第十一章 齿轮传动ppt课件

第13章齿轮传动 作用 不仅用来传递运动 而且还要传递动力 要求 运转平稳 足够的承载能力 分类 开式传动闭式传动 润滑良好 适于重要应用 裸露 灰尘 易磨损 适于低速传动 13 1轮齿传动的失效形式 轮齿折断 失效形式 齿面点蚀 齿面胶合 齿面磨损 齿面塑性变形 轮齿折断 一般发生在齿根处 严重过载突然断裂 疲劳折断 齿面点蚀 齿面点蚀 齿面接触应力按脉动循环变化当超过疲劳极限时 表面产生微裂纹 高压油挤压使裂纹扩展 微粒剥落 点蚀首先出现在节线处 齿面越硬 抗点蚀能力越强 软齿面闭式齿轮传动常因点蚀而失效 齿面胶合 齿面胶合 高速重载传动中 常因啮合区温度升高而引起润滑失效 致使齿面金属直接接触而相互粘连 当齿面向对滑动时 较软的齿面沿滑动方向被撕下而形成沟纹 措施 1 提高齿面硬度 2 减小齿面粗糙度 3 增加润滑油粘度低速 4 加抗胶合添加剂高速 齿面磨损 措施 1 减小齿面粗糙度 2 改善润滑条件 磨粒磨损 跑合磨损 齿面塑性变形 13 2齿轮材料及热处理 常用齿轮材料 优质碳素钢 合金结构钢 铸钢 铸铁 热处理方法 表面淬火 渗碳淬火 调质 正火 渗氮 高频淬火 火焰淬火 一般用于中碳钢和中碳合金钢 如45 40Cr等 表面淬火后轮齿变形小 可不磨齿 硬度可达52 56HRC 面硬芯软 能承受一定冲击载荷 1 表面淬火 2 渗碳淬火 渗碳钢为含碳量0 15 0 25 的低碳钢和低碳合金钢 如20 20Cr等 齿面硬度达56 62HRC 齿面接触强度高 耐磨性好 齿芯韧性高 常用于受冲击载荷的重要传动 通常渗碳淬火后要磨齿 调质一般用于中碳钢和中碳合金钢 如45 40Cr 35SiMn等 调质处理后齿面硬度为 220 260HBS 因为硬度不高 故可在热处理后精切齿形 且在使用中易于跑合 3 调质 4 正火 正火能消除内应力 细化晶粒 改善力学性能和切削性能 机械强度要求不高的齿轮可用中碳钢正火处理 大直径的齿轮可用铸钢正火处理 渗氮是一种化学处理 渗氮后齿面硬度可达60 62HRC 氮化处理温度低 轮齿变形小 适用于难以磨齿的场合 如内齿轮 材料为 38CrMoAlA 5 渗氮 特点及应用 调质 正火处理后的硬度低 HBS 350 属软齿面 工艺简单 用于一般传动 当大小齿轮都是软齿面时 因小轮齿根薄 弯曲强度低 故在选材和热处理时 小轮比大轮硬度高 20 50HBS 表面淬火 渗碳淬火 渗氮处理后齿面硬度高 属硬齿面 其承载能力高 但一般需要磨齿 常用于结构紧凑的场合 11 3齿轮传动的精度 误差对齿轮传动的影响 1 影响传递运动的准确性 2 影响传动的平稳性 3 影响载荷分布的均匀性 精度等级 13个精度等级 第0级最高 第12级的最低 齿轮副中两个齿轮的精度等级一般取成相同 P162表11 2列出了精度等级的荐用范围 设计时可参考 齿轮上的作用力计算载荷 13 4直齿圆柱齿轮传动的作用力及计算载荷 一 轮齿上的作用力 圆周力 径向力 法向力 各作用力的方向如图 各力的方向 各力关系 作用在主动轮和从动轮上的对应力等值反向 即 各作用力方向判断 Ft1与主动轮回转方向相反 Ft2与从动轮回转方向相同 Fr1 Fr2分别指向各自齿轮的轮心 注意 各力应画在啮合点上 二 计算载荷 名义载荷 机器铭牌上给定的载荷或经受力分析得到的载荷 如等 计算载荷 实际计算时 为尽可能接近实际情况 需要计入影响受力效果的各种因素 制造 安装误差 轮齿 轴和轴承受载后的变形 原动机与工作机的不同性能 传动中工作载荷与工作速度的变化等 以系数的形式对名义载荷进行修正 名义载荷的修正值称为计算载荷 如等 计算齿轮强度时 名义载荷Fn通常用计算载荷KFn代替 以考虑载荷集中和附加动载荷的影响 K为载荷系数 其值由P164表11 3查取 13 5直齿圆柱齿轮传动的齿面强度计算 在一般闭式齿轮传动中 轮齿的失效主要是齿面接触疲劳点蚀和轮齿弯曲疲劳折断 齿面疲劳点蚀与齿面接触应力的大小有关 而齿面的最大接触应力可近似用赫兹公式进行计算 赫兹公式 用于外啮合 用于内啮合 节圆处齿廓曲率半径 齿数比 u z2 z1 d2 d1 1 得 中心距 a d2 d1 2 或 d1 2a u 1 d1 u 1 2 由于节点处只有一对齿啮合 所以载荷由一对齿承担 其中K为载荷系数 载荷系数根据原动机的类型及工作机械的载荷特性确定 见表11 3ZE为弹性系数 见表11 4ZH为区域系数 标准齿轮 ZH 2 5 许用接触应力 齿面接触强度条件 一对齿轮 当材料 传动比及齿宽系数一定时 齿轮的直径由齿面接触强度决定 而模数的大小与接触强度无关 齿面接触强度的设计公式 d d 许用接触应力 Hlim 接触疲劳极限 由实验确定 SH 为安全系数 查表11 4确定 11 6直齿圆柱齿轮传动的弯曲疲劳强度计算 假定载荷仅由一对轮齿承担 按悬臂梁计算 齿顶啮合时 弯矩达最大值 弯曲力矩 M KFnhFcos F 危险界面的弯曲截面系数 弯曲应力 危险截面 齿根圆角30 切线两切点连线处 齿顶受力 Fn 可分解成两个分力 F1 Fncos FF2 Fnsin F 产生弯曲应力 压应力 小而忽略 hF和SF与模数m相关 考虑引力集中 引入应力集中系数 可得轮齿弯曲强度计算公式 故YFa与模数m无关 弯曲应力 对于标准齿轮 YF仅取决于齿数Z 取值见图 计算时取 较大者 计算结果应圆整 且m 1 5 一般YF1 YF2 F1 F2 引入齿宽系数 a b a 得设计公式 在满足弯曲强度的条件下可适当选取较多的齿数 使传动平稳 在中心距a一定时 z增多则m减小 da减小 节省材料和工时 许用弯曲应力 弯曲疲劳极限 Flim由实验确定 SF为安全系数 查表11 4确定 因弯曲疲劳造成的轮齿折断可能造成重大事故 而疲劳点蚀只影响寿命 故 SF SH 齿轮传动设计时 按主要失效形式进行强度计算 确定主要尺寸 然后按其它失效形式进行必要的校核 软齿面闭式齿轮传动 按接触强度进行设计 按弯曲强度校核 硬齿面闭式齿轮传动 按弯曲强度进行设计 按接触强度校核 开式齿轮传动 按弯曲强度设计 例题闭式直齿圆柱齿轮传动 电动机驱动 单向转动 载荷有中等冲击 传动比i 3 7 高速轴转速n1 745r min 传动功率P 17kW 确定该传动齿轮 1 选择材料并确定许用应力小齿轮用40MnB调质处理 HB260 1 大齿轮用ZG35SiMn调质处理 HB225 2 查得 Hlim1 700N mm2 Hlim2 540N mm2 SH 1 1 3 Flim1 240N mm2 Flim2 180N mm2 SF 1 3 4 2 按齿面接触强度设计设齿轮按8级精度制造 载荷系数取K 1 5 齿宽系数 a 0 4 5 取z1 32 z2 iz1 3 7 32 118 6 模数m 2a z1 z2 2 220 2 32 118 2 94 取m 3mm 中心距a m z1 z2 2 3 32 118 2 225mm 7 齿宽b aa 0 4 225 90mm取b2 90mm b1 95mm 8 3 验算轮齿弯曲强度齿形系数YF1 2 57 YF2 2 18按最小齿宽验算 4 齿轮圆周速度 故采用8级精度合适 13 8斜齿圆柱齿轮传动 轮齿上的作用力 圆周力 径向力 轴向力 轮齿所受总法向力Fn可分解为三个分力 F Ft cos Fr F tg n 各分力的方向如下 主动轮圆周力Ft1的方向与圆周速度方向相反 从动轮圆周力Ft2的方向与圆周速度方向相同 径向力Fr1 Fr2的方向分别指向各自轮心 主动轮轴向力Fa1的方向也可根据主动轮螺旋方向和回转方向用左 右 手定则判断 左旋齿轮用左手 右旋齿轮用右手 判断时 用手握住齿轮的轴线 让四指弯曲的方向与齿轮的转向相同 则大拇指的指向即为齿轮所受轴向力Fa1的方向 而从动轮所受轴向力的方向与主动轮的相反 11 9直齿圆锥齿轮传动 齿轮上的作用力两圆锥齿轮啮合传动 轮齿间的相互作用的法向力Fn可视为集中作用在平均分度圆上 即齿宽中点C处 法向力Fn分解为相互垂直的三个分力 即圆周力Ft 径向力Fr和轴向力Fa 圆周力Ft的方向在主动轮上与运动方向相反 在从动轮上与运动方向相同 径向力Fr的方向对两轮都是垂直指向齿轮轴线 轴向力Fa的方向对两个齿轮都是背着锥顶 11 10齿轮的构造 1 齿轮轴 2 实心齿轮 3 腹板式齿轮 4 轮辐式齿轮 油池润滑 采用惰轮的油池润滑 喷油润滑 开式齿轮常采用人工定期润滑 可用润滑油或润滑脂 闭式齿轮传动的