机械要素设计发表PPT教案

1、会计学1机械要素设计发表机械要素设计发表内啮合齿轮传动内啮合齿轮传动圆锥齿轮传动圆锥齿轮传动人字齿轮传动人字齿轮传动斜齿轮传动斜齿轮传动第1页/共155页按齿向分：直齿轮传动斜齿轮传动人字齿轮传动按工作条件分：闭式传动开式传动软齿面齿轮（齿面硬度350HBS）硬齿面齿轮（齿面硬度350HBS）按齿面硬度分：按齿廓分：渐开线齿轮摆线齿轮圆弧齿轮3. 基本要求：1）传动平稳：即要求瞬时传动比i恒定。2）足够的承载能力：即要求在预期的使用期限内不失效。第2页/共155页第3页/共155页第4页/共155页第5页/共155页第6页/共155页第7页/共155页第8页/共155页第9页/共155页第10

2、页/共155页12ZZu aaddxxaaddxxxxxx0, 0000212121，角度变位：，高度变位（等变位）：变位负变位：正变位：变位正变位刀具移远负变位刀具移近齿 根 变 厚齿 根 变 薄第11页/共155页2.精度等级的选择：1) 规定了112个等级；2) 每个精度等级公差分成三个组。3) 据传动的用途、使用条件、传动功率、圆周速度等进行选择；齿轮精度分为：第一公差组：控制运动的准确性。第二公差组：控制传动的平稳性。第三公差组：控制载荷分布的均匀性。第12页/共155页典型机械零件设计思路：分析失效现象失效机理（原因、后果、措施）建立简化力学模型 强度计算主要参数尺寸结构设计。设计

3、准则第13页/共155页齿轮的失效发生在轮齿，其它部分很少失效。失效形式轮齿折断齿面损伤齿面接触疲劳磨损（齿面点蚀）齿面胶合齿面磨粒磨损齿面塑性流动一、轮齿折断常发生于闭式硬齿面或开式传动中。现象：局部折断整体折断第14页/共155页 过载折断后果：传动失效原因： 疲劳折断 轮齿受多次重复弯曲应力作用，齿根受拉一侧产生疲劳裂纹。齿根弯曲应力最大FF 齿根应力集中(形状突变、刀痕等)，加速裂纹扩展折断t齿双侧受载(1主动)t齿单侧受载123 受冲击载荷或短时过载作用，突然折断，尤其见于脆性材料（淬火钢、铸钢）齿轮。位置：均始于齿根受拉应力一侧。第15页/共155页直齿轮齿宽b较小时，载荷易均布

4、整体折断齿宽b较大时，易偏载斜齿轮：接触线倾斜载荷集中在齿一端改善措施：1）d一定时，z，m；2）正变位；局部折断齿根厚度抗弯强度应力集中改善载荷分布6）轮齿精度；7）支承刚度。4）齿根过渡圆角半径；3）提高齿面硬度(HB)F ；5）表面粗糙度，加工损伤；第16页/共155页轮齿折断轮齿折断第17页/共155页二、齿面接触疲劳磨损（齿面点蚀）常出现在润滑良好的闭式软齿面传动中。原因：HH脉动循环应力1）齿面受多次交变应力作用，产生接触疲劳裂纹；4）润滑油进入裂缝，形成封闭高压油腔，楔挤作用使裂纹扩展。 （油粘度越小，裂纹扩展越快）2）节线处常为单齿啮合，接触应力大；3）节线处为纯滚动，靠近节线

5、附近滑动速度小，油膜不易形成， 摩擦力大，易产生裂纹。现象：节线靠近齿根部位出现麻点状小坑。第18页/共155页点蚀实例第19页/共155页后果：齿廓表面破坏，振动，噪音，传动不平稳 接触面，承载能力传动失效软齿面齿轮：收敛性点蚀，相当于跑合； 跑合后，若H仍大于H，则成为扩展性点蚀。硬齿面齿轮：点蚀一旦形成就扩展，直至齿面完全破坏。 扩展性点蚀开式传动：无点蚀（v磨损v点蚀）改善措施：1）HBH 3）表面粗糙度，加工精度4）润滑油粘度2）（综合曲率半径）(d1、x)接触强度第20页/共155页三、齿面胶合严重的粘着磨损原因：高速重载v,t ,油,油膜破坏,表面金属直接接触， 融焊相对运动撕裂

6、、沟痕。低速重载P、v ，不易形成油膜冷胶合。后果：引起强烈的磨损和发热，传动不平稳，导致齿轮报废。改善措施：1）采用抗胶合性能好的齿轮材料对。2）采用极压润滑油。3）表面粗糙度，HB。4）材料相同时， (HB)小=(HB)大+(2550) 。5）m齿面h齿面vs（必须满足F）。6）角度变位齿轮，啮合开始和终了时的vs。7）修缘齿，修去一部分齿顶，使vs大的齿顶不起作用。现象：齿面沿滑动方向粘焊、撕脱，形成沟痕。第21页/共155页第22页/共155页常发生于开式齿轮传动。原因：相对滑动+硬颗粒(灰尘、金属屑末等) 润滑不良+表面粗糙。后果：正确齿形被破坏、传动不平稳, 齿厚减薄、抗弯能力折断

7、改善措施：闭式：1）HB,选用耐磨材料;2）表面粗糙度;3）滑动系数;4）润滑油的清洁;开式：5）加防尘罩。现象：金属表面材料不断减小四、齿面磨粒磨损第23页/共155页第24页/共155页五、齿面塑性流动齿面较软时，重载下，Ff材料塑性流动（流动方向沿Ff）该失效主要出现在低速重载、频繁启动和过载场合。主动轮1：齿面相对滑动速度方向vs指向节线，所以Ff背离节线，塑变后在齿面节线处产生凹槽。第25页/共155页从动轮2：vs背离节线，Ff指向节线，塑 变后在齿面节线处形成凸脊。改善措施：1）齿面硬度 2）采用的润滑油第26页/共155页齿面塑性流动齿面塑性流动第27页/共155页第28页/共

8、155页对一般工况下的普通齿轮传动，其设计准则为：为防止轮齿的疲劳折断，需计算齿根弯曲疲劳强度。为防止齿面点蚀，需计算齿面接触疲劳强度。注：对高速重载传动，还应按齿面抗胶合能力进行计算。六、设计准则1）闭式传动硬齿面：按齿根弯曲疲劳强度进行设计计算（确定齿轮的参数和尺寸），然后校核齿面接触疲劳强度软齿面：按齿面接触疲劳强度进行设计计算（确定齿轮的参数和尺寸），然后校核齿根弯曲疲劳强度。2）开式传动：只计算齿根弯曲疲劳强度，适当加大模数（预留磨损量）。第29页/共155页第30页/共155页3) 齿轮的精度等级一般为78级；4) 用于强度、精度和速度要求不高的一般机械。(2) HB350的硬齿面

9、齿轮：1) 常用20、20Cr、20CrMnTi表面渗碳淬火，HRc5565（用于较大冲击，需磨齿）；或用45、40Cr表面淬火HRc4565（用于中等冲击，可需磨齿）；2) 两齿轮的硬度可相同火小齿轮略高，精度可达45级；3) 用于高速、重载及精密机械中。3. 铸钢：1) 当齿轮直径大于400500mm时采用；2) 常用ZG350、ZG450正火及回火处理。 第31页/共155页4. 铸铁：1) 常用HT150、HT200、QT500等；2) 用于开式、低速、轻载、无冲击场合。5. 非金属材料：1) 根据用途选用；2) 如胶木、尼龙等。 第32页/共155页第33页/共155页112dTFt

10、圆周力：costantntrFFFF法向力：径向力：212121nnrrttFFFFFF，第34页/共155页5)方向：a.Ft：在主动轮上与旋转方向相反；在从动轮上则相同；b.Fr：由作用点各自指向自己的轮心。c.由于rb1不变，当T1不变，则Fn1也不变，故不管Fn1 作用点在那里，Fn1大小都不变，这就是齿轮传动平稳的原因。111TrFbn二. 斜齿圆柱齿轮的受力分析：1)忽略摩擦不计，轮齿间的作用力Fn是沿法面作用的；2)Fn作用于齿宽中点；3)Fn分解为三个相互垂直的力：第35页/共155页Ft2Ft1Fr2Fr1Ft2Ft1n1n2n1n2练习：Fr1Fr2第36页/共155页第3

11、7页/共155页第38页/共155页coscoscostancostantantancos211ntnnntantnnttrtntFFFFFFFFFFFdTF轴向力：径向力：，圆周力：4) 力的关系；5) 力的方向：a. Ft：在主动轮上与旋转方向相反；在从动轮上则相同；b. Fr：由作用点各自指向自己的轮心。 ），（注意，21212121aattrrFFFFFF第39页/共155页c.轴向力Fa的判断：I.从齿的工作面沿轴线指向齿体；II.主动轮左右手螺旋法则：a)首先判断主动轮的旋向；b)主动轮为左旋就用左手，反之用右手；c)四个手指弯向主动轮旋转方向；d)则大拇指指向即为主动轮上Fa1方

12、向。III.螺旋角的选取：a)由于轴向力Fa与tan成正比。b)为不使轴承受过大的轴向力，斜齿轮=820，人字齿=1540。第40页/共155页举例：右旋左旋n1n2n1n2右旋右旋左旋左旋Ft2Ft1Fr1Fr2Fr2Fr1Ft2Ft1Fa1Fa2Fa1Fa2一对斜齿轮： 1=-2旋向相反旋向？第41页/共155页三. 计算载荷：1)名义圆周力：据名义转矩求得的圆周力；2) 计算载荷（实际圆周力）Ftc：考虑各种因素的影响所得，一般比名义圆周力大FHFHFFVAHHVAVAttcKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKFF，齿向载荷分配系数：齿间载荷分配系数：计算弯曲强度：计算接触强度：

13、第42页/共155页1. 使用系数KA：考虑啮合的外部因素引起的动载荷而引入的系数；2. 动载系数KV：1) 考虑啮合的内部因素（啮合误差、运转速度）引起的附加动载荷而引入的系数；2) 因必须pb1=pb2才能正确啮合，瞬时传动比才恒定。3) 由于制造误差、弹性变形等原因，两个齿轮的基圆齿距不完全相等，造成2不定，产生附加动载荷；4) 圆周速度增加，齿轮质量增加，动载荷增加；齿轮精度增加，动载荷降低，故应限制Vmax；第43页/共155页3) 基节误差的影响：A. 当pb2pb1： B. 当pb21，因此工作时是单对和双对齿啮合交替进行；2) 由于制造误差和轮齿变形等原因，载荷在各啮合齿对间的

14、分配不均匀；3) 该系数就是考虑同时啮合的各对轮齿间载荷分配不均的系数，它取决于轮齿啮合刚度、基圆齿距误差、修缘量、跑合量等因素；4) 对于标准和未经修缘的齿轮传动： 4. 齿向载荷分配系数K： cos112 . 388. 121zz第46页/共155页1) 由于轴的变形、轴承位移以及制造、安装误差，将导致齿轮副相互倾斜及轮齿扭曲；2) 该系数考虑使轮齿沿接触线载荷分布不均匀现象的影响；A. 齿轮在轴间不对称布置：B. 在扭矩的作用下，轮齿的变形：C. 改善齿向载荷分布不均的措施：a. 将一个齿轮的轮齿做成鼓形齿；b. 提高轴、轴承和机座的刚度；选取合理的齿轮布置、合理的齿宽；c. 提高制造、

15、安装精度。第47页/共155页第48页/共155页靠近转矩输入端，轮齿所受载荷较大。差好综合考虑a、b两因素。例： 图示减速器哪端输入更好？1234第49页/共155页11/1222121HHEEbF第50页/共155页第51页/共155页第52页/共155页小齿轮轮齿受力小齿轮轮齿受力第53页/共155页2) 一对齿轮啮合时，可将齿廓啮合点曲率半径1和2视为接触圆柱体的半径；3) 在节点C处，一般只有一对齿啮合，点蚀往往先在节线附近的齿根表面出现；4) 接触疲劳强度计算常以节点为计算点； uutgdddduudCNdCNduzzdduub1cos21coscoscos1sin21sin2si

16、n2)11111112221111212121211221，（第54页/共155页1211cos2cosdbzbLdTFFdtn，（计算式）（校核式）32112111212HHEdHHEHZZZuuKTduubdKTZZZ12tancos21112112222121HHuubdKTZEE第55页/共155页5) 注意：a. 以上对标准齿轮和变位齿轮均适用；b. H选两齿轮中小的代入； （因材料、热处理不同H1 H2 ）c. 一对啮合的齿轮，H相同而H不同；即H1= H2。d. 齿轮传动的H主要取决于齿轮的直径d（或中心距a）e. d1 （a ） ，b ， H ，疲劳强度变好。f. 采用正变位、

17、斜齿轮可提高齿轮的强度。6) 接触疲劳强度取决于齿轮的直径，模数的大小由弯曲强度确定。 第56页/共155页2. 参数选择：(1)综合曲率半径：(2)接触线总长L和重合度系数Z：1) L影响单位齿宽上的载荷，L ，单位齿宽上载荷 ;2) ，L ，则单位接触载荷 :3) Z用来考虑对单位齿宽载荷的影响。342ZZbL，222121111EEZE(3)弹性系数ZE：1) E和对H的影响用该系数修正；2) 尼龙=0.5；其余=0.3。第57页/共155页第58页/共155页(4)节点区域系数ZH： ，这是考虑节点处齿廓曲率对H的影响。(5)齿宽系数d=b/d1：1) b ，H ，当H 不变时，b ，

18、d1 从而使a和V ，磨损 ， Kv 。2) b ，载荷不均 ， K ；3) 据d1和d计算b，则取 ，但H计算仍按b2计算。3. 许用接触应力：1) 即 ；2) Hlim：失效率为1%时，试验齿轮的接触疲劳极限； 5 . 2cos22HHZtgZ，对于标准齿轮minHNHLimHSZ1b2bmmbbbb105212（应圆整）第59页/共155页第60页/共155页第61页/共155页t2轮主动t1轮主动123第62页/共155页4. 分度圆直径的初步计算：hLntN60mihiniiVLTTtnNNmax1603) 工作应力循环次数NL：a. 载荷稳定：b. 载荷不稳定：对于设计计算：b、d

19、1未知 KH（b、d1）、 Kv（v、精度）、 Z()未知无法应用设计式计算简化为用下式初算（校核）：3211uuTAdHddaEMPZ8 .189（钢制）5 . 2HZ22 . 1K，（标准）1Z) 1(第63页/共155页e.故得：此式对直齿和斜齿均适用；e.若为其它材料配对时，应将Ad进行修正：Ad=Ad1Ad2；f.初步计算时取H=0.9Hlim.二. 齿根弯曲疲劳强度计算：a. 不计摩擦时，Fn沿接触点公法线NN传递；b. 轮齿的折断与弯曲强度有关；c. 考虑最危险情况，Fn全部作用于一个轮齿的齿顶情况。（单侧、双侧受载情况）1. 计算公式：1) 轮齿看作宽度为b得悬臂梁，齿根处为危

20、险截面；32111uuTAdHdd第64页/共155页第65页/共155页2) 设全部载荷由一对齿啮合时承受并对齿顶进行分析，用重合度系数y对齿根弯曲应力进行修正；3) 沿啮合线方向得Fn分解为：2) 只考虑弯曲应力，其余因素略去，用应力修正系数Ysa考虑；3) 轮齿长期工作，受拉侧先产生疲劳裂纹，故以受拉侧为计算依据；4) 齿根最大弯矩：5) 计入 ：使齿根产生压应力切应力：使齿根产生弯曲和剪FnFnnFFFsincoscoscos2coscoscos11FFtFnldTlFlFM后：、YYKSa第66页/共155页计算式校核式YYYZKTmYYYbmKFYYYbmdKTYKYWMSaFaF

21、dFSaFatSaFaSabF22211118) 注意：1） ，应按 较大者计算齿根弯曲强度。而校核时则应分别校核。21FFFSaFaYY2）影响齿根弯曲强度的尺寸是： m 和 b 。3）采用正变位、斜齿轮可提高齿轮的强度。4）动力传动，一般 m1.52mm。5）当计算出一轮的F后，可用2222111FSaFaFSaFaFYYYY计算另一轮的第67页/共155页2. 参数选取：(1)齿形系数： ，该系数只取决于轮齿形状，而与模数大小无关； coscos62msmlYFFa(2)应力修正系数YSa：综合考虑齿根过渡曲线处应力集中和除弯曲应力外其余应力对齿根应力的影响系数。(3)重合度系数：75.

22、 025. 0Y齿数、变位系齿数、变位系数、分度圆压数、分度圆压力角增大，均力角增大，均可使齿厚增厚可使齿厚增厚， YF减小、减小、 F减小减小第68页/共155页第69页/共155页第70页/共155页(4)齿数Z1的选择：1) 由于m ，F ；d1 ，H ；d1=mZ1，当d1不变时，Z1 ，m ，F 2) 齿数：z1m重合度传动平稳抗弯曲疲劳强度降低齿高h 减小切削量、减小滑动率因此，在保证弯曲疲劳强度的前提下，齿数多一些好！ 闭式软齿面: z1 = 20 40 闭式硬齿面和开式传动: z1 = 17 20一般要求z1、z2互为质数？避免同齿相磨，使其均匀磨损第71页/共155页3. 许

23、用弯曲应力： Flim：失效概率为1%时，试验齿轮的齿根弯曲疲劳极限；minlimFXNFFSYY4. 计算步骤：1) 闭式传动常先按接触强度求出齿轮直径和齿宽，再按弯曲强度校核；2) 齿面硬度很高的闭式传动，可先按弯曲强度确定模数，再校核接触疲劳强度；3) 开式传动只进行弯曲强度计算，再计算出模数后，为补偿磨损，m应加大1015%；5. 模数的初步计算：第72页/共155页第73页/共155页第74页/共155页1) 当需要按齿根弯曲疲劳强度进行设计时，应对上面计算式进行简化；2) 对于直齿圆柱齿轮：a. 设=1,则Y=1；b. 取K=1.22； ，此式对直斜齿轮均适用；3211SaFaFd

24、mnYYZTAm3) 初步计算时F选取：a. 轮齿单向受力：F=0.7Flim；b. 轮齿双向受力或开式传动：F=0.5Flim；第75页/共155页5.提高齿轮强度措施提高接触强度：1）d或a2）适当b（d）3）采用正角度变位传动（xZH）4）改善材料及热处理（HB H）5）适当齿轮精度提高弯曲强度：1）模数m2）适当提高b3）选用较大的变位系数x4）制造精度5）材料及热处理F 第76页/共155页三. 静强度校核计算：1) 包括少循环次数和瞬时过载两种；2) 当齿轮工作可能出现短时、少次数的超过额定工况大载荷，应进行静强度校核；a. 102NLN0时，进行少循环次数强度校核；b. NL3050mm带油轮v搅油损失搅起油池底部杂质加速磨损第109页/共155页11 11 齿轮传动的结构齿轮传动的结构1、当d与轴径ds相差很小（d2mte 1.6m对于锥齿轮，按齿轮小端尺寸计算而得的。第111页/共155页3、da500：锻造圆盘式（腹板式）