CH齿轮传动设计PPT课件

1、第第11章章 齿轮传动齿轮传动计划学时：6h 制作人：马兆允基本要求及重点、难点11.9 齿轮的失效形式11.10 齿轮的材料及选择原则11.4 齿轮传动精度及其选择11.11 直齿轮的受力分析11.12 标准斜齿圆柱齿轮传动11.13 标准直齿圆锥齿轮传动11.14 齿轮的结构设计 11.15 齿轮传动的润滑和效率 第1页/共53页基本要求:1）掌握齿轮传动的分类及应用。 2）掌握齿轮的失效形式。3）了解齿轮的材料及传动精度。4）掌握直齿圆柱齿轮的受力分析。5）了解齿轮传动的强度问题。6）了解齿轮结构及其传动的润滑。重点：1）齿轮传动的分类及应用。2）齿轮的失效形式。3）直齿圆柱齿轮的受力分

2、析。难点：1 1）齿轮的失效形式。2）直齿圆柱齿轮的受力分析。 作业:第2页/共53页 齿轮传动是机械传动中最主要的一类传动之一，它不仅用来传递运动，而且还要传递动力。 齿轮传动应满足：运转平稳、准确，无冲击、振动、噪音，这就需要设计合理的齿廓（满足齿廓啮合基本定律、正确传动条件、连续传动条件）和适选加工精度；同时，还必须具有足够的承载能力。 齿轮传动的主要特点有：效率高（一级可达99%99%）、结构紧凑、工作可靠、寿命长及传动比稳定的优点；尽管其制造及安装精度要求高、价格较贵，且不适于传动距离过大的场合，但丝毫不影响它的使用，因此它的型式很多，应用广泛。 第3页/共53页11.1 齿轮传动的

3、分类 1按工作条件分 闭式传动 齿轮密封在刚性的箱体内。它润滑条件最好，多用于重要场合的传动。 开式传动 传动没有防尘罩或机壳，齿轮完全暴露在外。这种传动不仅外界杂物极易侵入，而且润滑不良，工作条件不好，齿轮易磨损。只宜用于低速传动。 半开式传动 介于前两者之间，大多是齿轮侵入油池，上面装护罩。 第4页/共53页2按节圆上线速度的高低分 低速传动 3 m/ /s 的传动。 中速传动 3 m/ /s 15 m/ /s 的传动。 高速传动 15 m/ /s 的传动。 3按传递功率的大小分 轻载传动 P P 20 kW 的传动。 中载传动 20 kW P P 50 kW 的传动。 重载传动 P P

4、50 kW 的传动。 4按齿轮齿面硬度的软硬分 软齿面传动 HBSHBS 350 或HRCHRC 38 的传动。 硬齿面传动 HBSHBS 350 或HRCHRC 38 的传动。 第5页/共53页11.9 齿轮的失效形式及设计准则 齿轮传动的失效主要是轮齿的失效。 11.9.1 齿轮传动的失效形式 1过载折断 轮齿因短时意外的严重过载而引起的突然折断。这主要发生于脆性材料（如淬火钢或铸铁）。 第6页/共53页2疲劳折断 轮齿像一个悬臂梁，在载荷的多次重复作用下，弯曲应力超过弯曲疲劳极限时，齿根部分将产生疲劳裂纹，然后逐渐扩展，最终将引起轮齿折断。若轮齿单侧工作，其应力按脉动循环变化。若轮齿双侧

5、工作时，则弯曲应力按对称循环变化。 3提高齿轮抗折断能力的措施 用增大齿根过度圆角半径及消除加工刀痕的方法来减小齿根应力集中； 增大轴及支承的刚性，使轮齿接触线上受载较为均匀； 采用合理的热处理方法使齿芯材料具有足够的韧性； 采用喷丸、滚压等工艺措施对齿根表层进行强化处理。 第7页/共53页齿面失效 1齿面磨损 当啮合齿面间落入磨料性物质（如砂粒、铁屑等）时，轮齿工作表面被逐渐磨损，使齿轮失去原有的渐开线曲面形状，同时轮齿变薄而导致传动失效。 齿面磨损是开式齿轮传动的主要失效形式之一。 改用闭式传动是避免齿面磨损最有效的办法。 第8页/共53页2齿面点蚀 齿面材料在变接触应力（脉动循环）作用下

6、，由于疲劳而产生的剥蚀损伤现象称为齿面点蚀，又称疲劳磨损。 齿面上最初出现的点蚀仅为针尖大小的麻点，后逐渐扩散，甚至数点联成一片，最后形成了明显的齿面损伤。 第9页/共53页 当齿轮在靠近节线处啮合时，由于相对滑动速度低，形成油膜条件差，摩擦力较大，特别是直齿轮传动，通常这时只有一对齿啮合，轮齿受力也最大，因此，点蚀首先出现在靠近节线的齿根面上。 齿面抗点蚀能力主要与齿面硬度有关，齿面硬度越高，抗点蚀能力越强。 齿面点蚀是闭式软齿传动的主要失效形式，在开式齿轮传动中，由于齿面磨损较快，点蚀还来不及出现或扩展即被磨掉，所以看不到点蚀出现。 第10页/共53页3齿面胶合 在高速重载传动中，常因啮合

7、区温度升高而引起润滑失效，致使两齿面金属直接接触并发生粘着，当两齿面相对运动时，较软的齿面沿滑动方向被撕下而形成沟纹。在低速重载传动中，由于齿面间的润滑油膜不易形成也可能产生胶合破坏。 提高齿面硬度和减小粗糙度值能增强抗胶合能力。对于低速传动采用粘度较大的润滑油；对于高速传动采用含抗胶合添加剂的润滑油也很有效。 第11页/共53页4齿面塑性变形 在重载下，较软的齿面上可能沿摩擦力方向产生局部的塑性变形，使齿轮失去正确的齿廓。这种损坏常出现在过载严重和启动频繁的传动中。 提高齿面硬度、采用粘度较高的润滑油是减小齿面塑性变形的有效方法。 主动轮上的塑性变形 从动轮上的塑性变形 第12页/共53页1

8、1.9.2 齿轮传动的设计准则 1.闭式齿轮传动2.开式齿轮传动软齿面硬齿面齿面点蚀齿根折断齿面磨损第13页/共53页11.10 齿轮的材料及选择原则 设计齿轮传动时，应使齿面具有较高的抗磨损、抗点蚀、抗胶合、抗塑性变形及抗折断的能力。 基本要求：齿面要硬，齿芯要韧。 1对齿轮材料性能的基本要求2常用的齿轮材料 常用的齿轮材料是各种牌号的优质碳素钢、合金结构钢、铸铁和铸钢等。第14页/共53页第15页/共53页3齿轮材料的选择原则 闭式软齿面齿轮传动常用的材料有3535，4545，40Gr40Gr和35SiMn35SiMn经调质或正火处理。由于小齿轮轮齿工作次数较多，可使其齿面硬度比大齿轮的高

9、出2550 HBS。此类材料的特点是制造方便，多用于对强度、速度和精度要求不高的一般机械传动中。 闭式硬齿面齿轮传动常用的材料有20，20Gr，20GrMnTi表面渗碳淬火和45，40Gr表面淬火或整体淬火，一般齿面硬度为4565 HRC。此类材料的特点是制造较复杂，精度要求高，多用于高速、重载及精密机械中。 当齿轮尺寸较大（如直径大于400600 mm）而轮坯不易锻造时，可采用铸钢；开式低速传动可采用灰口铸铁；球墨铸铁有时可代替铸钢。 第16页/共53页 直齿圆柱齿轮传动的强度计算轮齿的受力分析及计算载荷1.轮齿上的作用力 为计算齿轮的强度，设计轴和轴承，必须对轮齿上的作用力进行分析。 第1

10、7页/共53页 一对标准直齿圆柱齿轮按标准中心距安装，其齿廓在节点C接触，当忽略啮合面间的摩擦力时，可将沿啮合线作用在齿面上的法向力F Fn n分解为两个相互垂直的分力：圆周力F Ft t与径向力F Fr r。 1 1）力的大小Ncostg2t1n2rt1r1t211t1FFFFFFdTF第18页/共53页 2 2）力的方向 圆周力F Ft t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F Fr r的方向分别指向各自的轮心。 第19页/共53页2 2计算载荷 名义载荷沿啮合线作用在齿面上的法向力F Fn n，理论上F Fn n应沿齿宽均匀分布。 计算载荷由于轴和轴承的变形、

11、传动装置的制造和安装误差等原因，载荷分布并不均匀，而出现载荷集中现象。轴和轴承的刚度越小、齿宽越宽，载荷集中越严重。齿轮制造误差及轮齿变形等原因，还会引起附加动载荷。精度越低、圆周速度越高，附加动载荷就越大。加之各种原动机和工作机的特性不同，也会使载荷实际大小发生变化。因此，计算齿轮强度时，通常用计算载荷F Fcaca=KF Fn n代替名义载荷，以考虑载荷集中和附加动载荷的影响。K为载荷系数. . 原 动 机工 作 机 的 载 荷 特 性均 匀中等冲击大的冲击电 动 机 1 1.21.2 1.61.6 1.8多缸内燃机1.2 1.61.6 1.81.9 2.1单缸内燃机1.6 1.81.8

12、2.02.2 2.4第20页/共53页11.11.2 直齿圆柱齿轮传动的强度计算1.1.轮齿弯曲强度计算 在一般齿轮传动中，其主要失效形式是齿面接触疲劳点蚀和轮齿弯曲疲劳折断。本章只介绍这两种强度计算。 力学模型将轮齿看成宽度为b b的悬臂梁。 假设条件： 对低精度（7，8，9级）的齿轮，认为法向力F Fn n全部作用在一个轮齿的齿顶。 第21页/共53页 齿根处的危险截面用3030切线法确定，即作与轮齿对称中心线成3030夹角并与齿轮圆角相切的斜线，而认为两切点连线是危险截面位置。 危险截面上的破坏应力等于危险点的弯曲应力，忽略压应力和剪应力。 第22页/共53页FFncoshKFM 齿根危

13、险截面的弯矩 危险截面的弯曲截面系数 62FsbW 危险截面的弯曲应力 cos)(cos)(coscoscosFFFtFFFtFFFn222F666msmhbmKFbshKFbshKFWM第23页/共53页齿形系数 cos)(cos)(FFFF26msmhY 因hF和SF均与模数成正比，故对标准齿轮，值仅取决于齿数的大小而与模数无关。第24页/共53页轮齿弯曲强度的验算公式 FFF 1211122zbmYKTmbdYKT齿宽系数 aba=弯曲强度的设计公式 321114)(FFzuYKTmaMPamm推荐值：轻型减速器可取；中型减速器可取；重型减速器可取；特殊情况下可取。 所设计出的模数应圆整

14、成标准值，对于传递动力的齿轮，其模数不宜小于1.5 mm。 第25页/共53页 由于齿数的增加会使重合度增加，使传动更平稳，因此在满足弯曲强度的条件下，可适当的选取较多的齿数。 许用弯曲应力 FlimFF=SlimF试验齿轮的齿根弯曲疲劳极限，按书中图查取。该图为齿轮在单侧工作时测得的，对于长期双侧工作的齿轮传动，齿根弯曲应力为对称循环变应力，应将图中数据乘以。 SF 轮齿弯曲疲劳安全系数 安全系数软齿面硬齿面重要传动、渗碳淬火齿轮或铸造齿轮 SF1.31.41.41.61.62.2 SH1.01.11.11.21.3第26页/共53页2. 直齿圆柱齿轮传动的齿面接触强度计算 齿面疲劳点蚀与齿

15、面接触应力的大小有关，而齿面最大接触应力可按两接触圆柱体近似的用弹性力学的赫兹公式。 22212121nH1+111=EEbF- 式中正号用于外啮合, ,负号用于内啮合；F Fn n为接触面上的法向压力；b b为初始接触线长度； 1和 2分别为两个零件初始接触线处的曲率半径； 1和 2分别为两零件材料的泊松比；E E1和E E2分别为两零件材料的弹性模量。 第27页/共53页综合曲率的变化规律第28页/共53页综合曲率半径对接触应力的影响第29页/共53页 实验表明，齿根部分靠近节线处最易发生点蚀，可取节点处的接触应力为计算依据。 标准齿轮传动节点处的齿廓曲率半径 sin2111dCNsin2

16、222dCN齿轮在节点处的综合曲率 sin21=sin)(2=11=11211221duudddd在节点处一般只有一对齿啮合，即载荷由一对齿承担 cos2=cos=11tndTFF第30页/共53页 一对钢制标准齿轮啮合，可查得： MPa1006. 2521 EE3 . 02120 引入载荷系数K K ) 1(335=H213H ubaKTu一对钢制标准齿轮传动的齿面接触强度的验算公式 齿面接触强度设计公式 31H2335) 1( uKTuaa第31页/共53页结论 当一对齿轮的材料、传动比及齿宽系数一定时，由齿面接触强度决定的承载能力仅与中心距或齿轮分度圆直径有关，而与模数没有直接关系。 注

17、意问题 1 1）对于一对相互啮合的齿轮，在接触线处的接触应力是相等的，即 2HH1因此强度条件取决于许用接触应力 ,MinH2H1H 2 2）若配对齿轮材料为钢对铸铁或铸铁对铸铁，则应将公式中的系数335335分别改为285285和250250。 第32页/共53页HlimHH=S 3 3）许用接触应力 4 4）齿轮传动设计时，应首先按主要失效形式进行强度计算，确定其主要尺寸，然后对其他失效形式进行必要的校核。闭式软齿面传动常因齿面点蚀而失效，故通常先按齿面接触强度设计公式确定传动尺寸，然后验算轮齿弯曲强度。闭式硬齿面齿轮传动抗点蚀能力较强，故可先按弯曲强度设计公式确定模数等尺寸，然后验算齿面

18、接触强度。开式齿轮传动的主要失效形式是磨损，一般不出现点蚀。鉴于目前对磨损尚无成熟的计算方法，故对开式齿轮传动通常只进行弯曲强度计算，考虑到磨损对齿厚的影响，应适当降低开式传动的许用弯曲应力（如将闭式传动的许用弯曲应力乘以），以使计算的模数值适当增大。 安全系数软齿面硬齿面重要传动、渗碳淬火齿轮或铸造齿轮 SF1.31.41.41.61.62.2 SH1.01.11.11.21.3第33页/共53页 标准斜齿圆柱齿轮传动 11.12.5 轮齿上的作用力 在忽略摩擦力时法向力可分解为圆周力、径向力和轴向力。 1 1力的大小 a2t1a1r2nt1r1t211t1tg costg 2 FFFFFF

19、FdTF轴向力径向力圆周力第34页/共53页力的方向 1 1）圆周力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； 2 2）径向力的方向对两轮都是指向各自的轮心； 3 3）轴向力的方向需根据螺旋线方向和轮齿工作面而定。当主动轮的螺旋线方向为右( (左) )旋时也可用右( (左) )手螺旋定则判断，即伸出右( (左) )手，四指代表主动轮的转动方向，则拇指的指向代表该轮的轴向力的方向，从动轮的轴向力方向与主动轮的轴向力方向相反，互为作用与反作用力。 第35页/共53页 斜齿圆柱齿轮的受力分析（受力方向） 圆周力：主动轮与转向相反；从动轮与转向相同。 径向力：指向圆心。 轴向力：可用左

20、、右手判断。第36页/共53页 受力分析（受力方向） 圆周力：主动轮与转向相反；从动轮与转向相同。 径向力：指向圆心。 轴向力：可用左、右手判断。nnFr1Fr1Fr2Fr2Ft2Ft2Ft1Ft1Fa1Fa1Fa2Fa1第37页/共53页 斜齿圆柱齿轮传动的受力分析( (螺旋角选择） n n第38页/共53页2 斜齿圆柱齿轮的强度计算 斜齿圆柱齿轮传动的强度计算利用其当量齿轮直接套用直齿圆柱齿轮的强度计算公式进行的。但是由于斜齿轮存在螺旋角，使得其重合度较大，接触线较长，当量齿轮的分度圆半径也较大，因此斜齿轮的弯曲应力和接触应力比直齿轮有所降低。 1 1一对钢制标准斜齿轮传动的弯曲强度条件

21、验算公式 cos6 . 16 . 1F12nF11nF1FzbmYKTdbmYKT设计公式 引入齿宽系数 aba=3F21a2F1n) 1(cos2 . 3zuYKTm第39页/共53页弯曲疲劳强度计算时应注意的问题 2 2斜齿轮的齿面接触强度 验算公式 ) 1(305HH213ubaKTu设计公式 引入齿宽系数 aba=3a21H305) 1( uKTua表第40页/共53页接触疲劳强度计算时应注意的问题 1 1）当配对齿轮材料改变时，上两式系数应加以修正。钢对铸铁应将305乘以(285/ /335)；铸铁对铸铁应将305305乘以(250/ /335) 。 2 2）求出中心距后，应圆整成0

22、，2，5，8结尾的整数值，然后按下式调整螺旋角 azzm2)+(arccos=21n 3 3）斜齿轮传动齿面的接触疲劳强度应同时取决于大、小齿轮，实用中斜齿轮传动的许用接触应力可取为 2) +(=2H1HH当 23. 12HH应取 23. 1=2HH较软齿面的许用接触应力。 2H第41页/共53页 标准直齿圆锥齿轮传动 11.13.4 轮齿上的作用力 两轴正交的直齿圆锥齿轮传动，当忽略摩擦力时，法向力可分解为三个分力： 1 1力的大小 r21t1a1a21t1r1t21m1t1sintg costg 2 FFFFFFFdTF轴向力径向力圆周力第42页/共53页力的方向 1 1）圆周力的方向在主

23、动轮上与运动方向相反，在从动轮上与运动方向相同； 2 2）径向力的方向对两轮都是垂直指向各自齿轮的轴线； 3 3）轴向力的方向对两齿轮均指向各自齿轮的大端； 4 4）小齿轮上的径向力和轴向力分别与大齿轮上的轴向力和径向力为作用与反作用力。 第43页/共53页2 直齿圆锥齿轮的强度计算 1 1直齿圆锥齿轮传动的弯曲强度条件 直齿圆锥齿轮传动的强度计算可依据其齿宽中点的当量齿轮，套用直齿圆柱齿轮的强度计算公式得到。 验算公式 2=2=F12mF1mm1F1FzbmYKTmbdYKT设计公式 引入齿宽系数 eRRb3F21R2RF1m 1+)5 . 01 (4zuYKTm-Rm5 . 01=e-mm

24、第44页/共53页2 2一对钢制直齿圆锥齿的齿面接触强度条件 验算公式 ) 1+(5 . 0335=H1323HeubKTubR -设计公式 引入齿宽系数 eRRb32H21)5 . 01 (3351+euKTuRRR1+2=+2=212221eeeuzRzzRm 若配对齿轮材料为钢对铸铁或铸铁对铸铁，则应将公式中的系数335分别改为285和250。 第45页/共53页 齿轮的结构设计 对于直径较小的钢制齿轮，当齿根圆直径与轴径接近时，可将齿轮和轴做成一体，称为齿轮轴。如果齿轮的直径比轴的直径大得多，则应把齿轮和轴分开制造。 齿轮轴 钢制圆柱齿轮 钢制圆锥齿轮 t2eme6 . 1em第46页/共53页实心结构齿轮mm 200ad腹板式或孔板式结构齿轮mm 500ad轮辐式结构齿轮mm 500ad第47页/共53页组合结构齿轮 对于尺寸很大的齿轮，为节约贵重钢材，常采用齿圈套装于轮芯上的组合结构。齿圈用较好的钢，轮芯用铸铁或铸刚，两者用过盈联接，在配合接缝上加装48紧定螺钉。 单件生产的大齿轮，可采用焊接结构第48页/共53页 齿轮传动的润滑和效率 11.15.1 润滑 开式