第十一章 齿轮传动

.,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5256HRC，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0.150.25%的低碳钢和低碳合金钢，如20、20Cr等。齿面硬度达5662HRC，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：220260HBS。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6062HRC。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，HBS350，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:2050HBS,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。,.,113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112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113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/d11,得:,中心距:a=(d2d1)/2,或:d1=2a/(u1),=d1(u1)/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=KFnhFcosF,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=FncosFF2=FnsinF,-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m1.5,一般YF1YF2，F1F2,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：SFSH,.,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=3.732118(6)模数m=2a/（z1+z2）=2220.2/（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=0.4225=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=Ftgn,.,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