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第五章齿轮传动,东北大学国家工科机械基础课程教学基地,5-9齿轮传动的润滑,5-2齿轮传动的失效形式、计算准则和材料,5-8变位齿轮传动的强度计算,5-7标准直齿圆锥齿轮传动的强度计算,5-6标准斜齿圆柱齿轮传动的强度计算,5-5齿轮精度、设计参数选择及许用应力,5-4标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算,5-3齿轮传动的载荷计算,5-1概述,目录,5-10常用齿轮结构,5-1概述,一、齿轮传动的特点1、直径、速度、功率范围广2、效率高、寿命长、可靠性高，3、传动比恒定4、可实现平行轴、相交轴及间交错轴的传动5、要求制造精度高6、不适于大中心距传动,5-1概述,1、按轴线位置,二、分类,2、按齿面硬度,5-1概述,三、要求1、传动平稳瞬时传动比恒定2、强度高、寿命足够,5-2齿轮失效形式、设计准则与材料,一、齿轮传动的失效形式1.轮齿折断2.齿面点蚀3.齿面胶合4.齿面磨损5.轮齿塑性,F,齿根裂纹起始点,1.轮齿折断,（1）过载断齿：意外超载,（2）疲劳断齿：交变载荷反复作用,（硬齿面齿轮）齿根圆角应力集中，产生疲劳裂纹、扩展、断齿,5-2齿轮失效形式、设计准则与材料,2.齿面点蚀（软齿面齿轮）,点蚀：交变接触应力反复作用,齿面产生微裂纹，疲劳扩展、点蚀,5-2齿轮失效形式、设计准则与材料,齿面点蚀机理,5-2齿轮失效形式、设计准则与材料,3.齿面胶合(高速重载齿轮),齿面胶合：高压、高速，油膜破裂；啮合局部高温，齿面焊接；相对运动撕裂、涂抹,热胶合,冷胶合,5-2齿轮失效形式、设计准则与材料,4.齿面磨损(开式齿轮),齿面磨损：磨料进入齿面间；相对运动齿面磨损。,5-2齿轮失效形式、设计准则与材料,5.轮齿塑变,从动齿节线起脊,主动齿节线出沟,（1）齿面塑性：齿面较软，材料沿摩擦力方向流动,5-2齿轮失效形式、设计准则与材料,（2）齿体塑变,材料较软，载荷过大，轮齿整体塑变移位。,5-2齿轮失效形式、设计准则与材料,二、齿轮失效形式与极限转矩的关系,5-2齿轮失效形式、设计准则与材料,三、设计准则,1、闭式齿轮传动主要失效形式软齿面（齿面硬度350HBS），齿面点蚀硬齿面（齿面硬度350HBS），断齿、点蚀设计准则按齿面接触强度设计定参数按齿根弯曲强度校核,2、开式齿轮传动主要失效形式：齿面磨损和断齿设计准则：按齿根弯曲强度设计，定参数降低许用齿根弯应力，考虑磨损的影响，取,5-2齿轮失效形式、设计准则与材料,四、齿轮材料,1.基本要求：齿面硬，齿芯韧。,2.常用材料：优质碳钢，合金钢，铸钢，铸铁，非金属材料优先采用锻制或轧制钢材。大尺寸齿轮受锻造设备限制或形状复杂时采用铸钢。开式齿轮可用铸铁高速小功率以传递运动为主的齿轮可用非金属材料,5-2齿轮失效形式、设计准则与材料,3.热处理方法,(1)渗碳淬火材料：低碳钢、低碳合金钢如20，20CrMnTi等（含碳0.150.25%）特点：齿面硬度5662HRC，芯部韧性较高接触强度高，耐磨性好，抗冲击载荷能力强。应用：对尺寸和重量有严格要求的重要设备中。,(2)表面淬火材料：中碳钢，中碳合金钢如45，40Cr等。特点：齿面硬度4050HRC，芯部未淬硬有较高的韧性；接触强度高，耐磨性好，能承受一定的冲击载荷。,5-2齿轮失效形式、设计准则与材料,3.热处理方法,(3)调质（淬火+高温回火）材料：中碳钢，中碳合金钢特点：齿面硬度160280HBS承载能力较低，制造成本低，应用：对尺寸和重量没有严格限制的一般机械设备中。要求：齿面硬度差=HBS1-HBS2=2050HBS,(4)正火（消除应力）材料：中碳钢，铸钢，铸铁。特点：承载能力低，制造成本低。应用：强度要求不高的中碳钢齿轮，铸钢、铸铁齿轮。,5-2齿轮失效形式、设计准则与材料,一、名义载荷,5-3齿轮传动的载荷计算,二、计算载荷,5-3齿轮传动的载荷计算,1.使用系数,5-3齿轮传动的载荷计算,齿轮外部因素引起的动载，与原动机、工作机、联轴器特性有关（表5-3）,2.动载系数,齿轮内部因素引起的附加动载荷查图5-4,5-3齿轮传动的载荷计算,（1）基节误差：pb不同2突变冲击（2）齿形误差：ff（3）轮齿变形：刚度变化,3.齿向载荷分布系数,5-3齿轮传动的载荷计算,轴弯曲变形的影响,考虑载荷沿齿宽方向分布不均的影响与齿轮、轴、轴承、箱体变形及安装误差有关,轴扭转变形的影响,两轮均为软齿面或其中之一为软齿面,图5-7,改善齿向载荷分布方法,鼓型修形,5-3齿轮传动的载荷计算,4.齿间载荷分配系数,5-3齿轮传动的载荷计算,啮合过程中，有单齿对啮合、双齿对啮合。由于误差、变形等原因，载荷在齿对间分配不均,考虑同时啮合齿对间载荷分配不均的系数影响因素：（1）齿轮制造误差-基节误差（2）啮合刚度（啮合齿对变形有关）表5-4,表5-4齿间载荷分布系数,5-3齿轮传动的载荷计算,一、轮齿受力分析,5-4标准直齿轮传动强度计算,关系,二、赫兹公式,5-4标准直齿轮传动强度计算,三、齿面接触强度计算,5-4标准直齿轮传动强度计算,1.计算模型：C点-节点当量圆柱体接触代,2.接触应力：,三、齿面接触强度计算,5-4标准直齿轮传动强度计算,2.接触应力：,5-4标准直齿轮传动强度计算,表5-5,5-4标准直齿轮传动强度计算,5-4标准直齿轮传动强度计算,四、齿根弯曲强度计算,5-4标准直齿轮传动强度计算,1.计算模型：悬臂梁（单齿对齿顶受载）,Ysa-应力修正系数(图5-15）;考虑齿根过渡圆角应力集中影响,Y-重合度系数，载荷作用于单齿啮合区上界点时，弯曲应力最大，为修正载荷作用于齿顶计算产生的误差，引入的修正系数,若最终确定参数后求出与初取值相差较大，则修正模数,5-4标准直齿轮传动强度计算,齿根弯曲强度校核式：,齿根弯曲强度设计式：,5-4标准直齿轮传动强度计算,许用齿根弯曲应力，对于开式齿轮，降低20%35%，,若最终确定参数后求出与初取值相差较大，则修正模数,分析：m-模数，m大F小,5-4标准直齿轮传动强度计算,一、齿轮精度选择,5-5齿轮精度、设计参数及许用应力,常用设备齿轮的精度等级6-9级,二、设计参数选择,5-5齿轮精度、设计参数及许用应力,1、齿数比,二、设计参数选择,5-5齿轮精度、设计参数及许用应力,三、许用应力,5-5齿轮精度、设计参数及许用应力,1.齿轮传动的许用应力实验齿轮及试验条件：直齿圆柱齿轮m=35mm、=20、b=1050mma=100mm,v=10m/s齿面粗糙度为Rz=3m，失效概率为1%。,5-5齿轮精度、设计参数及许用应力,2.接触疲劳强度许用应力H：,5-5齿轮精度、设计参数及许用应力,3.弯曲疲劳强度许用应力F：,一、轮齿受力分析,5-6标准斜圆柱齿轮传动强度计算,主动轮左右手定则：,5-6标准斜圆柱齿轮传动强度计算,(1)主动轮左旋（右旋）左手（右手）(2)四指握指回转方向(3)拇指指向轴向力方向,关系,二、齿面接触强度计算,5-6标准斜圆柱齿轮传动强度计算,斜齿圆柱齿轮法面齿廓曲率半径,1.模型：斜齿轮法面当量齿轮齿廓节点接触，ZH,Z,考虑螺旋角影响，引入螺旋角系数Z,2.接触应力：,2.接触应力：,5-6标准斜圆柱齿轮传动强度计算,5-6标准斜圆柱齿轮传动强度计算,5-6标准斜圆柱齿轮传动强度计算,三、齿根弯曲强度计算,5-6标准斜圆柱齿轮传动强度计算,1.模型：斜齿轮法面当量直齿轮轮齿受弯，引入Y考虑螺旋角影响,2.弯曲强度计算：,5-6标准斜圆柱齿轮传动强度计算,5-6标准斜圆柱齿轮传动强度计算,一、主要设计参数,5-7标准直齿锥齿轮传动的强度计算,大端参数为标准值,直齿锥齿轮传动的几何参数,二、受力分析,5-7标准直齿锥齿轮传动的强度计算,关系,三、强度计算,1、计算模型：齿宽中点当量直齿轮单齿对啮合,5-7标准直齿锥齿轮传动的强度计算,5-7标准直齿锥齿轮传动的强度计算,校核式：,设计公式:,5-7标准直齿锥齿轮传动的强度计算,校核式：,设计公式:,5-7标准直齿锥齿轮传动的强度计算,5-8变位齿轮传动的强度计算,1、高度变位齿轮传动，因x=0,=,故ZH不变，H不变；角度变位齿轮传动，当x0时，因，故ZHH。,2、变位后由于齿形变化，故弯曲强度计算式中齿形系数YFa及应力校正系数Ysa发生变化。xYFa.YsaF。,5-9齿轮传动的润滑,定期人工加油润滑,浸油润滑,喷油润滑,5-9齿轮传动的润滑,常用润滑方式,浸油润滑,喷油润滑,5-10常用