北工大机械设计基础教案11齿轮传动

PAGEPAGE9第11章齿轮传动基本内容：轮齿的失效形式；齿轮材料及热处理；齿轮传动的精度；直齿圆柱齿轮传动的作用力及计算载荷；直齿圆柱齿轮传动的齿面接触强度计算；斜齿圆柱齿轮传动；直齿圆锥齿轮传动；齿轮的构造；齿轮传动的润滑和效率。基本要求：掌握直齿圆柱齿轮、斜齿圆柱齿轮及圆锥齿轮的受力分析方法，掌握直齿圆柱齿轮强度计算过程及各基本参数选择的基本要求。学时：课堂教学：6学时。第一讲一、特点二、齿轮传动分类1、按齿轮的加工——标准齿轮传动——变位齿轮传动2、按齿轮传动工作条件分——闭式传动——开式传动3、按齿面硬度分——软齿面（≤350HB）——硬齿面（＞350HB）§11-1齿轮传动的失效形式一、轮齿折断二、齿面点蚀三、齿面胶合四、齿面磨粒磨损五、齿面塑性变形★计算准则由于理论上的原因，目前对于齿轮传动的强度计算一般只进行两种计算齿面接触疲劳强度的计算——以赫芝公式为理论依据齿根弯曲疲劳强度的计算——以路易士公式理论依据。第二讲§11-2齿轮材料及其热处理一、齿轮材料应具备的基本要求：1）齿面具有足够的硬度——以获得较高的抗点蚀、抗磨粒磨损、抗胶合和抗塑性流动的能力；2）有足够的弯曲疲劳强度——抵抗变载荷和冲击载荷的作用；3）具有良好的加工和热处理工艺性；4）价格较低。二、齿轮常用材料最常用的材料是钢，其次是铸铁，还有非金属材料。1．锻钢优质碳素钢：20、30、35、40、45合金钢：20Cr、20CrMnTi、38SiMnMo、40Cr、40MnB等——硬齿面齿轮（＞350HB）：可用整体淬火、表面淬火、渗碳淬火、渗氮和碳氮共渗等方法得到。——软齿面齿轮（≤350HB）：可由正火或调质得到。在工艺上经热处理后进行精切齿形。2．铸钢（铸造性能良好）常用的牌号为：ZG270—500～ZG340—640，或低合金铸钢ZG40Mn、ZG40Cr。3．铸铁（铸造性能良好）普通灰铸铁：常用牌号有HT200～HT350。球墨铸铁：常用牌号有QT500—7、QT600—3等。4．非金属材料常用非金属材料有：夹布胶木、塑料、尼龙等齿轮的常用材料及其力学性能见表。§11-3齿轮传动精度等级的选择在渐开线圆柱齿轮和锥齿轮精度标准（GB10095—88和GB11365—89）中，规定了12个精度等级，按精度高低依次为1～12级。根据对运动准确性、传动平稳性和载荷分布均匀性的要求不同，每个精度等级的各项公差相应分成三个组：第1公差组——反映运动准确性第Ⅱ公差组——反映传动平稳性第Ⅲ公差组——反映载荷分布均匀性标准中还规定了齿坯公差、齿轮副侧隙、图纸标注等内容。齿轮精度等级的选择应根据传动的用途、使用条件、传动功率、圆周速度等决定。表11．2为某些机器中常用的齿轮传动精度等级。第三讲§11-4直齿圆柱齿轮传动的作用力及计算载荷一、轮齿上的作用力分析忽略不计齿面间摩擦力，故该集中力为法向力Fn，沿啮合线方向垂直于齿面。在分度圆上，法向力Fn可分解为两个互相垂直的分力：——切于分度圆的圆周力（切向力）Ft；——指向半径方向的径向力Fr。其大小为：式中dl一小齿轮分度圆直径；α一分度圆压力角；T1一小齿轮传递的名义转矩。T=9.55×106×P/nN·mm——主动轮上的圆周力是阻力，其方向与回转方向相反；——从动轮上的圆周力是驱动力，其方向与回转方向相同；——径向力分别指向各轮轮心（内齿轮为远离轮心方向）二、计算载荷式中K——载荷系数；载荷系数K见表11－3Ftc——计算载荷。§11-5直齿圆柱齿轮传动的齿面接触强度的计算一、计算公式根据计算准则，由赫芝公式▲接触疲劳强度计算通常以节点为计算点。中的ρ和Fn用下式代入d1=2a/(u±1)一对钢制齿轮，E1=E2=2.06×105Mpa，μ1=μ2=0.3，压力角α=20°计入载荷系数K后，则得一对钢制标准齿轮齿面接触疲劳强度计算的校核式：令——齿宽系数其设计式为mm式中许用接触应力[σH]按下式计算[σH]=σHlim/SHσHlim——实验齿轮的接触疲劳极限，按图11—7查取SH——齿面接触疲劳安全系数，按表11—4查取齿轮传动的接触疲劳强度取决于齿轮的直径（或中心距）。第四讲§11-6直齿圆柱齿轮传动的弯曲强度计算根据计算准则：由路易士公式——抗弯截面系数W的确定：危险截面的位置可用30°切线法确定其W的计算式由《材料力学》：——计算依据：以齿根危险截面受拉一侧。——齿根最大弯矩M的计算：假设全部载荷作用于只有一对齿啮合时的齿顶。作用于齿顶的法向力Fn可分解为互相垂直的两个分力：FncosαF——使齿根产生弯曲应力σb和切应力τFnsinαF——使齿根产生压缩应力σC。弯曲应力起主要作用，其余影响很小，可忽略不计。则齿根的最大弯曲力矩为：计入载荷系数K，得齿根弯曲强度校核公式σF≤[σF]——校核式YF——齿形系数，其大小与齿数有关，与模数无关。查图11—9以代入，得设计公式mm——设计式许用弯曲应力[σF]按下式计算式中σFlim——试验齿轮的齿根弯曲疲劳极限，查图11－10；SF——轮齿弯曲疲劳安全系数，查表11－4。★直齿圆柱齿轮的设计方法：在齿轮传动设计时，应按主要失效形式进行强度计算，确定其主要尺寸，然后对其他失效形式进行必要的校核。——对于闭式软齿面齿轮传动，常因齿面点蚀而失效，故通常先按齿面接触疲劳强度设计式进行设计计算，并确定其主要尺寸，然后验算齿轮的弯曲疲劳强度。——对于闭式硬齿面齿轮传动，因其抗点蚀能力比较强，故可先按齿根弯曲疲劳强度的设计式进行设计计算，并确定其主要尺寸，然后验算齿面接触疲劳强度。——对于开式齿轮传动，其主要失效形式式磨损，一般不会发生齿面点蚀。鉴于目前对磨损尚无成熟的计算方法，故对开式齿轮传动通常只进行弯曲疲劳强度的计算，并确定其主要尺寸。第五讲习题课：直齿圆柱齿轮传动设计的一般步骤与参数的选择第六讲§11-7斜齿圆柱齿轮传动§11-8直齿锥齿轮传动§11-9齿轮结构齿轮结构型式主要由毛坯材料、几何尺寸、加工工艺、生产批量、经济等因素确定，各部分尺寸由经验公式求得。——对于齿数很少的小齿轮，当其分度圆直径d与轴的直径d。相差很小，d＜l．8d。时，可将齿轮和轴做成整体，称为齿轮轴。这样，轴和齿轮必须用同一种材料制造。——如果齿轮直径比轴的直径大得多，则不论是从制造还是从节约贵重材料的观点，都应把齿轮和轴分开。顶圆直径da≤500mm的齿轮，通常是锻造（重要的齿轮）或铸造的。锻造的齿轮一般采用圆盘式（腹板式）结构小的齿轮可做成实心的（无腹板）顶圆直径da＞400mm的齿轮常用铸铁或铸钢铸成。铸造齿轮常做成轮辐式的对于尺寸很大的齿轮，为节约贵重钢材，常采用齿圈套装于轮心上的组合结构。齿圈用较好的钢，轮心用铸铁或铸钢，两者用过盈联接，在配合接缝上加装4～8个紧定螺钉单件生产的大齿轮，可采用焊接结构。§11-10齿轮传动的效率和润滑一、齿轮传动的效率齿轮传动的功率损失主要包括1）齿廓啮合时的摩擦损失；2）润滑油被搅动的油阻损失；3）轴承中的摩擦损失。闭式齿轮传动的效率η为η=η1·η2·η3式中η1——考虑齿轮啮合损失时的效率；η2——考虑油阻损失时的效率；η3——轴承的效率。二、齿轮传动的润滑——润滑剂：油和脂——润滑方式：一般来说开式齿轮传动——脂润滑闭式齿轮传动——润滑方式主要取决于齿轮的圆周速度★圆周速度v≤12m／s～15m/s的齿轮传动：广泛采用油池润滑，自然冷却。浸入油中的齿轮深度以l～2个齿高为宜；速度高的还应该浅些，建议在0．7倍齿高左右，但至少为10mm；速度低的（0.5m/s～0．8