矿物加工机械设计基础 四 连续回转传动(1).ppt

1,第四章连续回转传动,直接接触的啮合传动（齿轮传动）,有中间挠性件的啮合传动（链传动）,直接接触的摩擦传动（摩擦轮传动）,有中间挠性件的摩擦传动（带传动）,啮合传动,摩擦传动,连续回转传动,2,第一节齿轮传动的类型和特点,3,平行轴齿轮传动相交轴齿轮传动交错轴齿轮传动,5,齿轮实物,6,齿轮实物,7,第一节齿轮传动的特点及类型,优点：1）传动效率高2）传动比恒定3）结构紧凑4）工作可靠、寿命长缺点：1）制造、安装精度要求较高2）不适于中心距a较大两轴间传动3）使用维护费用较高）精度低时、噪音、振动较大类型：闭式齿轮传动用于重要场合开式齿轮传动易进杂物、污染润滑、容易磨损、用于不重要、低速场合基本要求：1.传动准确平稳2.具有足够承载能力,8,变速箱结构图,9,第一节齿轮传动的特点及类型,按轮齿齿廓曲线形状的不同，齿轮传动又可分为渐开线齿轮传动、仪表圆弧齿轮传动、圆弧齿轮传动和摆线针轮传动等。优点：齿轮传动具有传动准确可靠，传动效率高，寿命长，结构紧凑，适用的载荷和速度范围广（传递功率可达10MW，线速度可达300m/s），能在空间任意两轴间传递运动和动力等优点。缺点：传动要求较高的制造和安装精度，制造成本高，不适合远距离传动。,一、渐开线形成与特性,发生线,基圆,向径,展角,压力角,基圆半径rb,rK,图4-2渐开线的形成(点击图片演示动画),第二节渐开线齿轮传动的规律和主要参数,渐开线特性,2.法线切于基圆.,4.渐开线形状取决于rb.,5.基圆内无渐开线.,B,A,rK,rb,渐开线直线；,12,压力角：渐开线上某一点的压力角就是该点所受法向力的方向线与该点速度方向线的夹角。,离基圆越远压力角越大。渐开线的形状取决于基圆的大小，基圆越小，渐开线越弯曲。因此，可根据需要做成不同曲率的齿廓。,图4-3基圆大小与渐开线的形状,13,1、传动比恒定不变,二、渐开线齿轮的啮合特点,2、中心距允许偏差传动比不变3、传递压力的方向不变沿公法线方向4、齿廓间相对滑动造成摩擦损失和齿廓摩擦,14,2,1,o2,o1,n,n,k,C,vk2,vk1,作平面啮合的一对齿廓，它们的瞬时接触点的公法线，必与两齿轮的连心线交于相应的节点C，该节点将齿轮连心线分成两个线段，与该对齿轮的角速比成反比。,一对齿廓在K点接触时，,vk1vk2,但其法向分量应相同。否则要么分离、要么嵌入,有：i12=1/2O2C/O1C,根据三心定律可知：C点为相对瞬心。,如果要求传动比为常数，则应使O2C/O1C为常数。,由于O2、O1为定点，故C必为一个定点。,两节圆相切于C点，且两轮节点处速度相同，故两节圆作纯滚动。,15,三、渐开线直齿圆柱齿轮的主要参数和尺寸,设计计算的基准圆分度圆,其上的m与均为标准值。d=mz齿距p=m齿高中心距,0.350.70.91.752.252.75(3.25)3.5(3.75)第二系列4.55.5(6.5)79(11)14182228(30)3645,模数m:，其几何意义是表征轮齿的大小。,17,四、渐开线直齿圆柱齿轮的正确啮合条件和连续传动条件,1、正确啮合条件：两齿轮的模数相等、压力角相等。2、连续传动条件：一对齿轮在任何瞬时必须有一对或一对以上的齿处于啮合状态。,1）渐开线齿轮的啮合过程理论啮合线段N1N2实际啮合线段B1B2齿廓工作段,2）正确啮合的条件保证前后两对轮齿有可能同时在啮合线上相切接触。,条件：,传动比,m1=m2=ma1=a2=a,正确啮合条件,1渐开线直齿圆柱齿轮传动,19,2、齿轮传动的中心距及啮合角（侧隙为零、顶隙为标准值）,a,1）节圆d、啮合角,2）具有标准顶隙的中心距,a=r1+r2,=r1(h*+c*)m+c*m+r2+h*m,=rf1+c+ra2,rf1,ra2,=r1+r2,标准中心距,3）侧隙为零的中心距,无侧隙啮合条件:,S1=e2;e1=S2,S1=e2=e1=S2,标准齿轮:S=e=m/2,当两标准齿轮按分度圆相切来安装,则满足传动条件。正确安装,a,分度圆与节圆重合,由于m1=m2,重合度,分析：1）=1表示在啮合过程中，始终只有一对齿工作；2）12表示在啮合过程中，有时是一对齿啮合，有时是两对齿同时啮合。重合度传动平稳性承载能力。,3、连续传动条件,22,五、渐开线齿廓的切制原理、根切和最少齿数,1）仿型法（成型法）精度低、生产率低刀具：A.圆盘铣刀B.指形铣刀刀具的选择与m、z有关。,1、切削原理,每把刀的刀刃形状,按它加工范围的最少齿数齿轮的齿形来设计。,2）范成法,切削（沿轮坯轴向）进刀和让刀（沿轮坯径向）范成运动（模拟齿轮啮合传动）,刀具与轮坯以i12=1/2=Z2/Z1回转,用同一把刀具,通过调节i12,就可以加工相同模数、相同压力角,不同齿数的齿轮。,齿轮插刀,齿条插刀,齿轮滚刀,26,26,图616齿条插刀切齿示意(点击图片演示动画）,2、根切现象、不根切的最少齿数和变位修正法,1）根切现象用范成法切削标准齿轮时,如果齿轮的齿数过少，刀具的齿顶就会切去轮齿根部的一部分，这种现象称为根切。,3）不产生根切的最少齿数,PN1PB2,rsina,hasina,mZ2,sina,msina,得:Z,sin2a,2,当=200、,=1、,Zmin=17,不根切条件,3.避免发生根切的措施限制小齿轮的最小齿数；减少齿顶高系数(重合度减少、非标准刀具)；增大分度圆压力角(正压力径向力增大、非标准刀具)；,B,（x变位系数，m模数）,通过改变刀具与轮坯的相互位置以避免根切，从而达到可以制造较少齿数的齿轮。这样制造出来的齿轮称为变位齿轮。切齿刀具所移动的距离xm称为移距。,采用变位修正法：,最小变位系数,xm变位量（移距）x变位系数x0正变位齿轮x350HBS)表面淬火，渗碳淬火和渗氮。如果一对齿轮均用钢材制造，考虑到小齿轮的齿根厚度较小，应力循环次数较多，以及有利于抗胶合等原因，在选择轮齿的热处理方法时，一般应使小齿轮的齿面硬度比大齿轮高出2050HBS，甚至更多。,57,齿轮材料选用的基本原则,1)齿轮材料必须满足工作条件的要求，如强度、寿命、可靠性、经济性等；,2)应考虑齿轮尺寸大小，毛坯成型方法及热处理制造工艺；,3)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；调质碳钢可用于在中等冲击载荷下工作的齿轮；,6)钢制软齿面齿轮，其配对两轮齿面的硬度差应保持在3050HBS或更多。,4)合金钢用于制作高速、重载并在冲击载荷下工作的齿轮；,5)航空齿轮要求尺寸尽可能小，应采用表面硬化处理的高强度合金钢；,齿轮传动的精度等级,制造和安装齿轮传动装置时，不可避免会产生齿形误差、齿距误差、齿向误差、两轴线不平行误差等。.,误差的影响：,1.转角与理论不一致，影响运动的不准确性；,2.瞬时传动比不恒定，出现速度波动，引起震动、冲击和噪音影响运动平稳性；,3.齿向误差导致轮齿上的载荷分布不均匀，使轮齿提前损坏，影响载荷分布的不均匀性。,国标GB10095-88给齿轮副规定了12个精度等级。其中1级最高，12级最低，常用的为69级精度。,按照误差的特性及它们对传动性能的主要影响，将齿轮的各项公差分成三组，分别反映传递运动的准确性，传动的平稳性和载荷分布的均匀性。,60,二、齿轮的受力分析与计算载荷,1、受力分析圆周力：径向力：法向力：,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的方向均为由作用点指向齿轮转动中心。法向力的方向均指向自己齿的实体。,61,Ft2,Ft1,主视图,左视图,二、齿轮的受力分析与计算载荷,62,2、计算载荷,Fn-名义载荷,受力变形,制造误差,安装误差,附加动载荷,载荷集中,用计算载荷KFn代替名义载荷Fn以考虑载荷集中和附加动载荷的影响，K-载荷系数,三、直齿圆柱齿轮传动的强度计算,为使齿轮不发生疲劳点蚀，应保证,最大接触应力,许用接触应力,接触应力（contactstress）,1、2两圆柱体材料的泊松比,E1、E2两圆柱体材料的弹性模量,“+”号用于外接触，“”号用于内接触,1、齿面接触强度计算,1、齿面接触强度计算接触强度验算式：设计式：式中：u大齿轮与小齿轮的齿数比，uz2/z11，在直齿圆柱齿轮传动中，一般取u5；K载荷系数，见表4-3T1小齿轮转矩,Nmm。b齿宽，mm外啮合取+，内啮合取。,64,三、直齿圆柱齿轮传动的强度计算,65,d齿宽系数db/d1齿宽系数，（见表4-4）许用接触应力，MPa注意事项：以上两式适于一对钢齿轮。E=206GPa，=0.3验算式中为任一齿轮，因，两式中为H1与H2中较小者，因二轮一般不同。，即增大d1或齿宽即可降低。,66,表4-4齿宽系数dbd1,2、齿根弯曲强度计算,67,验算式：MPa；设计式：mm。式中：yF齿形系数，见表45，仅与齿数有关。F许用弯曲应力，MPa（见表42）。,1）弯曲疲劳强度,68,2）注意事项通常,故大、小齿轮应分别验算。设计式中项大，大小齿轮通常不同，取较大者代入。，增大模数对降低弯曲应力最显著。开式齿轮一般将乘以0.70.8作为许用应力。,69,表4-5齿形系数YF,70,3设计准则,齿面间的接触疲劳点蚀,轮齿的弯曲疲劳折断,齿面接触疲劳强度条件,轮齿弯曲疲劳强度条件,胶合、磨损、塑性变形等失效运用上述准则，并作相应考虑具体工作条件下，如何运用上述准则,闭式传动,软齿面(硬度350HBS),按齿面接触疲劳强度条件设计,按轮齿弯曲疲劳强度条件校核,硬齿面(硬度350HBS),按轮齿弯曲疲劳强度条件设计,按齿面接触疲劳强度条件校核,开式传动,按轮齿弯曲疲劳强度条件设计,计算时通常将许用弯曲应力降低20%30%。,71,例4-2用于运输机的单级圆柱齿轮减速器由电动机驱动，单向运转，载荷较平稳，传动比i4，输入功率P1=7.5kW，转速n1970rmin。试设计此减速器的齿轮并计算其尺寸。解：1）选择齿轮材料及确定许用应力小齿轮材料用40MnB，调质，H1670Nmm2，F1285Nmm2。大齿轮材料用45钢，调质，H2560Nmm2，F2215Nmm2。由选材及热处理，可知两齿轮均为软齿面。2）按齿面接触强度设计取载荷综合系数K1.2（表4-3），齿宽系数d0.9（表4-4）。小齿轮上的转矩T19.55106P1n19.551067.597073840（Nmm）,72,按式（4-14）求小齿轮直径齿数：取z1=24，则z2=uz1=424=96。齿轮模数：m=d1/z1=56.06/24=2.34(mm)取m=2.5mm(表4-1)。小齿轮分度圆直径：d1=mz1=2.524=60（mm）齿宽：b=dd1=0.960=54（mm）考虑到齿轮安装时的误差，取b2=54mm,b1=60mm。3）校核轮齿弯曲强度齿形系数YF1=2.67,YF2=2.21（表4-5）。按式（4-15）校核轮齿弯曲强度（按最小齿宽b=54mm计算）（Nmm2）（Nmm2）F1F1，F2F2，可见弯曲强度足够。4）齿轮尺寸计算（略）,设计步骤已知条件：功率P，小齿轮转速n1，传动比i。冲击情况。设计过程：选择齿轮材料，确定许用应用力及设计校核准则；按设计准则设计，计算传动力矩T1，确定大小齿轮齿数，中心距，模数，齿宽等齿轮参数；按校核准则进行校核。计算齿轮圆周速度。,74,第四节斜齿圆柱齿轮传动与直齿圆锥齿轮传动,一、斜齿圆柱齿轮传动斜齿圆柱齿轮的轮齿与柱体母线倾斜一定角度（螺旋角），分左旋和右旋。啮合条件：两齿轮模数、压力角分别相等，旋向相反。特点：传动平稳，冲击、噪声和振动小，承载能力强，使用寿命长。用于高速、重载等场合。,1受力分析如图所示圆周力：径向力：轴向力：,76,例：,主视图,左视图,2强度计算,(1)接触疲劳强度验算式：（Mpa）设计式：（mm）注意事项：式中305是指钢对钢齿轮、钢对铸铁、铸铁对铸铁分别改为260、228.中心距a应为圆整成末位数为0或5.,(2)弯曲疲劳强度验算式：（MPa）设计式：（mm）,79,二、直齿圆锥齿轮传动用于传递两相交轴之间的运动和动力，通常两轴之间夹角为90。特点：承载能力较低，传动噪声大。用于低速、轻载、平稳的场合。标准参数：大端模数、压力角为标准值。,1受力分析圆周力：径向力：轴向力：为小齿轮分度圆锥平均直径,81,Ft2=Ft1；Fr2=Fa1；Fa2=Fr1,n2,例：,1,2,2强度计算,(1)接触疲劳强度验算式：（MPa）设计式：（mm）式中：R锥距，mm；齿宽系数，一般取,(2)弯曲疲劳强度验算式：（MPa）设计式：（mm）,84,第五节齿轮的结构与润滑,1、齿轮轴：小齿轮2、实心式：，锻钢3、腹板式：，锻钢或铸钢4、轮幅式：，铸钢、铸铁,一、齿轮的结构,85,图4-12实心式齿轮,毛坯是锻造,86,图4-13齿轮轴,87,b)腹板式圆锥齿轮,a)腹板式圆柱齿轮,c)带加强筋的腹板式铸造圆锥齿轮,毛坯是锻造,89,毛坯是铸造材料为铸铁或铸钢,轮幅式齿轮,90,焊接结构的齿轮,二、齿轮传动的润滑,91,润滑的作用：减摩、减磨、散热、防锈、减振、降噪开式：脂、油、人工定期润滑的方式线速度时，采用闭式油池润滑线速度时，采用喷油润滑,92,93,齿轮传动润滑油运动粘度推荐值,润滑油的粘度是选择润滑油牌号的主要指标，可根据齿轮传动的工作条件、齿轮材料及其圆周速度来选择。例如圆周速度高时宜选用粘度低的润滑油，具体选择详见有关手册。其中闭式传动一般采用N68N320号中负荷工业齿轮油；而开式齿轮传动则通常由人工定期在齿面上涂抹或充填润滑脂或粘度较大的润滑油。,94,齿轮的功率损失：啮合摩擦、轴承摩擦、油脂阻力,表4-6齿轮传动的平均效率,95,第六节蜗杆传动,环面蜗杆传动,锥蜗杆传动,圆柱蜗杆传动,一、蜗杆传动的组成与原理蜗杆与蜗轮的转向关系:蜗杆右旋右手法则蜗杆左旋左手法则蜗杆为主动件时，传递运动和动力；为被动件时机构自锁。右手法则：右手握蜗杆，四指顺n1方向，拇指的反向即为蜗轮线速度方向蜗杆传动的传动比：,96,1.受力分析,蜗杆与蜗轮的受力分析,2蜗杆传动的失效形式、材料和结构,(1)失效形式：点蚀、胶合、磨损、断齿，其中胶合、磨损常见，蜗轮先损坏(2)材料蜗杆：一般用40、45钢调质，表面硬220250HBS;高速重载用20Cr、20CrMnTi钢渗碳淬火、表面硬度5662HRC;中速重载用40Cr、42SiMn、45钢表面淬火，4455HRC.,蜗轮:铸造锡青铜、铝铁青铜、灰铸铁等。这些材料抗胶合、减摩、耐磨，但价高，分别用于不同的滑动速度。,(3)蜗杆、蜗轮结构,蜗杆的结构,蜗轮的结构,3强度计算,主要失效形式是胶合与磨损，但无法计算。限制接触应力可以减少胶合与磨损。蜗杆与蜗轮中蜗轮先坏，只对蜗轮齿面进行接触疲劳强度计算。验算式：设计式：式中：q蜗杆直径系数，见表6-7许用应力,锡青铜蜗轮的许用接触应力H（单位：MPa）,铝铁青铜及铸铁蜗轮的许用应力H（单位：MPa）,二、蜗杆传动的特点和运用1、特点：1）传动比大蜗杆传动中，蜗杆的头数Z1=14，