齿轮传动CPPT学习教案

1、会计学1齿轮传动齿轮传动C 深圳钟表展(2006.4) ：巨型机械表芯外径31.3cm，厚度6.35cm，“表把”直径7cm，全部零件按实际机芯放大10倍制作，重15kg，连续精确走时48h 第1页/共79页11.7 齿轮的结构设计齿轮的结构设计11.8 齿轮的润滑齿轮的润滑第2页/共79页第3页/共79页 介绍直齿圆柱、斜齿圆柱、直齿圆锥齿轮传动的设计。 按工作 条件 分 类按载荷 情况分 类 闭式传动硬齿面 HBS350开式传动齿轮传动的分类齿轮传动的分类:低速轻载: V13m/S ; Fn510kN中速中载: 3m/SV10m/S ;10kNFn50kN高速重载: V10m/S ; Fn

2、50kN软齿面 HBS350第4页/共79页疲劳折断过载折断全齿折断(齿根)(直齿)局部折断(斜齿受载不均)1.轮齿折轮齿折断断3.各种场合的主要失效形式2.齿面失效齿面点蚀齿面胶合齿面磨损齿面塑性变形(二二) 齿轮传动常用计算准则齿轮传动常用计算准则疲劳折断疲劳折断：轮齿受的弯曲应力是循环变化的，在齿根的过渡圆角处具有较大的应力集中。易发生轮齿疲劳折断疲劳折断。过载折断过载折断：齿轮受到过载或冲击时,引起轮齿的突然折断突然折断。闭式闭式硬齿面、硬齿面、脆性脆性材料齿轮传动的主要破坏形式第5页/共79页第6页/共79页发生部位：发生部位：一般出现在一般出现在节线附近靠近齿根表面处。节线附近靠近

3、齿根表面处。（载荷大；速度低难形成油膜)H反复裂纹扩展麻点状脱落2.齿面失效齿面失效闭式闭式软齿面软齿面齿轮传动的主要破坏形式。第7页/共79页第8页/共79页齿形破坏、轮齿变薄齿形破坏、轮齿变薄1）磨粒磨损磨粒磨损：由于金属微粒，灰石砂粒进入齿轮引起的磨损。2）跑合磨损跑合磨损：一般指新机器。开式齿轮传动开式齿轮传动易发生磨粒磨损。第9页/共79页当齿面所受的压力很大且润滑效果差，或压力很大而速度很高时，由于发热大，瞬时温度高，相啮合的齿面发生粘联现象，此时两齿面有相对滑动，粘接的地方被撕裂。 热胶合热胶合。润滑失效润滑失效表面粘连表面粘连沿运动方向撕裂沿运动方向撕裂 低速重载的齿轮，油膜遭

4、破坏也发生胶合现象。齿面温度无明显增高，冷胶合。冷胶合。高速重载、低速重载闭式高速重载、低速重载闭式传动的主要破坏形式。第10页/共79页齿面沿摩擦力方向塑性变形主凹、从凸主凹、从凸21低速重载低速重载软齿面软齿面闭式闭式传动传动的主要破坏形式。的主要破坏形式。从动齿从动齿节线节线起起脊脊主动齿主动齿节线节线出沟出沟第11页/共79页折断折断:疲劳折断过载折断全齿折断(齿根)(直齿)局部折断(斜齿受载不均)H反复裂纹扩展麻点状脱落靠近节线的齿根表面 齿面胶合齿面胶合:齿面磨粒磨损齿面磨粒磨损:润滑失效表面粘连沿运动方向撕裂磨粒磨损齿形破坏齿面塑性变形齿面塑性变形: 齿面沿摩擦力方向塑性变形 主

5、凹、从凸主凹、从凸齿面点蚀齿面点蚀:.齿面失效:提高轮齿的抗疲劳折断能力：提高轮齿的抗疲劳折断能力：提高齿面硬度、增大齿根圆角半径、降低表面粗糙度值、采用表面强化处理、选用韧性好的材料等提高齿面抗点蚀能力：提高齿面抗点蚀能力：齿面硬度越高，抗点蚀能力越强。此外，提高润滑油的粘度和采用适当的添加剂，对防止点蚀有明显的效果。第12页/共79页防止或减轻齿面磨粒磨损：防止或减轻齿面磨粒磨损：提高齿面硬度、降低表面粗糙度值、注意润滑油的清洁和定期更换，开式传动中注意环境清洁等。增强抗胶合能力：增强抗胶合能力：提高齿面硬度，减小粗糙度，采用有抗胶合添加剂的润滑油以及合适的材料配对等。 防止和减轻塑性变形

6、：防止和减轻塑性变形：提高轮齿硬度和润滑油黏度均有利于。 *闭式传动 *开式传动 *闭式高速重载传动软齿面硬齿面齿面点蚀轮齿折断齿面磨粒磨损齿面胶合*低速重载软齿面齿面塑性变形第13页/共79页折断折断:疲劳折断过载折断全齿折断(齿根)(直齿)局部折断(斜齿受载不均)H反复裂纹扩展麻点状脱落靠近节线的齿根表面 齿面胶合齿面胶合:齿面磨粒磨损齿面磨粒磨损:润滑失效表面粘连沿运动方向撕裂磨粒磨损齿形破坏齿面塑性变形齿面塑性变形: 齿面沿摩擦力方向塑性变形 主凹、从凸主凹、从凸齿面点蚀齿面点蚀:.齿面失效: *闭式传动 *开式传动 *闭式高速重载传动软齿面硬齿面齿面点蚀轮齿折断齿面磨粒磨损齿面胶合*

7、低速重载软齿面齿面塑性变形第14页/共79页(二二) 齿轮传动常用计算准则齿轮传动常用计算准则: 防齿面点蚀防齿面点蚀防轮齿折断防轮齿折断齿面接触接触疲劳强度计算求中心距求中心距a齿根弯曲弯曲疲劳强度计算求模数求模数常用的计算方法计算方法: 硬硬齿面(折断):按齿面强度设计(先求先求a) 按弯曲弯曲强度校核校核按弯曲强度设计(先求先求m )按齿面齿面强度校核校核按弯曲强度设计(求求m ) 考虑磨损磨损将F (0.70.8) (许用弯曲应力许用弯曲应力)软软齿面(点蚀): 开式开式传动: (磨损)闭式闭式传动按主要失效形式进行强度计算，确定主要尺寸，再对其他失效形式进行必要校核。按主要失效形式进

8、行强度计算，确定主要尺寸，再对其他失效形式进行必要校核。第15页/共79页 1.齿面要硬齿面要硬, 齿芯要韧齿芯要韧 2.易于加工及热处理易于加工及热处理对齿轮对齿轮材料的基本要求：材料的基本要求：一一. 常用的常用的齿轮材料齿轮材料二二. 齿轮齿轮材料的选择材料的选择三三. 齿轮齿轮精度精度第16页/共79页 用于开式、低速传动的齿轮强度差,易成型 1. 灰口铸铁 HT200、HT300 2. 球墨铸铁 QT500-7 用于小功率、速度高低噪音含碳量为0.10.6常用 性能最好(可通过热处理提高机械性能)1.锻钢钢材经锻造, 性能提高最常用 45、35SiMn、42SiMn、40Cr、35C

9、rMo 2.铸钢齿轮较大(d400600mm)时采用 ZG310-570、ZG340-640 铸铁铸铁非金属材料非金属材料常用齿轮材料及其机械性能：表11-1第17页/共79页二二. 齿轮齿轮材料的选择材料的选择第18页/共79页第19页/共79页第20页/共79页第21页/共79页相对运动 储存润滑剂 组: 传递运动的准确性组: 传递运动的平稳性组: 载荷分布的均匀性GB12级, 常用69级齿轮精度等齿轮精度等级级标准齿轮标准齿轮:理论上 (分度圆)齿厚=齿槽 实际上齿厚齿槽齿轮副侧隙齿厚减薄选择选择:表11-2 齿轮传动的质量和承载能力齿轮传动的质量和承载能力 1-2级是待发展的精度等级，

10、35级为高精度等级，68级为中等精度等级，912级为低精度等级。 三三. 齿轮齿轮精度精度制造时 齿形误差 齿距误差 齿向误差 安装时(两轴线不平行)齿轮副侧隙齿轮副侧隙第22页/共79页(二二)斜齿圆柱齿轮斜齿圆柱齿轮传动作用力分析(三三)直齿圆锥齿轮直齿圆锥齿轮传动作用力分析 (四)计算载荷计算载荷 设一对标准齿轮正确安装，齿廓在C点接触，略去f不计轮齿间的总压力为n , 沿啮合线指向齿面(一一)直齿圆柱齿轮直齿圆柱齿轮传动作用力分析2121rrttFFFF圆周力圆周力t ：径向力径向力r ：Fn第23页/共79页 Ft2T1/1 FrFt tan Fn Ft / cosFrFnFtmmN

11、nPT61055. 9P功率功率kW，n转速转速r/min1:小齿轮转矩小齿轮转矩mm,1:小齿轮分度圆直径小齿轮分度圆直径mm, :压力角压力角1. n 的分解的分解：圆周力圆周力t ：径向力径向力r ：Fn沿分度圆切线方向指向齿面沿半径方向指向齿面第24页/共79页与1 反向 与2 同向t2 (从):由啮合点指向轮心 (外)Ft2Fr2Fr1Ft1Fr1Fr2Ft2示意图示意图Ft12121rrttFFFFC12Ft2Ft1Fr2Fr1Vt1 (主):tr第25页/共79页 cos2cos21111dTFFtgFFdTFtntrt圆周力径向力法向力大小大小同同向向与与反反向向，与与节节从从

12、从从节节主主主主vFvFtt圆周力:径向力:法向力:方向方向指指向向本本轮轮轮轮心心指指向向本本轮轮齿齿面面212121 nnrrttFFFFFF 关系关系(一一)直齿圆柱齿轮直齿圆柱齿轮传动作用力分析第26页/共79页第27页/共79页右右 左 左1. n 的分解的分解：端面轴面Fn法面1XYZ过C建立OXYZ坐标切面FrXYZFtFan 圆周力t ：沿分度圆 切线方向指向齿面 轴向力轴向力a ：与轴线与轴线 平行并指向齿面平行并指向齿面径向力r ：沿半径方 向指向齿面第28页/共79页FnrFtFrFan1F切面：F = Ft/cos Fa= Ft tan法面：Fr= F tan n 圆周

13、力: t21d1径向力: rt tan ncos 轴向力: at tan(11-2) 第29页/共79页Ft1Fr1Ft1Fr1Fr2Ft2Fr2左左右右Fa1Fa1Fa2Fa2Ft2 主动轮主动轮用左右手定则用左右手定则 (左旋左手、右旋右手、左旋左手、右旋右手、 四指转向、拇指轴向四指转向、拇指轴向) 示意图示意图主主从从轴向力轴向力a ：与轴线平行并指向齿面与轴线平行并指向齿面212121aarrttFFFFFFtt1（主）（主）: 与与1 反向反向 t2（从）：与（从）：与2 同向同向 r 由啮合点指向轮心由啮合点指向轮心 a 第30页/共79页212121aarrttFFFFFF第3

14、1页/共79页圆周力径向力轴向力法向力大大小小圆周力:径向力:轴向力:方方向向11t2dTF costan2costan1n1nrdTFFt11tatan2tandTFF coscos2coscosn11ntndTFF同同向向与与反反向向，与与节节从从从从节节主主主主vFvFtt指指向向本本轮轮轮轮心心主主动动轮轮左左右右手手定定则则判判定定(二二)斜齿圆柱齿轮斜齿圆柱齿轮传动作用力分析传动作用力分析第32页/共79页 * 配对齿轮旋向相反 Ft1Ft2Fr1Fr2Fa1Fa2Ft3Fr3Fa3Ft4Fr4Fa4同轴齿轮 旋向相同 (非同级齿轮)第33页/共79页(三三)直齿圆锥齿轮直齿圆锥齿

15、轮传动作用力分析传动作用力分析1.n 的分解的分解：与斜齿轮类似与斜齿轮类似第34页/共79页2. 作用力的大小作用力的大小 :分度圆锥角分度圆锥角当1+ 2=90sin 1= cos2sin2 = cos 1法面：法面：F=Ft tan 轴面：轴面：Fr=F cos Fa=F sin Ft21m1rttan cos attan sin FnFtFaFr(11-3)第35页/共79页Fr2Z1Z2a 由小端指向大端由小端指向大端Ft1Ft2Fa1Fa2Fr1示意图示意图21ttFF21raFF21arFFt t1（主）（主）:与与1 反向反向 t2（从）（从）:与与2 同向同向r 由啮合点指向

16、轮心由啮合点指向轮心第36页/共79页圆周力:径向力:轴向力：方方向向同同向向与与反反向向，与与节节从从从从节节主主主主vFvFtt指指向向本本轮轮轮轮心心指指向向大大端端圆周力径向力轴向力法向力大大小小11t2mdTF costanrtFF ntncos FFsintanatFF 关系关系212121 raarttFFFFFF (三三)直齿圆锥齿轮直齿圆锥齿轮传动作用力分析传动作用力分析第37页/共79页计算载荷: Fc = KFn (实际载荷不均匀,附加动载荷) Fn名义载荷，K载荷系数查表11-3 p.190载荷状态工作机举例原动机的工作特性及其示例均匀平稳轻微冲击中等冲击严重冲击电动机

17、、汽轮机、液压马达多缸内燃机单缸内燃机平稳轻微冲击均匀加料的运输机和喂料机、发电机、透平鼓风机和压缩机、机床辅助传动等11.21.21.61.61.8中等冲击不均匀加料的运输机和喂料机、重型卷扬机、球磨机、多缸往复式压缩机等1.21.61.61.81.82.0较大冲击冲床、剪床、钻机、轧机、挖掘机、重型给水泵、破碎机、单缸往复式压缩机1.61.81.92.12.22.4注：1、斜齿、圆周速度低、精度高、齿宽系数小时取小值；直齿、圆周速度高、精度低、齿宽系数大时取大值；齿轮在两轴承间对称布置取小值，非对称布置或悬臂布置时取大值 2、对于增速传动，根据经验建议取表中值的1.1倍。第38页/共79页

18、第39页/共79页第40页/共79页按主要失效形式决按主要失效形式决定定按齿面接触疲劳强度设计按齿根弯曲疲劳强度校核按齿根弯曲疲劳强度设计按齿面接触疲劳强度校核 按齿根弯曲疲劳强度设计考虑磨损将 F (0.70.8)开式传动: (磨损):式 硬齿面(折断): 软齿面(点蚀):闭第41页/共79页 接触强度(H)表面强度(p, p, H)点、线接触，接触。特点： F12 bF1,1,与 成正比接触小,且分布不均中心1.5接触面小，大在反复作用下 疲劳裂纹扩展点蚀振动、噪音。(受载弹性变形)小矩形、小椭圆。(一)齿面接触疲劳强度计算齿面接触疲劳强度计算 -综合曲率半径综合曲率半径第42页/共79页

19、 泊松比E1,E2 弹性系数222121211111EEbFnHFn-轮齿上的法向力 b-齿宽21111-外接触；一一-内接触 -综合曲率半径综合曲率半径第43页/共79页1. 强度条件强度条件 1.以赫兹公式为基础一对圆柱 体(线接触)接触面上的接触应 力HH 2.以节点作为计算点 以齿 廓节点处的作为圆柱体 的半径1212121sin2111zzdduduu12212/sin112111udddadPN第44页/共79页HHbuauKT231) 1(335当配对齿轮非钢制当配对齿轮非钢制.192 倒5式中式中: H轮齿齿面接触应力接触应力 MPa; 泊松比E1,E2 弹性系数 ; T1小轮

20、传递的转矩 Nmm ; 中心距中心距 mm ; K载荷系数(表11-3) ; u齿数比(uz大大z小小) ; i=z从/z主 ; b(大)齿轮的宽度mm , b=b2 , b1= b2+(510) 。a当 一对钢制齿轮钢制齿轮E1= E2=2.06 105 MPa 1 20.3 , 20第45页/共79页312335) 1(uKTuaaH H轮齿的许用接触应力MPa 当配对齿轮非钢制非钢制.192 倒5HHHSlim Hlim查图11-11 p.193SH查表(11-4) p.192mm 当 20,一对钢制齿轮钢制齿轮E=2.06105MPaHlim(MPa)图11-11(b)a(按齿面强度确

21、定主参数中心距 )aba-齿宽系数齿宽系数, p192: 4.(3)第46页/共79页a中心距中心距 (d1)成对计算取较小H代入计算当一对齿轮的材料、传动比、齿宽系数一时，轮齿的表面接触强度仅取决于 H1 H2 ; H1 H2F312335) 1(uKTuaaHHHbuauKT231) 1(335第47页/共79页舍去 1. 载荷作用在齿顶, 仅由一对轮齿承担(79级)2. 30切线法确定危险截面WMF/一一.公式的建立：公式的建立：2.求求W:F2FnF1FnFnFFFFsincos21F(弯曲)(压)FnlKFMcos s62bsW 1.求求M: l302cos6bslKFFnFcos/

22、tnFF coscos62msmlbmKFFtFn第48页/共79页coscos62msmlbmKFFtFcoscos62msmlFYF:齿形系数齿形系数与齿形与齿形(尺尺寸比例寸比例)有关有关, 与与m无关无关 (l和和s均与模数成正比均与模数成正比 ) zYF F 令：令：图图11-13 YFz(zV)斜:zV=z/cos3锥:zV=z/cos= YF第49页/共79页FFFFmbzYKTmbdYKT21111223211) 1(4FaFzuYKTm YF一齿形系数 查图11-13 ; z1一小轮齿数 F一许用弯曲应力MPa MPamm1.校核公式校核公式:2.设计公式设计公式:FFFS/

23、lima齿宽系数； u齿数比Flim弯曲疲劳极限 ( =0) (图11-14 p.195) 当 = -1 数据0.7 p.194倒7 SF安全系数 表11-4, p.192第50页/共79页F1 F2 ; F1 F2 轮齿的弯曲强度主要取决于取决于，必取标准值 查表(5-1 ) p.72。 传递动力齿轮模数m1.5mm分别计算 ;11FF22FF分别校核0 (脉动循环应力)1(对称循环应力)FFFmbdYKT1123211) 1(4FaFuzYKTm校核时:设计时:11FFY取 与 中较大者计算22FFY第51页/共79页z1宜取多宜取多 (2040) 保证平稳z1不宜过多不宜过多(1720)

24、平稳,弯曲强度z1宜取少宜取少 保证轮齿弯曲强度 z1 17(1720)(标准齿轮)重合度大，平稳性好m小，轮齿弯曲强度差z1多闭式软闭式软齿面闭式硬闭式硬齿面开式开式 第52页/共79页MPaSHHH6451 . 17101lim1MPaSHHH5181 . 15702lim2第53页/共79页MPaSFFF1883 . 12451lim1MPaSFFF1503 . 11952lim2312335)1(uKTuaaHH = H2 =518MPa, 齿宽系数a= 0.3, p.192, u=i=3,mmNnPT6963596071055. 91055. 96161初求中心距初求中心距 a=14

25、9.1mm 。取齿数z1=30, z2=iz1=90。P.195求模数mmzzam49. 290301 .1492221取标准模数取标准模数m=2.5mm确定实际中心距：确定实际中心距： mmzzma150)9030(25 . 2)(221齿宽：b=a=0.3a=45mm = b2 , b1=b2+5=50mm取载荷系数K=1.6(表11-3)p.190第54页/共79页(3) 验算轮齿弯曲疲劳强度验算轮齿弯曲疲劳强度查齿形系数(图11-13,p.194)得：YF1=2.60，YF2=2.22。验算轮齿弯曲强度安全MPaMPazbmYKTFFF1887 .682112111MPaMPaYYFF

26、FFF1506 .5821212(4) 齿轮的圆周速度齿轮的圆周速度smndv/77. 310006011对照表11-2，p.187选用8级精度是合适的。（按（按b=b2=45mm计算）计算）第55页/共79页斜齿轮强度:斜齿轮传动的特点:1.重合度大承载力大斜齿轮 左旋螺旋角 参 轮齿 右旋 (分度圆柱) 数端面t, t法面n, n标准标准3.当量齿轮 分度圆直径大 zv较多斜齿轮 接触强度 弯曲强度直齿轮直齿轮与法面当量直齿圆柱齿轮的相当 2.轮齿接触线倾斜逐渐进入及退出啮合平稳zv=z/cos3第56页/共79页231) 1(305buauKTH312305) 1(uKTuaaH注意注意

27、:MPa mm cos2)(21zzman校核校核设计设计231) 1(335buauKTH312335) 1(uKTuaaH一对钢制标准齿轮1.当配对齿轮非钢制p.197第142.求 选z、=820 求mn , 取标准取标准重算 , 取整取整修正修正 (精确到小数后34位) (d、da、df)aaa第57页/共79页FFFFmbzYKTmbdYKT2111122FnFnFFmbzYKTmbdYKT21111cos6 . 16 . 132121) 1(cos2 . 3FaFnuzYKTmMPa mm 注意注意: 1.YF用zV查例11-2 p.197 自学校核：校核：设计设计3211) 1(4

28、FaFuzYKTm2.设计先选z1、=820求mn , 取标准求 取整修正 (精确到小数后34位) (d、da、df)aa第58页/共79页第59页/共79页 其轮齿在分度圆锥上与轴线相交(分度圆锥角)沿齿宽d,m,齿廓大小均不同大端齿廓大承载力大,小端反之载荷沿齿宽分布不均假设Fn集中作用于齿宽中点处,即dm处。(m , d 大端)以齿宽中点处的当量直齿圆柱齿轮作为强度计算依据zV=z/cos第60页/共79页校核公式:设计公式: mmHHubKTubR132) 1(5 . 0335齿宽系数 R = b/R3122)5 . 01 (3351uKTuRRHR122212221uzmzzmRR外

29、锥距mm;b齿寛mmu齿数比求求R 选齿数选齿数z1、z2求求m第61页/共79页mm平均模数mmYF齿形系数 (按zV查 图图11-13 p.194)m1小齿轮齿寛中点的分度圆直径mm(二)齿根弯曲强度公式:校核公式:(11-20)设计公式:(11-21)MPazbmYKTmbdYKTFmFmmFF1211122mmzuYKTmFRRFm321211)5 . 01 (4Rmmm5 . 01 ; m大端模数mm第62页/共79页1.zVmin=17 , zmin=zVmincos=17cos17, 取Z=1630 ;R=0.250.32.锥齿轮接触强度,弯曲强度直齿轮直齿轮3.锥齿轮加工困难,

30、(尤其是m较大)改变轴的方向才采用尽量置于高速轴,使m。4.锥齿轮精度低,振动噪音大用于V较低处第63页/共79页1、通过强度计算确定出了齿轮的齿数z、模数m、齿宽b、螺旋角、分度圆直径d 等主要尺寸。3 3、在综合考虑齿轮几何尺寸，毛坯，材料，加工方法，使用要求及经济性、在综合考虑齿轮几何尺寸，毛坯，材料，加工方法，使用要求及经济性等各方面因素的基础上，按齿轮的直径大小，选定合适的结构形式，再根据等各方面因素的基础上，按齿轮的直径大小，选定合适的结构形式，再根据推荐的经验数据进行结构尺寸计算。推荐的经验数据进行结构尺寸计算。 4 4、常见的齿轮结构形式、常见的齿轮结构形式2 2、齿轮的结构设计主要是确定轮缘，轮辐，轮毂等结构形式及尺寸大小。、齿轮的结构设计主要是确定轮缘，轮辐，轮毂等结构形式及尺寸大小。 实心式齿轮齿轮轴小尺寸齿轮小尺寸齿轮腹板式结构中型尺寸齿轮中型尺寸齿轮轮辐式结构大尺寸齿轮大尺寸齿轮11.7 齿轮的结构设计齿轮的结构设计第64页/共79页由直径确定由直径确定齿轮轴 (22