力大小相等 方向相反 锥齿轮轴向力的方向平行轴线并指向大端 主动锥齿轮的圆周力与转动方向相反 从动锥齿轮的圆周力与转动方向相同 4 7 3直齿锥齿轮齿面接触疲劳强度计算 利用直齿圆柱齿轮的接触疲劳强度计算公式 则直齿锥齿轮齿面接触疲劳强度校核公式为 因为 故 因为 则 直齿锥齿轮齿面接触疲劳强度校核公式为 直齿锥齿轮齿面接触疲劳强度设计公式为 4 7 4直齿锥齿轮齿根弯曲疲劳强度计算 直齿锥齿轮齿根弯曲疲劳强度校核公式为 直齿锥齿轮齿根弯曲疲劳强度设计公式为 4 8 1齿轮传动的效率 齿轮传动中的功率损失主要包括 1 啮合中的摩擦损失 2 润滑油被搅动的油阻损失 3 轴承中的摩擦损失 4 8齿轮传动的效率 润滑及结构 齿轮传动的效率 1 啮合中的效率损失 2 润滑油被搅动的油阻损失 3 轴承中摩擦损失 满载时 采用滚动轴承的齿轮传动 平均效率列于表4 12 1 润滑剂的选择 在选择润滑油时 先根据齿轮的工作条件以及圆周速度由表4 13查得运动粘度值 再根据选定的粘度值确定润滑油的牌号 4 8 2齿轮传动的润滑 2 润滑方式 a 浸油润滑 b 喷油润滑 4 8 3齿轮结构 1 齿轮轴 a 圆柱齿轮轴 b 锥齿轮轴 对齿根圆直径与轴径相差不大的齿轮 或从键槽底面到齿根的距离e过小 如圆柱齿轮 锥齿轮 此时应将齿轮与轴做成一体 称为齿轮