精密机械设计_第9章+齿轮传动.ppt

9-1轮齿的失效形式及计算准则,1.轮齿折断,疲劳折断过载折断,发生部位：轮齿根部(全齿折断)、缺角(局部折断),采取措施:增大齿根过渡圆角、消除加工倒痕减小应力集中增大轴及支承的刚性受载均匀合适热处理齿芯具有足够韧性、表面强化,一、失效形式,2.齿面疲劳点蚀,产生原因:接触应力的反复作用发生部位：偏向齿根的节线附近闭式齿轮传动的主要破坏形式开式传动中一般不会出现点蚀现象点蚀后果：轻者振动噪音，重者不能工作,采取措施:提高材料硬度增强抗点蚀能力增大润滑油粘度提高齿面的接触疲劳强度,齿面磨料磨损,产生原因：磨料(沙粒、铁屑等)进入啮合区齿面磨损后果：齿形破坏齿根减薄（根部严重）断齿开式齿轮传动的主要失效形式发生部位：齿面,采取措施:加强润滑提高齿面硬度开式改闭式传动,4.齿面胶合,产生原因:高速重载；散热不良；滑动速度大；齿面粘连后撕脱发生部位：沿运动方向撕裂,采取措施:减小模数，降低齿高抗胶合能力强的润滑油材料的硬度及配对,润滑失效表面粘连沿运动方向撕裂,塑性变形后果：齿廓形状变化，破坏正确啮合低速重载软齿面闭式传动的主要破坏形式。,5.齿面塑性变形,塑性变形原因：齿面软，润滑失效、摩擦变大,防止塑性变形：提高齿面硬度、提高润滑油粘度,齿面沿摩擦力方向塑性变形,二、计算准则,闭式传动软齿面(点蚀):1）按齿面接触疲劳强度设计(先求d)2）然后校核齿根弯曲疲劳强度硬齿面(断齿):1）按齿根弯曲疲劳强度设计(先求m)2）然后校核齿面接触疲劳强度开式传动(磨损)1）按齿根弯曲疲劳强度设计(求m)2）然后将增大1015(磨损补偿)闭式高速重载传动（胶合）措施：提高齿面硬度和光洁度；采用粘度较大的润滑油（低速）或采用含有添加剂抗胶合性能强的润滑油（高速）；采取散热措施。,二.常用材料：1）钢锻钢45、35SiMn、42SiMn、40Cr、35CrMo铸钢ZG310-570、ZG340-6402）铸铁灰口铸铁HT200、HT300球墨铸铁QT500-73）非金属材料,一.对齿轮材料的基本要求：,1.齿面要硬,齿芯要韧2.易于加工及热处理3.软齿面齿轮齿面配对硬度差为3050HBS,9-2齿轮材料及热处理,三.常用热处理,正火、调质齿面硬度350HBS软齿面低碳钢渗碳淬火中碳钢表面淬火齿面硬度350HBS硬齿面大小齿轮齿面硬度差为3050HBS,一、齿轮传动的使用要求,-齿轮传动精度,1.传递运动的准确性：从动轮旋转一周最大转角误差应限制在一定的范围内。2.传递运动的平稳性：从动轮旋转一齿最大转角误差不超过一定的限度。否则产生振动、噪音。3.载荷分布的均匀性：齿轮传动的工作齿面(齿宽、齿高方向)应有一定的接触区。4.齿侧间隙:储存润滑油,补偿齿轮制造和安装误差、受力变形、发热变形的影响，以保证传动灵活。,二、误差来源和精度指标,1.齿形误差2.齿距误差3.齿向误差4.齿厚误差,渐开线圆柱齿轮精度国家标准对齿轮及齿轮副规定12个精度等级，第1级最高，第12级最低。,35级属于高精度，68级属于中等精度、912级属于低精度。,9-4直齿圆柱齿轮传动的强度计算,一、受力分析,直齿圆柱齿轮传动的受力分析,1作用力的大小,rtg,1小齿轮传递的转矩mmd1小齿轮分度圆直径mm分度圆压力角,圆周力t：,径向力r：,t211,P1功率kw，转速n1r/min,n分解为：,t1(主):与1反向,r1r2,t2(从):与2同向,分别指向各自轮心,：画受力图时，各分力画在啮合点上,作用力的方向：,Ft2,Fr2,Fr1,Ft1,Fr1,Fr2,Ft2,Ft1,二计算载荷,K为载荷系数，其值可由表9-4查取,轮齿上的载荷集中,引起齿宽方向载荷分布不均匀的主要因素：,齿轮的制造和安装误差轮齿、轴系及机体的刚度齿轮在轴上相对于轴承的位置轮齿的宽度及齿面硬度等,主要因素：基节和齿形误差产生的传动误差、节线速度和轮齿啮合刚度等。,动载荷由于齿轮制造误差及弹性变形引起的附加动载荷,动载荷系数KV,三、齿面接触疲劳强度计算,轮齿齿面的接触疲劳强度计算近似以节点为准，应用弹性力学赫兹公式并整理得到由曲率的齿廓接触点接触应力赫兹公式,1.齿面接触强度校核公式,ZH节点啮合系数，,当一对钢制齿轮E1=E2=2.06105MPa,120.3,20。,ZE弹性系数，,说明:当一对齿轮的材料、传动比、齿宽系数一定时，轮齿的表面接触强度仅取决于小轮分度圆直径d1或中心距a。齿宽系数越大，中心距越小。H1=H2;H1H2以H1和H2中较小值代入公式计算。H=min(H1,H2),思考题：提高齿面接触强度的措施有哪些？,2.齿面接触强度设计公式,四齿根弯曲疲劳强度计算,法向力Fn分解为：,F=FncosF（弯曲分力）F=FnsinF（压缩分力）,忽略,弯曲应力,YF为齿形系数，与压力角、齿顶高系数、齿数有关，而与模数无关。见P135图-10。,直齿轮齿根弯曲强度校核公式,直齿轮齿根弯曲强度设计公式,说明：YF1YF2,弯曲应力F1F2（两轮分别校核）;材料不同,通常F1F2,计算时以YF/F的较大值代入公式计算;,直齿轮齿根弯曲强度校核公式,直齿轮齿根弯曲强度设计公式,9-斜齿圆柱齿轮传动强度计算,一、受力分析,作用力的大小,轴向力的判断方法（主动轮左右手法则）主动轮为右旋,用右手.四指弯曲方向表示主动轮的回转方向,拇指的指向即为作用在主动轮上轴向力的方向。若主动轮为左旋,用左手。从动齿轮的轴向力与主动齿轮的轴向力方向相反.,作用力的方向：,圆周力和径向力的方向判断同直齿轮,左右手法则不能用在从动轮上,Ft1,Fr1,Fr2,Ft2,Fa1,Fa2,配对齿轮旋向相反,二强度计算,与直齿轮相比，其特点：总合力作用于法平面内；重合度大；接触线是倾斜的、变化的；螺旋角对疲劳强度有利斜齿轮的弯曲强度计算按当量齿轮进行把斜齿圆柱齿轮的强度计算问题转化成直齿圆柱齿轮的强度计算问题,齿面接触强度,设计公式,校核公式,一对钢制标准齿轮,求出a选Z、=820求mn,取标准模数重新计算a（a取整）修正(精确到小数后34位)(d、da、df),齿根弯曲强度,设计公式,校核公式,一对钢制标准齿轮,齿形系数按当量齿数查图9-10确定,-圆锥齿轮传动,应用：传递交错轴之间的运动和动力，一般=90特点：轮齿分布在圆锥面上，圆柱圆锥大端参数标准化，GB12368-90小轮常悬臂安装，刚度低,假定：法向力Fn作用于齿宽中点法向力分解成三个分力：圆周力Ft:径向力Fr:轴向力Fa:,1小齿轮分度圆锥角dm1小锥齿轮齿宽中点分度圆直径,一、受力分析,t121m1r1ttgcos1a1ttgsin1,t1=t2r1=a2a1=r2,a由小端指向大端，r由啮合点指向各自的轮心,已知：齿轮1的转动方向，如图求：齿轮1、2的旋向，并画出齿轮2、3各力的方向,解：,Fr3,Ft2,Ft3,Fa3,Fa2,Fa1,Fr2,例题,二、直齿圆锥齿轮传动的强度计算,1.齿面接触疲劳强度计算,锥齿轮的强度等同于齿宽中点处的当量直齿圆柱齿轮将当量齿轮的有关参数代入直齿轮的接触强度公式,设计公式,校核公式,2.齿根弯曲疲劳强度计算,校核公式,设计公式,平均模数mm大端模数m圆整为标准模数,9-7蜗杆传动,一受力分析,受力分析类似斜齿传动蜗杆、蜗轮旋向相同蜗杆三个分力：Fr1,Ft1,Fa1蜗轮三个分力：Fr2,Ft2,Fa2,径向力的方向：指向各自圆心圆周力的方向：(利用转向判断)轴向力的方向：蜗杆左、右手法则,作用力的方向判断,蜗轮的转向：与Fa1反向,2.材料和结构,材料要求：减摩性好、耐磨、抗胶合、足够的强度蜗杆的材料高强度、刚度及光洁度碳钢合金钢蜗轮的材料减摩、抗胶合、抗点蚀,二蜗杆传动的材料和结构,1.失效形式胶合、点蚀、磨损(发生在蜗轮齿面),蜗杆结构,通常为整体式蜗杆轴,蜗轮结构,蜗轮可制成整体式或装配式,整体式,装配式,(一)失效形式及设计准则,2设计准则主要考虑蜗轮开式齿轮传动：齿面磨损、轮齿折断保证齿根疲劳强度闭式齿轮传动：齿面胶合、点蚀按齿面接触疲劳强度设计，齿根疲劳强度校核另外，还应作热平衡计算,1.失效形式失效：胶合、磨损、点蚀、齿根折断蜗轮轮齿开式齿轮传动：齿面磨损、轮齿折断闭式齿轮传动：齿面胶合、点蚀由于蜗轮材料强度低，失效通常发生在蜗轮轮齿上,三蜗杆传动的强度计算,(三)闭式蜗杆传动齿面接触疲劳强度设计,校核公式,设计公式,已知：一对锥齿轮与蜗轮蜗杆传动，Z1的转向如图示，求：（1）定出蜗杆和蜗轮的合理旋向及蜗轮的转向。（2）绘出主动锥齿轮和蜗轮的受力方向,Fa2,Fa3,Ft1,Z1,Fr1,Fa1,Z2,n4,Ft4,Fr4,Fa4,例题,齿轮传动链的设计,齿轮传动链的设计按下列步骤进行：1根据传动的要求和工作特点，正确选择传动形式；2决定传动级数，并分配各级传动比；3确定各级齿轮的齿数和模数；计算齿轮的主要几何尺寸；4对精密齿轮传动链，有时需进行误差分析和估算；5传动的结构设计；,一、齿轮传动型式的选择,传动类型的选择,直齿圆柱齿轮传动斜齿圆柱齿轮传动圆锥齿轮传动蜗轮蜗杆传动,二、传动比的分配,1.传动误差最小原则(“先小后大”的原则),可获得较高的传动精度,2.体积最小原则原则：各级传动比相等,3.转动惯量最小原则,两级齿轮传动,三级齿轮传动,三、齿数和模数的确定,1.齿数的确定:一般情况,Z1Zmin,Z2=iZ1高速传动、传动精度要求高Z125蜗杆传动：Z1=14,2.模数m的确定,四齿轮传动的空回及消除方法,产生空回的原因：侧隙存在。空回空回误差影响传动精度冲击、噪声侧隙