机械课件第11章齿轮传动

1、1第十一章 齿轮传动11-1 齿轮的失效形式11-2 齿轮材料以及热处理11-5 直齿圆柱齿轮的齿面接触强度计算11-3 齿轮传动精度11-4 直齿圆柱齿轮传动的作用力及计算载荷11-6 直齿圆柱齿轮传动的轮齿弯曲强度计算2作用： 不仅用来传递运动、而且还要传递动力。要求： 运转平稳、足够的承载能力。分类开式传动 裸露、灰尘、易磨损，适于低速传动。闭式传动全封闭、润滑良好、适于重要应用。按类型分按装置型式分按使用情况分软齿面齿轮（齿面硬度350HBS） 直齿圆柱齿轮传动斜齿圆柱齿轮传锥齿轮传动人字齿轮传动动力齿轮 传动齿轮 按齿面硬度分硬齿面齿轮（齿面硬度350HBS） 以动力传输为主，常为高

2、速重载或低速重载传动。以运动准确为主，一般为轻载高精度传动。第十一章 齿轮传动3齿轮传动的特点： 传动效率高可达99；在常用的机械传动中，齿轮传动的效率为最高； 结构紧凑;与带传动、链传动相比，在同样的使用条件下，齿轮传动所需的空间一般较小； 工作可靠，寿命长；与各类传动相比 传动比稳定;无论是平均值还是瞬时值。这也是齿轮传动获得广泛应用的原因之一； 制造及安装精度要求高，价格较贵。与带传动、链传动相比学习本章的目的 本章学习的根本目的是掌握齿轮传动的设计方法，也就是要能够根据齿轮工作条件的要求，能设计出传动可靠的齿轮。设计齿轮-设计确定齿轮的主要参数以及结构形式。主要参数有：模数m、齿数z、

3、螺旋角以及压力角a、 齿高系数h*a、径向间隙系数c*。411-1 齿轮的失效形式 一般发生在齿根处，严重过载突然断裂、疲劳折断。5 齿面接触应力按脉动循环变化当超过疲劳极限时，表面产生微裂纹、高压油挤压使裂纹扩展、微粒剥落。 齿面越硬，抗点蚀能力越强。软齿面闭式齿轮传动常因点蚀而失效。6 高速重载传动中，常因啮合区温度升高而引起润滑失效，致使齿面金属直接接触而相互粘连。当齿面相对滑动时，较软的齿面沿滑动方向被撕下而形成沟纹。措施： 1.提高齿面硬度2.减小齿面粗糙度3.增加润滑油粘度低速4.加抗胶合添加剂高速7措施：1.减小齿面粗糙度2.改善润滑条件，清洁环境3.提高齿面硬度8 主动轮齿面摩

4、擦力的方向背离节线，齿面产生凹沟，从动轮齿面摩擦力的方向指向节线，齿面产生凸棱。9二、齿轮的设计准则 保证足够的齿根弯曲疲劳强度，以免发生齿根折断。保证足够的齿面接触疲劳强度，以免发生齿面点蚀。由工程实践得知：闭式软齿面齿轮传动，以保证齿面接触疲劳强度为主。对高速重载齿轮传动，除以上两设计准则外，还应 按齿面抗胶合能力的准则进行设计。闭式硬齿面或开式齿轮传动，以保证齿根弯曲疲劳强度为主。10一、对齿轮材料性能的要求 齿轮的齿体应有较高的抗折断能力，齿面应有较强的抗点蚀、抗磨损和较高的抗胶合能力，即要求：齿面硬、芯部韧。 常用齿轮材料锻钢 铸钢 铸铁常作为低速、轻载、不太重要的场合的齿轮材料；适

5、用于高速、轻载、且要求降低噪声的场合。 非金属材料 二、常用齿轮材料 钢材的韧性好，耐冲击，通过热处理和化学处理可改善材料的机械性能，最适于用来制造齿轮。 耐磨性及强度较好，常用于大尺寸齿轮。含碳量为(0.150.6)%的碳素钢或合金钢。一般用齿轮用碳素钢，重要齿轮用合金钢。11-2 齿轮材料及热处理11潘存云教授研制常用齿轮材料及其机械性能 材料牌号 热处理方法 强度极限 屈服极限 硬度 (HBS)B / MPa S / Mpa 齿芯部 齿面HT250 250 170241 HT300 300 187255 HT350 350 197269 QT500-5 500 147241 QT600-

6、2 600 229302 ZG310-570 常化 580 320 156217 ZG340-640 650 350 169229 45 580 290 162217 45 217255 4050HRC 40Cr 241286 4855HRC 调质后表面淬火12潘存云教授研制续 常用齿轮材料及其机械性能 材料牌号 热处理方法 强度极限 屈服极限 硬度 (HBS)B / MPa S / Mpa 齿芯部 齿面ZG340640 700 380 241269 45 650 360 217255 30CrMnSi 1100 900 310360 35SiMn 750 450 217269 38SiMnM

7、o 700 550 217269 40Cr 700 500 241286 20Cr 650 400 300 20CrMnTi 1100 850 300 12Cr2Ni4 1100 850 320 35CrAlA 950 750 255321 85HV 渗碳后淬火调质20Cr2Ni4 1200 1100 350 38CrMnAlA 1000 850 255321 85HV 夹布胶木 100 2535 调质后氮化(氮化层0.30.5)13热处理方法表面淬火渗碳淬火调质正火渗氮 一般用于中碳钢和中碳合金钢，如45、40Cr等。表面淬火后轮齿变形小，可不磨齿，硬度可达5256HRC，面硬芯软，能承受一

8、定冲击载荷。1.表面淬火-高频淬火、火焰淬火三、齿轮材料的热处理和化学处理 2. 渗碳淬火 渗碳钢为含碳量0.150.25%的低碳钢和低碳合金钢，如20、20Cr等。齿面硬度达5662HRC，齿面接触强度高，耐磨性好，齿芯韧性高。常用于受冲击载荷的重要传动。通常渗碳淬火后要磨齿。14 调质一般用于中碳钢和中碳合金钢，如45、40Cr、35SiMn等。调质处理后齿面硬度为：220260HBS 。因为硬度不高，故可在热处理后精切齿形，且在使用中易于跑合。3.调质4. 正火 正火能消除内应力、细化晶粒、改善力学性能和切削性能。机械强度要求不高的齿轮可用中碳钢正火处理。大直径的齿轮可用铸钢正火处理。

9、渗氮是一种化学处理。渗氮后齿面硬度可达6062HRC。氮化处理温度低，轮齿变形小，适用于难以磨齿的场合，如内齿轮。材料为：38CrMoAlA.5. 渗氮15特点及应用： 调质、正火处理后的硬度低，HBS 350，属软齿面，工艺简单、用于一般传动。当大小齿轮都是软齿面时，因小轮齿根薄，弯曲强度低，故在选材和热处理时，小轮比大轮硬度高: 2050HBS 表面淬火、渗碳淬火、渗氮处理后齿面硬度高，属硬齿面。其承载能力高，但一般需要磨齿。常用于结构紧凑的场合。16四、齿轮材料选用的基本原则 1) 齿轮材料必须满足工作条件的要求，如强度、寿 命、可靠性、经济性等； 2)应考虑齿轮尺寸大小，毛坯成型方法及

10、热处理和 制造工艺； 3)正火碳钢，只能用于制作在载荷平稳或轻度冲击 下工作的齿轮；调质碳钢可用于在中等冲击载荷 下工作的齿轮； 6)钢制软齿面齿轮，其配对两轮齿面的硬度差应保 持在2050HBS或更多。 4)合金钢常用于制作高速、重载并在冲击载荷下工 作的齿轮； 5)航空齿轮要求尺寸尽可能小，应采用表面硬化处 理的高强度合金钢； 17制造和安装齿轮传动装置时，不可避免会产生齿形误差、齿距误差、齿向误差、两轴线不平行误差等。.误差对传动的影响：1.转角与理论不一致，影响运动的准确性；2.瞬时传动比不恒定，出现速度波动，引起震动、 冲击和噪音影响运动平稳性；3.齿向误差导致轮齿上的载荷分布不均匀

11、，使轮齿提 前损坏，影响载荷分布的不均匀性。 国标GB10095-88给齿轮副规定了12个精度等级。其中1级最高，12级最低，常用的为69级精度。 按照误差的特性及它们对传动性能的主要影响，将齿轮的各项公差分成三组，分别反映传递运动的准确性，传动的平稳性和载荷分布的均匀性。精度选择是以传动的用途，使用条件，传递功率，圆周速度等为依据来确定。11-3 齿轮传动精度18潘存云教授研制潘存云教授研制7-6-6-XX 8-7-7-XX 6-5-5-XX 7-6-6-XX 圆柱齿轮传动 0 20 40 60 80 100 4003002001000Pca(N/mm)v(m/s)圆锥齿轮传动 0 20 4

12、0 60 80 100 4003002001000Pca(N/mm)v(m/s)机器名称 精度等级 机器名称 精度等级 汽轮机 36 拖拉机 68 切削机床 38 通用减速器 68 航空发动机 48 锻压机床 69 轻型汽车 58 起重机 710 载重汽车 79 农机 811 注：主传动齿轮或重要齿轮传动，选靠上限； 辅助齿轮传动或一般齿轮传动，居中或靠下限选择。各类机器所用齿轮传动的精度等级范围1911-4 直齿圆柱齿轮传动的作用力 及计算载荷齿轮啮合时，齿间法向力Fn沿啮合线作用于轮齿，其大小和方向始终不变。法向力Fn可分解为圆周力Ft和径向力Fr20 设这对齿轮副传递的功率为P（kw）,

13、小齿轮的角速度为1，n1为小齿轮的转速，则小齿轮上的转矩：21计算载荷=KFn表1132211-5 直齿圆柱齿轮的齿面接触 强度计算一、强度计算准则赫兹公式 齿轮强度计算是根据齿轮可能出现的失效形式来进行的。在一般闭式齿轮传动中，轮齿的失效主要是齿面接触疲劳点蚀和轮齿弯曲疲劳折断。齿面疲劳点蚀与齿面接触应力的大小有关，而齿面的最大接触应力可近似用赫兹公式进行计算。232425表114图11726 假定载荷仅由一对轮齿承担，按悬臂梁计算。齿顶啮合时，弯矩达最大值。弯曲力矩：危险截面的弯曲截面系数：弯曲应力：危险截面：齿根圆角30 切线两切点连线处。齿顶受力：Fn，可分解成两个分力：-产生弯曲应力

14、；- -产生压应力，可忽略11-6 直齿圆柱齿轮传动的轮齿弯曲强度计算27hF和SF与模数m相关，故YF与模数m无关。对于标准齿轮, YFa仅取决于齿数Z，取值见图11-9。 28注意：计算时取： 较大者，计算结果应圆整, 且m 1.5一般YF1 YF2， F1 F2 设计公式：强度条件：29 齿轮传动设计时，按主要失效形式进行强度计算，确定主要尺寸，然后按其它失效形式进行必要的校核。软齿面闭式齿轮传动：按接触强度进行设计，按弯曲强度校核：硬齿面闭式齿轮传动：按弯曲强度进行设计，按接触强度校核:开式齿轮传动：按弯曲强度设计。其失效形式为磨损，点蚀形成之前齿面已磨掉。30济南大学专用 作者： 潘

15、存云教授 一、齿轮传动设计参数的选择 1压力角a的选择2齿数的选择一般，闭式齿轮传动: z1=20403齿宽系数fd的及齿宽b当d1已按接触疲劳强度确定时，z1m重合度e传动平稳抗弯曲疲劳强度降低齿高h 切削量 、滑动率因此，在保证弯曲疲劳强度的前提下，齿数选得多一些好！fd 齿宽b 强度 ，但fd过大将导致K一般情况下取 a =20 fd的选取可参考齿宽系数表 11-7 齿轮传动的设计参数、许用应力与精度选择 开式齿轮传动: z1=1720 z2=uz1大齿轮：b= fd d1 ,小齿轮：b1=b+(510) mm32已知：两级直齿圆柱齿轮减速机，电机驱动，单向运转, 中等冲击。i =3.7，n1=745r/min，P=17kW。 求： 设计该减速机的高速级传动（采用软齿面）。例题分析33已知：两级直齿圆柱齿轮减速机，电机驱动，单向运转, 中等冲击。i =3.7，n1=754r/min，P=1