齿轮传动机构设计及强度校核

1、齿轮传动机构设计及强度校核一、概述.优点：传动效率高；工作可靠、寿命长；传动比准确；结构紧凑；功率和速度适用范围很广。.缺点： 制造成本高；精度低时振动和噪声较大；不宜用于轴间距离较大的传动。.设计齿轮一一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、螺旋角3以及齿宽b、中心距a、直径（分度圆、齿顶 圆、齿根圆）、变位系数、力的大小。齿轮类型：外形及轴线：根据装置形式：开式齿轮：齿轮完全外露，润滑条件差，易磨损，用于低速简易设备的传动中闭式齿轮：齿轮完全封闭，润滑条件好半开式齿轮 有简单的防护罩一根据齿面硬度（hardness）:硬度：金属抵抗其它更硬物体压入其表面的能力；硬

2、度越高，耐磨性越好硬度检测方法：布氏硬度法（HBS）洛氏硬度法（HRC）软齿面齿面硬度 350HBS 或 350HBS或 38HRC二.齿轮传动的失效形式和设计准则齿轮传动的失效形式1）轮齿折断（Tooth breakage）疲劳折断齿根受弯曲应力-初始疲劳裂纹-裂纹不断扩展-轮齿折断2）过载折断短时过载或严重冲击，静强度不够全齿折断一齿宽较小的齿轮局部折断一斜齿轮或齿宽较大的直齿轮措施：增大模数（主要方法）、增大齿根过渡圆角半径、增加刚度（使载荷分布均匀） 采用合适的热处理（增加芯部的韧性）、提高齿面精度、正变位等。备注：疲劳折断是闭式硬齿面的主要失效形式!疲劳折断产生机理：齿面受交变的接触

3、应力 -齿面受交变的接触应力-润滑油进入裂纹并产生挤压-表层金属剥落-麻点状凹坑注意：凹坑先出现在节线附近的齿根表面上，再向其它部位扩展； 其形成与润滑油的存在密切相关；常发生于闭式软齿面（HBS W350）传动中；开式传动中一般不会出现点蚀现象（磨损较快）；措施：提高齿面硬度和质量、增大直径（主要方法）等 。3、齿面胶合产生机理:高速重载-摩擦热使油膜破裂-齿面金属直接接触并粘接 -齿面相对滑动-较软齿面金属沿滑动方向被撕落。低速重载-不易形成油膜-表面膜被刺破而粘着现象： 齿面上相对滑动方向形成伤痕措施：采用异种金属、降低齿高、提高齿面硬度(配对齿轮采用异种金属时，其抗胶合能力比同种金属强

4、)4、齿面磨损磨损后齿廓形状破坏，齿厚减薄是开式传动的主要失效形式措施：改善润滑和密封条件。齿面磨损5、齿面塑性变形机理：若齿面材料较软-且载荷及摩擦力很大-齿面金属会沿摩擦力的方向流动。现象：主动轮在节线附近形成凹沟；从动轮则形成凸棱措施：提高齿面硬度，采用油性好的润滑油。齿面塑性变形齿轮传动的设计准则(design criteria)主要针对轮齿疲劳折断和齿面疲劳点蚀这两种失效形式。齿轮工作时，要保证足够的齿根弯曲疲劳强度和齿面接触疲劳强度1、闭式软齿面 主要失效：疲劳点蚀先按sHWsHP算出齿轮主要尺寸，再校核 sFWsFP,即按接触疲劳强度设计，按接触 疲劳强度设计，校核弯曲疲劳强度2

5、、闭式硬齿面主要失效：轮齿折断先按sFWsFP算出齿轮的主要尺寸，再校核sHWsHP，按弯曲疲劳强度设计，校核接触疲劳强度3、开式齿轮主要是：齿面磨损其次是：轮齿折断按弯曲疲劳强度设计，不需校核接触疲劳强度，把模数增大10%左右考虑磨损的影响。齿轮材料、热处理及精度一、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、芯部韧三.齿轮材料、热处理及精度.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2、常用齿轮材料钢材韧性好，耐冲击，可通过热处理和化学处理

6、来改善其机械性能，最适于用来制造齿45钢最常用，经济、货源充足,中碳含金钢 35SiMn. 40MnB. 40Cr等 金属 J 低碳 合金钢 20Cr. 20CrMnTi等 材料“铸钢2G310-57CL 2G340-640等铸铁HT350、QT600-3 等非金属材料塑料、夹布胶木等非金属材料塑料、夹布胶木等3、热处理(heat treatment)软齿面调质用于中碳或中碳合金钢，如 45、40Cr、35SiMn 等。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

7、处理硬齿面表面淬火 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，能承受一定冲击载荷渗碳淬火 渗碳钢为含碳量0.15 %0.25% 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表面氮化一种化学处理方法。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.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

8、。注意：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：3050HBs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。4.齿轮传动的精度(accuracy)GB10095-88 将齿轮精度分为三个公差组：第I公差组 -反映运动精度，即运动的准确性；第n公差组 -反映工作平稳性精度； 第出公差组 反映接触精度，载荷分布的均匀性；第出公差组 反映接触精度，载荷分 布的均匀性。常用69级，且三个公差组可取不同等级；若3项精度相同，则记为：8- FL精度标注示例：8 -8 -7-FLn m i齿厚上偏差代

9、号齿轮副的侧隙:5.直齿圆柱齿轮传动的强度计算受力分析：设为标准齿轮，标准中心距安装，力集中作用在齿宽中点，忽略摩擦力。1）力的大小将主动轮的Fn在节点C处进行分解:圆周力1）力的大小将主动轮的Fn在节点C处进行分解:圆周力径向力:Fn = Fnhma 二。法向力:2）力的方向圆周力Ft:沿节点处的圆周方向（即切线方向），其指向：主动轮上与其转向相反，从动 轮上与其转向相同径向力Fr:沿半径方向指向各自轮心3）力的对应关系圆周力Ft、径向力Fr各自对应6、计算载荷n -F- = KF-名义载荷：c0st计算载荷：nc n,K:载荷系数载荷系数：K = KA* Kv *Ka* KbKA一考虑原动

10、机与工作机的工作特性振动、冲击KA见表3-1原动机工作机械的载荷特性均匀中等冲击较大冲击电动机1.01.21.2 /-1.61.6 -1.8多缸内燃机1.21.61.6 /-1.81.9 -2.1单缸内燃机1.61.81.8 /-2.02.2-2.4动载系数Kv考虑齿轮副本身的啮合误差，如制造误差造成两基节不等，齿形误差，轮齿变形等-附加动载荷精度J Kv T 速度T Kv T直齿圆柱齿轮 ： Kv =1.05 1.4 ;斜齿圆柱齿轮：Kv =1.021.2齿间载荷分配系数 Ka考虑制造误差及轮齿弹性变形，对于同时参与啮合的两对轮齿-载荷分配不等直齿圆柱齿轮： Ka =1-1.2 ;斜齿圆柱齿轮：Ka =1-1.4精度高取小值，反之取大值 齿向载荷分布系数 Kb考虑齿轮非对称布置、轴的变形 -载荷集中；轴的弯曲变形：齿轮随之偏斜，引起偏载不对称布置时，靠近轴承一侧受载大；悬臂布置时，偏载更严重轴的扭转变形:靠近转矩输入端的齿侧变形大，故受载大轴的弯曲、扭转变形的综合影响：若齿轮靠近转矩输入端布置，偏载严重；若齿轮远离 转矩输入端布