齿轮传动强计算结构设计PPT课件

1、05 齿轮传动的失效形式及材料选择齿轮失效齿轮失效轮齿断裂轮齿断裂齿面失效齿面失效点蚀点蚀胶合胶合磨损磨损塑性变形塑性变形一、轮齿失效的分析一、轮齿失效的分析v开式传动开式传动：润滑差，常用于低精度、低速传动；v闭式传动闭式传动：齿轮置于封闭严密的箱体内，精度高。润滑及防护条件好。第1页/共53页成因：齿根弯曲应力大；齿根应力集中措施：n增大齿根圆角半径；n正变位，增大模数；n强化处理：喷丸、滚压处理；1 1、轮齿折断、轮齿折断过载折断疲劳折断整齿折断部分齿折断失效形态第2页/共53页.轮齿折断第3页/共53页措施措施：提高材料的硬度； 加强润滑，提高油的粘度 成因：成因：轮齿在节圆附近一对齿

2、受力，载荷大；滑动速度低形成油膜条件差；点蚀由接触疲劳产生的：小裂纹-扩展-脱落-凹坑。2 2、齿面点蚀、齿面点蚀第4页/共53页主动被动n成因：成因：开式传动，砂粒、金属屑。n措施措施：加强润滑；开式改闭式传动。3 3、齿面磨损、齿面磨损第5页/共53页磨损磨损第6页/共53页成因成因：高速重载；散热不良；滑动速度大；齿面粘连后撕脱。措施措施：减小模数，降低齿高；用抗胶合能力强的润滑油（含极压添加剂）；材料的硬度及配对。4 4、齿面胶合、齿面胶合第7页/共53页齿面胶合齿面胶合第8页/共53页被动相对滑动方向主动措施：措施：材料的选择及硬度。5 5、齿面塑性变形、齿面塑性变形第9页/共53页

3、磨损、塑性变形第10页/共53页被动相对滑动方向主动主动被动弯曲折断点蚀胶合磨损塑性变形现象与原因？改进措施？第11页/共53页二、齿轮传动的设计准则与齿轮的传动精度二、齿轮传动的设计准则与齿轮的传动精度闭式传动软齿面时：接触疲劳强度设计；弯曲疲劳强度校核。硬齿面时：弯曲疲劳强度设计； 接触疲劳强度校核。高速重载时：散热能力计算；抗胶合能力计算开式传动按保证齿根弯曲疲劳强度进行计算，考虑磨损的影响适当增大模数（1015%）。1、设计准则、设计准则第12页/共53页齿轮传动的精度（1 11212级）级）7-6-6 G M GB10095-1988齿厚下偏差齿厚下偏差齿厚上偏差齿厚上偏差第第公差组

4、精度（接触精度）公差组精度（接触精度）第第公差组精度（平稳性精度）公差组精度（平稳性精度）第第公差组精度（运动精度）公差组精度（运动精度）7 G M GB10095-1988第13页/共53页第14页/共53页 1 1、常用齿轮材料、常用齿轮材料 钢 45、40Cr、20CrMnTi铸钢 ZG310-570铸铁 HT300、QT500-7有色金属： 铜合金、铝合金非金属：夹布塑胶、尼龙三、三、 齿轮的材料及热处理齿轮的材料及热处理对齿轮材料的基本要求：对齿轮材料的基本要求： 齿面要硬齿面要硬，齿芯要韧齿芯要韧。第15页/共53页第16页/共53页齿轮材料的选择依据：齿轮材料的选择依据：A、小尺

5、寸时优先选用锻造毛坯；B、大尺寸时应选用铸造毛坯。A.经 济 性：正确选择材料和毛坯状态。B.工艺要求：选择合理的热处理方式。C.硬度选择：*软齿面硬度350HBS； *软齿面齿轮HBS1-HBS23050； *选择避免胶合的材料合适配对。第17页/共53页齿轮的热处理方法：常化（正火）常化（正火）调质调质淬火淬火氮化氮化表面淬火整体淬火渗碳淬火软齿面齿轮HBS350硬齿面齿轮HBS350工艺流程短，成本低毛坯热处理切齿工艺流程复杂，成本高毛坯退火切齿热处理磨齿成品成品第18页/共53页一、轮齿上的作用力一、轮齿上的作用力112dTFttgFFtrcostnFF mmNnPT1611055.

6、906 06 直齿圆柱齿轮的强度计算直齿圆柱齿轮的强度计算力的分析力的分析：大小 方向 关系第19页/共53页LKFKppncKKKKKvALFpn二、计算载荷计算载荷：计算载荷：载荷系数：载荷系数：KA：工作情况系数，考虑工作机、原动机的工作情况；Kv：动载荷系数，考虑齿轮本身的齿距误差引起的动载荷。与齿轮精度、线速度有关；K：齿间载荷分配系数，考虑啮合齿对间载荷分配不均；K：齿向载荷分布系数，考虑载荷沿齿轮宽度方向分配不均。名义载荷：名义载荷：第20页/共53页影响因素影响因素：齿轮在轴上的位置；轴及支承的刚度；制造和安装精度；齿轮的宽度。例如：例如：齿向载荷分布系数齿向载荷分布系数K K

7、载荷沿轮齿接触线分布载荷沿轮齿接触线分布不均匀不均匀第21页/共53页载荷状况工作机器原动机电机内燃机均匀平稳1.01.11.251.5轻微冲击1.251.351.51.75中等冲击1.51.61.752.0严重冲击1.751.852.02.25载荷系数K第22页/共53页HcHEELF)11(1122212121二、齿面接触疲劳强度计算二、齿面接触疲劳强度计算costnccKFLKFLFKpp赫兹公式载荷材料因素几何因素第23页/共53页齿轮节点处是单齿啮合，曲率半径较小。因此，齿轮传动的接触应力以节点为计算点，节点啮合的综合曲率为：112121212211111211/sind又：第24页

8、/共53页EtEtHZcossinuubdKFZuusindcosbKF2112115 . 2acossin2ZH其中，区域系数：uusind1211则：第25页/共53页)11(1222121EEZE弹性影响系数：第26页/共53页12211HEHHuubdKTZZ32111284. 1uuZKTdHEd校核公式：设计公式： 由公式可看出：由公式可看出：齿轮的接触强度决定齿齿轮的接触强度决定齿轮的中心距。轮的中心距。或者说，齿轮的中心距或者说，齿轮的中心距是由接触强度决定的。是由接触强度决定的。1dbd令齿宽系数第27页/共53页较小者更危险！配对齿轮H较小者强度低；HH齿面接触疲劳强度计算

9、小结齿面接触疲劳强度计算小结两齿轮接触应力的关系：21HH两齿轮接触强度相等的条件：21HH12211HEHHuubdKTZZ第28页/共53页三、齿根弯曲疲劳强度计算三、齿根弯曲疲劳强度计算cosshcosp66s1hcospWM2ca2caF力学模型：力学模型：Z假设全部载荷作用于齿顶；Z不计径向分力产生的压应力；Z用30切线法确定危险截面。第29页/共53页coscos62msmhbmKFtFcoscos62msmhYFS令齿形系数：得： 2121FFSFStFYzbmKTYbmKF思考：齿形系数YFS的大小与模数有没有关系？第30页/共53页一对齿轮，模数m相同，而小齿轮z1的齿根圆齿

10、厚sf1比大齿轮z2的齿根圆齿厚sf2小，小齿轮的齿根弯曲应力较大，在计算公式中通过齿形系数齿形系数YFS来体现。第31页/共53页32112FFSdYzKTmv开式齿轮模数增大1015%；v动力用齿轮，模数一般不小于2mm。1dbd令齿宽系数设计公式： 由公式可看出：齿轮的弯曲强度决定齿轮的模数。或者说，齿轮的模数是由弯曲强度决定的。2121FFSFStFYzbmKTYbmKF第32页/共53页FFStFYbmKF较小者危险！FSFY较大者强度高。FSFY2、齿轮弯曲强度比较若两齿轮齿数不一样，YFS的大小也不一样，F1、F2的大小就不相等。2211FSFFSFYY两齿轮弯曲应力之间的关系。

11、1、弯曲应力、许用应力，强度的关系弯曲应力、许用应力，强度的关系两齿轮弯曲应力是否相同？许用应力呢？齿根弯曲疲劳强度计算小结齿根弯曲疲劳强度计算小结第33页/共53页HHHSlimSH接触疲劳强度安全系数，一般情况下，SH=1.0 1.2；SF弯曲疲劳强度安全系数，一般情况下，SF=1.251.5。Hlim、Flim齿轮的疲劳极限。FFFSlim四、许用应力的确定第34页/共53页决定齿轮疲劳极限的三个因素：材料；热处理方法；硬度材料；热处理方法；硬度第35页/共53页n硬度超过范围可外插法取值；n如果实际的齿轮为双向受载，则齿根弯曲应力的循环特性为对称循环，这时应将极限应力降低为脉动循环极限

12、应力的70使用。第36页/共53页NoImage主动被动主动被动分析中间齿轮接触应力和弯曲应力的特点分析中间齿轮接触应力和弯曲应力的特点第37页/共53页开式传动 ：z z1 1=17=1720 20 ；闭式传动：z z1 1=25=254040五、齿轮传动的设计参数五、齿轮传动的设计参数1 1、小轮齿数、小轮齿数z z1 1的选择的选择q设d不变，即中心距a为定值时:a. z1 增多，重叠系数大，传动平稳；b. 模数小，节约材料及加工量；但抗弯曲差；c. 齿高减小，降低vs，抗胶合能力强。第38页/共53页udbaba15 . 01adudb15 . 01a的值规定为0.2，0.25，0.3

13、0，0.40，0.50，0.60，0.80，1.0，1.2圆柱齿轮的齿宽，在按bdd1计算后再圆整，应将小齿轮的齿宽在圆整值的基础上加宽510 mm，以防止大小齿轮因装配误差产生轴向错位时导致啮合齿宽减小而增大轮齿的工作载荷。2 2、齿宽系数、齿宽系数d d的选择的选择齿轮愈宽，直径和中心距小，但载荷分布不均。第39页/共53页变位齿轮传动强度计算概述一、变位对弯曲强度的影响二、变位对接触强度的影响（齿根圆角减小）（齿厚增加）正变位：SaFaYY，强度SaFaYY21xxx不变；中心距不变，接触强度高度变位齿轮传动，）（0:1x接触强度，接触强度，角度变位齿轮传动HHZxZxx00:0: )

14、2(第40页/共53页例题第41页/共53页5 . 0a第42页/共53页第43页/共53页第44页/共53页有一对闭式直齿圆柱齿轮传动，已知：Z1=20，i=3，m=6mm，b=120mm，载荷稳定，齿面接触应力H=400N/mm2，大齿轮齿根弯曲应力F2=50N/mm2。试求：小齿轮齿根弯曲应力；当其它条件不变，而b=60mm时的齿面接触应力和齿根弯曲应力；当其它条件不变，而Z1=40，m=3mm时的齿面接触应力和齿根弯曲应力。 Z204060120YFS2.802.402.282.16例题第45页/共53页解:4 .6128. 28 . 2502121FSFSFFYYFStFYbmKFu

15、1ubdKFZZ1tEHHb=6010028 .1222240022F2F1F1FH当Z1=40，m=3mm时，中心距不变，故400HH73.9428. 216. 250228. 216. 222F2F26.1058 . 24 . 24 .6128 . 24 . 221F1F第46页/共53页一对标准直齿圆柱齿轮传动，已知Z1=20，Z2=40，小轮材料为45Cr钢，大轮材料为45# 钢，许用应力是H1=600MPa，H2=500MPa；F1=179MPa，F2=144MPa；齿形系数YFS1=2.8，YFS2=2.4；试问：（1）哪个齿轮的接触强度弱？（2）哪个齿轮的弯曲强度弱？为什么？ 解

16、：因 H1= H2H1 H2故，大齿轮的接触强度弱。2211FSFFSFYY928.638 . 217911FSFY000.604 . 214422FSFY故，大齿轮的弯曲强度弱。例题第47页/共53页有一对标准直齿圆柱齿轮传动，如两齿轮的材料、热处理、齿数、齿宽、传递功率和载荷系数均保持不变，而把小齿轮的转速从n1=960r/min降低到n1=730r/min，试问改变齿轮的哪个参数才能保持具有原来的弯曲强度，该参数的现在值与原来值之比等于多少？ 解：根据题意，该对齿轮传动的许用弯曲应力F、齿宽b、传递功率P和载荷系数K保持不变。齿数z1和z2不变，齿形系数YFS也不变。转速n降低，则转矩T

17、1增加：3331720960TT11.2121FFSFzbmYKT由得：如其它参数不变，保持具有原来的弯曲强度，m2须是原来的1.333倍，即模数m/m=1.155。例题第48页/共53页设有两对闭式直齿圆柱齿轮传动，其主要参数和尺寸如下表所示。如果两对齿轮的制造精度、工况、材料和热处理、齿面硬度均相同，且按无限寿命计算。试问：按接触疲劳强度计算时，第一对齿轮所能传递的转矩是第二对齿轮的几倍？按弯曲疲劳强度计算时，第一对齿轮所能传递的转矩又是第二对齿轮的几倍？第一对齿轮Z1=20Z2=45m=4mmb=50mm第二对齿轮Z3=40Z4=90m=2mmb=50mmZYFa*YSa204.3440

18、4.008453.948903.916YFa2.802.402.352.20YSa1.551.671.681.78例题第49页/共53页H1tEHHu1ubdKFZZ由得)/ )()/ (u1uK2bdZZT22HEH1240420ddu1uK2dbZZu1uK2dbZZTT22232123II2HEH21I2HEHIII)()()/ )()/ ()/ )()/ (四只齿轮YFaYSa之乘积见表注。可见，两对齿轮中均以小齿轮的弯曲强度较弱，故以小齿轮作为比较依据。第50页/共53页由211FSaFaFmbdYYKTSaFa1FYYK2mbdT8471344200844YYmYYmYYmdbYYmdbYYK2mdbYYK2mdbTT1Sa1FaII3Sa3FaI3Sa3FaII3II1Sa1FaI1I3Sa3FaII3IIF1Sa1FaI