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第十章齿轮传动齿轮传动概述课件备课讲稿 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 11、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、工作可靠、结构紧凑等。 22、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110-1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按装置形式分闭式传动:齿轮传动封闭在箱体内，具有良好的润滑条件，能防尘。 开式传动:齿轮外露，润滑条件差，不能防尘。 半开式传动:齿轮在护罩内，但不密封，可以设置油池润滑；亦有的仅把齿轮罩上，只起防尘作用，润滑条件有所改善，但仍较差。 软齿面齿轮:齿面硬度350HBS硬齿面齿轮齿面硬度350HBS按齿面硬度分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点蚀措施齿面硬度、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点蚀措施齿面硬度、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.2.开式传动3.磨损失效（为条件性计算）为主折断失效4.只按齿根弯曲强度设计求出m将m增大1015%，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（HBS350）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LKFKp pnca?K为载荷系数，其值为KK AK vKKLFpn?式中K A使用系数K v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K A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；取值方法参考表10-22（P P193）10-4齿轮传动的计算载荷 1、使用系数K A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10-22（P P190）10-4齿轮传动的计算载荷 2、动载系数K v: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- 88、P P19410-4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122，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10-33（p p195)查取;主要影响因素11）受载后轮齿变形；22）轮齿制造误差（特别是基节偏差）；33）齿廓修形（修缘量）；44）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影响；122，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。 取值方法P196表10-4P198图10-13直齿圆柱齿轮强度计算110-5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110-5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F r=F ttan?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112dTFt?cosFFtn?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s第个问题在轮齿的危险剖面上存在三种应力由F n cos?F、?由F nsin?c（?c、?较小，只计算?F）?c、?在应力修正系数Y sa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F n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a1a2s3030F nF nF nsinl F n cos直齿圆柱齿轮强度计算2?coscos62coscos62Sh12sh tFKKm bdKTm Kbm KF?1ttn2dTFcosFF?，?cos KcosKY2ShFa6?令 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s 2、计算公式3030F nF nF nsinh F n cos6/cos2nFS bh FWMb?取:h=K hm S=K sm考虑载荷系数K齿形系数Y Fa只与齿形有关（、h a*、z、变位系数等），与模数无关（表10-15p200）引入应力修正系数Y Sa，考虑?c、?的影响。 直齿圆柱齿轮强度计算2?cos KcosKmbdKTmK cosm bmK cosF2Sh12sh tF626?1ttn2dTFcosFF?，?cos KcosKY2ShFa6?令 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s 2、计算公式3030F nFnFnsinhFncos6/cos2nFS bhFWMb?取:h=K hm S=K sm考虑载荷系数K齿形系数Y Fa只与齿形有关（、h a*、z、变位系数等），与模数无关（表10-15p197）引入应力修正系数Y Sa，考虑?c、?的影响。 (2)应用（10-5）时，Y FaY sa/F?取取中较大者代入计算?2FSa2Fa21FSa1Fa1?Y Y YY、直齿圆柱齿轮强度计算21b/dd? 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?F Sa FatF FSaFa11F2?Y YbmKFY Ym bdKT或校核式（10-4）设计式（10-5）?3FSa Fa21d12?Y YzKTm? 3、说明与讨论 (1)一对啮合轮齿F1=F2；？F1=F2？ (3)载荷一定时，弯曲强度?不一定不一定改善材料和热处理Fm、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L L)E E()(F22212121H1111?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L L)E E()(F22212121H1111?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L L)E E()(F22212121H1111?cos dKTcosKFKF F F1tn ca2?211221111?综合曲率半径?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L)E E()(F12212121H1111?L?cos dKTcosKFKF F F1tn ca2?211221111?综合曲率半径?计算点节点L综合曲率半径?p?sin2111dP N?节点P处?sin2222dP N?121212?ddzzu211221111?u1usin2u1u111?d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L L)E E()(F22212121H1111?cos dKTcosKFKFFF1tn ca2?211221111?综合曲率半径?计算点节点u1usin21?d弹性影响系数)11(1222121EE EZ?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L L)E E()(F12212121H1111?cos dKTcosKFKFFF1tn ca2?211221111?综合曲率半径?计算点节点u1usin21?d弹性应向系数)E E(Z122121E111?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1sin2cosH E1tH?Zuud bKF）时，标准齿轮区域系数令2.520(sin cos2H H?Z Z?校核式（10-8）、（10-8a）1H HE1tH?Z ZuubdKF12.5H1tE H?uubdKFZ或设计计算式（10-9）、（10-9a）23HE Hd11)(12?Z Zuu KTd?23HEd11)(12.32?ZuuKTd?或带入，将11d2dTF d/bt?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1H HE1tH?Z ZuubdKF23HE Hd11)(12?Z ZuuKTd?说明与讨论 (1)一对啮合轮齿H1=H2；？H1=H2？（ （3）载荷一定时，接触强度？相等不一定改善材料和热处理Hd1（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H1和H2中较小者。 ?用设计公式初步计算齿轮分度圆直径d1(或模数m n)时，因载荷系数中的K V、K、K不能预先确定，故可先试选一载荷系数K t。 算出d1t(或m nt）后，用d1t再查取K V、K、K从而计算K。 若K与K t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、Y Fa、Y Sa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。 ?Fa2Fa22FY Y?Sa1Fa11FYY?3tt11KKd d?3tnt nKKmm?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?2齿数z?H，一般情况下取?=20；航空用齿轮可取?=25；大重合度高速齿轮可取?=1618?sind2?z1z2，传动的平稳性；m齿高切削量，制造费用。 同时，d a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?d?d齿宽b有利于提高强度，但?d过大将导致K?d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?d?d齿宽b有利于提高强度，但?d过大将导致K?d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?d?d齿宽b有利于提高强度，但?d过大将导致K?d的选取可参考齿宽系数表10-7，p201b=?d d1圆整，b1=b2+（510）mm减速器中，齿宽系数?a的规定值为0.2，0.25，0.3，0.4，0.5，0.6，0.8，1.0，1.2)1(50au d.bab?au.db?)1(50d?齿轮传动的设计参数2 二、齿轮传动的许用应力?SKLim N?10-6齿轮传动设计参数、许用应力与精度选择K N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。 h60njL N?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；L h齿轮的工作寿命，单位为小时。 K FN图10-18p 206、K HN图10-19p207试验齿轮m=3 5、?=20?、b=1050mm、v=10m/s、粗糙度为、失效率1%。 0.8齿轮传动的设计参数2 二、齿轮传动的许用应力?SKLim N?10-6齿轮传动设计参数、许用应力与精度选择K N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。 h60njL N?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；L h齿轮的工作寿命，单位为小时。 K FN图10-18p 206、K HN图10-19p207试验齿轮m=3 5、?=20?、b=1050mm、v=10m/s、粗糙度为、失效率1%。 0.8齿轮传动的设计参数2 二、齿轮传动的许用应力?SKLim N?10-6齿轮传动设计参数、许用应力与精度选择K N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。 h60njL N?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；L h齿轮的工作寿命，单位为小时。 K FN图10-18p 202、K HN图10-19p203试验齿轮m=3 5、?=20?、b=1050mm、v=10m/s、粗糙度为、失效率1%。 0.8齿轮传动的设计参数2 二、齿轮传动的许用应力?SKLim N?10-6齿轮传动设计参数、许用应力与精度选择K N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。 h60njL N?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；L h齿轮的工作寿命，单位为小时。 K FN图10-18p 202、K HN图10-19p203试验齿轮m=3 5、?=20?、b=1050mm、v=10m/s、粗糙度为、失效率1%。 0.8S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=?FlimY ST(Y ST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210-6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=?FlimY ST(Y ST应力校正系数)图10-20接触疲劳强度极限?Hlim图10- 211、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210-6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210-6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