齿轮传动-直接啮合传动-机械设计-课件-10

1、第十章第十章齿轮传动（直接啮合传动）齿轮传动（直接啮合传动）10-1 概述概述基本参数基本参数: m、Z、 、h a*、c*几何尺寸几何尺寸: d、da、df、db h、ha、hf p、s、e b、a一、齿轮传动的特点一、齿轮传动的特点优点：优点：1、i=c 2、结构紧凑、结构紧凑 3、 高，高，=0.950.98 4、工作可靠，寿命长、工作可靠，寿命长缺点：缺点：1、制造安装要求高、价格高、制造安装要求高、价格高 2、a小，不适宜远距离传动小，不适宜远距离传动二、分类二、分类按结构型式分：按结构型式分：开式：开式： 敞开，润滑不良、易磨损；敞开，润滑不良、易磨损；半开式：防护罩，润滑、密封不

2、完善；半开式：防护罩，润滑、密封不完善；闭式：闭式： 封闭箱体，润滑密封好。封闭箱体，润滑密封好。10-2 齿轮传动的失效形式及设计准则齿轮传动的失效形式及设计准则一、失效形式（五种）：一、失效形式（五种）：部位、原因、防止措施部位、原因、防止措施1.轮齿折断轮齿折断：轮齿：悬臂梁：轮齿：悬臂梁(1)(1)部位：根部部位：根部 受周期性弯曲变应力受周期性弯曲变应力单向传动：脉动单向传动：脉动双向传动：对称双向传动：对称(2)(2)类型及原因类型及原因 疲劳折断：变应力、应力集中。疲劳折断：变应力、应力集中。 过载折断：过载折断、冲击、磨损。过载折断：过载折断、冲击、磨损。 局部折断：写齿轮、制

3、造、安装误差局部折断：写齿轮、制造、安装误差(3)(3)防止措施防止措施 减小应力集中：圆角、光洁度减小应力集中：圆角、光洁度 根部强化处理根部强化处理 增大支承刚度增大支承刚度 轮齿芯部韧性轮齿芯部韧性2、齿面磨损齿面磨损：开式：开式（1 1）部位：工作面）部位：工作面（2 2）原因：）原因：润滑不良、润滑不良、磨料落入工作面磨料落入工作面（3 3）防止措施：）防止措施：改开式为闭式改开式为闭式改善润滑条件改善润滑条件提高齿面硬度和光洁度提高齿面硬度和光洁度3 3、齿面点蚀齿面点蚀：闭式、润滑良好：闭式、润滑良好（1 1）部位：节线处靠近根部）部位：节线处靠近根部（2 2）原因：）原因：一对

4、齿啮合一对齿啮合相对滑动速度低、不易形成油膜相对滑动速度低、不易形成油膜（3）防止措施：）防止措施：合理润滑合理润滑提高齿面硬度提高齿面硬度4、齿面胶合齿面胶合：高速、重载、润滑不良：高速、重载、润滑不良（1 1）部位：齿面沿相对滑动方向，胶合线）部位：齿面沿相对滑动方向，胶合线（2 2）原因：）原因：瞬时温度高，产生瞬时温度高，产生“咬焊咬焊”， 并沿相对滑动方向撕破并沿相对滑动方向撕破冷胶合：低速、重载的重型冷胶合：低速、重载的重型齿轮传动齿轮传动（3 3）防止措施：）防止措施： 采用抗采用抗胶合油胶合油，加极压添加剂，加极压添加剂5、 塑性变形：硬度低塑性变形：硬度低（1 1）类型）类型

5、滚压塑变：摩擦力作用，沿滚压塑变：摩擦力作用，沿 滑动速度方向产生塑性变形滑动速度方向产生塑性变形锤击塑变：过大冲击产生塑性变形锤击塑变：过大冲击产生塑性变形（2 2）防止措施）防止措施提高识别硬度和光洁度提高识别硬度和光洁度采用粘度高的润滑油，加极压添加剂采用粘度高的润滑油，加极压添加剂二、设计准则：目前成熟的有两种二、设计准则：目前成熟的有两种 1 1、齿根弯曲疲劳强度：针对轮齿折断、齿根弯曲疲劳强度：针对轮齿折断 2 2、齿面接触疲劳强度：针对齿面点蚀、齿面接触疲劳强度：针对齿面点蚀计算方法：计算方法：闭式传动：闭式传动：软齿面组合（软硬齿面组合）软齿面组合（软硬齿面组合） HBSHBS

6、350 350 按齿面接触疲劳强度设计，按齿根弯曲按齿面接触疲劳强度设计，按齿根弯曲 疲劳强度校核疲劳强度校核 注意：硬度差注意：硬度差HBS =30HBS =30 5050硬齿面组合：硬齿面组合： HBSHBS350 350 按齿根弯曲疲劳强度设计，按齿面接触疲按齿根弯曲疲劳强度设计，按齿面接触疲 劳强度校核，注意：硬度一样劳强度校核，注意：硬度一样开式（半开式）传动开式（半开式）传动：磨损后轮齿折断，：磨损后轮齿折断， 不会发生齿面点蚀，不会发生齿面点蚀， 仅按齿根弯曲疲劳强度计算。仅按齿根弯曲疲劳强度计算。10-3齿轮的材料齿轮的材料基本要求：齿面要硬，齿芯要韧。基本要求：齿面要硬，齿芯

7、要韧。一、一、 钢钢1. 锻钢锻钢(尽量采用尽量采用):含碳量含碳量(0.150.6)%的的 碳钢或合金钢碳钢或合金钢 一般应用：中速、中载、中等精度一般应用：中速、中载、中等精度 软齿面，精度：软齿面，精度：7级、级、8级级 45、40Cr等调质、常化等调质、常化(正火正火)处理处理 HBS =30HBS =30 50 (50 (等强度等强度) )重要应用：高速、重载、精密重要应用：高速、重载、精密 硬齿面，硬度相同硬齿面，硬度相同 40Cr 等表面淬火等表面淬火 35CrAlA 38CrMoAlA 20Cr,20CrMnTi 等渗碳淬火等渗碳淬火氮化氮化2.铸钢：大齿轮铸钢：大齿轮 ZG3

8、10-570 ZG340-640退火、退火、 常化常化二、铸铁：低速、轻载、工作平稳二、铸铁：低速、轻载、工作平稳 灰铸铁：灰铸铁：HT250, HT300, HT350HT250, HT300, HT350 球墨铸铁：球墨铸铁：QT500-5, QT600-2QT500-5, QT600-2三、非金属材料：高速，轻载，精度不高。三、非金属材料：高速，轻载，精度不高。 小齿轮：夹布塑胶、尼龙小齿轮：夹布塑胶、尼龙 大齿轮：钢或铸铁大齿轮：钢或铸铁10-410-4齿轮传动的计算载荷齿轮传动的计算载荷齿面接触线上的平均载荷：齿面接触线上的平均载荷：LFpn计算载荷：考虑原动机、工作机载荷变化、计算

9、载荷：考虑原动机、工作机载荷变化、 轮齿制造误差的影响轮齿制造误差的影响KKKKKKppvAca1.使用系数使用系数KA：外部附加动载荷：外部附加动载荷 （原动机、工作机的变化），表（原动机、工作机的变化），表10-22.动载系数动载系数Kv：内部附加动载荷：内部附加动载荷 原因：原因： 制造安装误差造成制造安装误差造成 单齿对单齿对 双齿对变换双齿对变换 减轻措施减轻措施 提高制造精度提高制造精度 降低圆周速度（减小直径）降低圆周速度（减小直径） 齿顶修缘齿顶修缘21bbpp KV根据精度等级，圆周速度查图根据精度等级，圆周速度查图10-83.齿向载荷分配系数齿向载荷分配系数K 原因：多对齿

10、啮合，由于齿距误差及原因：多对齿啮合，由于齿距误差及 弹性变形，造成载荷不是均匀弹性变形，造成载荷不是均匀 分配的。分配的。对于一般齿轮传动对于一般齿轮传动K查表查表10-3确定：确定：4.4.齿向载荷分布系数齿向载荷分布系数K K 原因：原因：轴承非对称布置轴承非对称布置 轴、轴承变形轴、轴承变形 齿轮制造、安装误差齿轮制造、安装误差减轻措施减轻措施: :对称布置，避免悬臂布置对称布置，避免悬臂布置增大轴、轴承刚度增大轴、轴承刚度限制齿轮速度限制齿轮速度齿轮修缘齿轮修缘 ( (鼓形齿鼓形齿) )HKFK查表查表10-4(轴承布置，精度，轴承布置，精度，b，d )查图查图10-13(根据根据

11、)hbKH,10-5 标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算一、齿轮的受力分析一、齿轮的受力分析大小大小已知：齿轮转向，已知：齿轮转向， 主、从动轮主、从动轮方向方向rtnFFF21112ttFdTF211rtrFtgFF圆周力：圆周力：径向力：径向力：方向方向从动轮：与从动轮：与n1同向同向主动轮：与主动轮：与n1反向反向方向：指向各自轮心方向：指向各自轮心二、齿根弯曲疲劳强度计算二、齿根弯曲疲劳强度计算1.理论依据：悬臂梁理论依据：悬臂梁2.强度条件：强度条件：一般按照全部载荷作用于齿顶来一般按照全部载荷作用于齿顶来计算齿根的弯曲强度。计算齿根的弯曲强度。理论弯曲应力

12、：理论弯曲应力：F0 FshtcaFKKbmKFshpWMcoscos661cos220mKSmKhsh,设cosbKFbKFKpptnca齿形系数：齿形系数：YSa FSaFatSaFFbmYYKFY0111,Zdmdb设齿宽系数：112dTFt校核公式校核公式FdSaFaFZmYYKT21312设计公式设计公式 FSaFadYYZKTm2112(MPa)(mm)3公式分析公式分析，弯曲强度，弯曲强度主要取决于限制不能太大，受mmKbbmF1YFa 只与轮齿的齿廓形状有关，而只与轮齿的齿廓形状有关，而与齿的大小与齿的大小(模数模数)无关，无关， YFa小小 则抗弯曲强度高，表则抗弯曲强度高，

13、表10-5。 应力校正系数应力校正系数YSa为考虑齿根过渡为考虑齿根过渡 圆角所引起的应力集中影响，圆角所引起的应力集中影响，表表10-5。两轮弯曲强度要分别计算两轮弯曲强度要分别计算原因：原因：Z1 Z2，则，则 YFaYFa 材料不同，则材料不同，则 21FF校核：校核： 1111FSaFatFYYbmKF 2112212FSaFaSaFaFFYYYY设计：设计：222111FSaFaFSaFaYYYY与比较，取大值代入公式计算比较，取大值代入公式计算三、齿面接触疲劳强度计算三、齿面接触疲劳强度计算 1.理论依据：弹性力学赫兹公式理论依据：弹性力学赫兹公式（H.Hertz） HbEEFca

14、H 2221212111)11(弹性影响系数弹性影响系数查表查表10-6 222121111EEZE校核公式校核公式设计公式设计公式 HtEHuubdKFZ15 . 21 2131132. 2HEdZuuKTd公式分析：公式分析：接触强度的主要影响因素接触强度的主要影响因素 :d1(或或a) 接触强度接触强度:HHZ : 传动平稳传动平稳;m减少切削量减少切削量; 减少滑动速度，减少磨损与胶合减少滑动速度，减少磨损与胶合闭式：闭式：Z=2040开式：开式：Z=1720接触强度接触强度H : d1 (或或a )，b适当适当H :材料、热处理材料、热处理 H1= H2 = H H取值为取值为 mi

15、n H1 、 H110-6 设计参数、许用应力、精度选择设计参数、许用应力、精度选择一设计参数一设计参数 1.载荷系数载荷系数K设计时初选设计时初选Kt=1.21.4代入设计公式计算代入设计公式计算d1t(或或mt) 计算计算 K=KAKvK K 3311ttttKKmmKKdd或：修正：2.齿宽系数齿宽系数dbdbd，1承载能力承载能力载荷分布不均匀载荷分布不均匀适当。适当。(0.2,0.25,0.3,0.4,0.5,0.6,0.8,1.0,1.2)二、许用应力二、许用应力 SKNlim安全系数安全系数S：不导致严重后果：不导致严重后果：SH=1导致严重后果：导致严重后果： SF=1.251

16、.5寿命系数寿命系数KN循环次数：循环次数：N=60nj弯曲疲劳寿命系数弯曲疲劳寿命系数KFN，图，图10-18接触疲劳寿命系数接触疲劳寿命系数KHN，图，图10-19极限应力极限应力lim 弯曲疲劳强度极限弯曲疲劳强度极限FE= Flim，图，图10-20接触疲劳强度极限接触疲劳强度极限 lim，图，图10-21ML:材料和热处理质量的最低要求材料和热处理质量的最低要求MQ :材料和热处理质量的中等要求材料和热处理质量的中等要求ME :材料和热处理质量的最高要求材料和热处理质量的最高要求取值：取值： MQ偏下，超出范围将偏下，超出范围将MQ线延长线延长三、精度选择三、精度选择1.齿轮精度等级

17、范围齿轮精度等级范围69级，表级，表10-82.精度选择精度选择 根据根据Pca和和 V 查图查图10-22例例10-1已知：已知：P1、n1、u、Lh、工作条件、工作条件解：解：1.选定齿轮类型、精度等级、选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数材料及齿数 2.计算方法选择计算方法选择24)(40209 . 0)(15. 17 . 03 . 1, 4 . 12 . 11，取闭式，取非对称布置取ZKdt 222111,maxFSaFaFSaFaYYYY3.齿根弯曲疲劳强度设计齿根弯曲疲劳强度设计 32112FSaFadttYYZTKm4.求求K=KAKvK K 3ttKKmm 5.齿面接触疲劳强度校

18、核齿面接触疲劳强度校核uubdKFZtEH15 . 21确定确定6.基本参数及几何尺寸基本参数及几何尺寸圆整圆整 m 求求 z1=d1/m 圆整圆整d、da、dfh、ha、hfp、s、eb、a7.齿轮结构设计齿轮结构设计10-6 标准斜齿圆柱齿轮传动的强度计算标准斜齿圆柱齿轮传动的强度计算一、轮齿的受力分析一、轮齿的受力分析artnFFFF21112ttFdTF圆周力cos/11Zmdn主主:与与n1反向反向从从:与与n2同向同向211ataFtgFF轴向力211cosrtrFtgFF径向力从动轮：从动轮：按左右手定则按左右手定则二、强度计算二、强度计算 利用直齿轮公式，靠路斜齿轮特点利用直齿

19、轮公式，靠路斜齿轮特点 修正，强度计算特点。修正，强度计算特点。 1.法面看相当两个当量直齿轮啮合，法面看相当两个当量直齿轮啮合，可借用直齿轮的公式可借用直齿轮的公式 2.考虑考虑、Z 、Z 的影响可适当提高其强度的影响可适当提高其强度21 端面重叠系数111 ZZ222 ZZ左左 右右(一一)齿根弯曲疲劳强度计算齿根弯曲疲劳强度计算 FnSaFatFbmYYYKF校核）螺旋角影响系数（图2810Y纵向重叠系数tgZd1318. 0 32121cos2FSaFadnYYZYKTm设计公式分析：公式分析： YFa，Ysa按当量齿数按当量齿数3cosZZv公式使用同直齿轮公式使用同直齿轮(二二)齿

20、面接触疲劳强度计算齿面接触疲劳强度计算 HEHtHZZuubdKF11校核： 321112HEHdZZuuKTd设计：查）（按区域系数图3010 HZ齿轮传动的许用接触应力可取：齿轮传动的许用接触应力可取： 2/21HHH当当 223. 1HH， 223. 1HH可取可取例题例题10-2，按例题，按例题10-1的数据的数据 1.选精度等级、材料及齿数选精度等级、材料及齿数初选初选=8 20 （取（取 =14 ） 2.按齿根弯曲疲劳强度设计按齿根弯曲疲劳强度设计 3.按齿面接触疲劳强度校核按齿面接触疲劳强度校核 4.确定计算参数确定计算参数求求 K=KAKvK K 修正修正3tntnKKnm 5

21、.几何尺寸计算几何尺寸计算cos2)(21ZZman圆整圆整aaZZmn2)(arccos21，、，、fafahhhddd1dbd圆整圆整mmbbbb5126.结构设计结构设计绘制工作图绘制工作图10-7 标准圆锥齿轮传动的强度计算标准圆锥齿轮传动的强度计算一、设计参数一、设计参数13135. 025. 05 . 01212121222211212212221211212RRRRmRbRbRbRddudddddRtgctgddZZu常用齿宽系数)5 . 01 ()5 . 01 (2211RmRmdddd)5 . 01 (RmmmcosZZv二、受力分析二、受力分析artnFFFF圆周力圆周力21112tmtFdTF方向方向主动轮：与主动轮：与n1反向反向从动轮：与从动轮：与n1同向同向小端指向大端轴向力指向轮心径向力21112111sincosrtaatrFtgFFFtgFF三、强度计算三、强度计算 特点：按平均分度圆处的当量圆柱特点：按平均分度圆处的当量圆柱齿轮进行计算。齿轮进行计算。 (一一)齿根弯曲疲劳强度计算。齿根弯曲疲劳强度计算。校核：校核：设计：设计： FRSaFatFbmYYKF)5 . 01 ( FSaFaRRYYuZKTm1)5 . 01 (4221213(二二)按接触疲劳强度计算按接触疲劳强度计算校核：