河科大机械零件教案第10章 齿轮传动

河北科技大学教案用纸PAGEPAGE12第15次课2学时上次课复习：链传动运动特性；链传动设计计算本次课题（或教材章节题目）：第10章齿轮传动§1～4失效、材料及计算载荷等教学要求：1）掌握齿轮传动的失效；2）掌握齿轮传动的材料及计算载荷等；重点：齿轮传动的失效难点：计算载荷教学手段及教具：多媒体或课堂讲授讲授内容及时间分配：1）齿轮传动的失效；30分钟 2）齿轮传动的材料;15分钟3)计算载荷等。45分钟课后作业参考资料《机械设计》谈家祯主编中国标准出版社《机械设计》董刚主编机械工业出版社注：本页为每次课教案首页第十章齿轮传动§10-1概述（与带和链传动相比）１．齿轮传动的特点（与带和链传动相比）缺点：1）有振动、冲击和噪声；缺点：1）有振动、冲击和噪声；2）无过载保护3）制造与安装精度高；4）须用专门设备制造。2）工作速度高；3）传动效率高；4）传动比恒定；5）寿命长；6）工作可靠；7）结构紧凑等。２．齿轮传动的分类⑴按工作条件分类闭式齿轮传动、开式齿轮传动、半开式齿轮传动⑵按齿轮齿面硬度分类软齿面齿轮、硬齿面齿轮§10-2齿轮传动的失效形式及设计准则（一）齿轮传动失效形式轮齿常见失效形式：⒈齿体失效：⑴轮齿折断；⑵齿体塑性变形⒉齿面失效：⑴齿面接触疲劳磨损（又称疲劳点蚀）；⑵齿面胶合；⑶齿面磨损；⑷齿面塑性变形①不同行业对齿轮传动的失效都有不同的判据。②一般齿轮的失效主要发生在轮齿，轮缘、轮幅和轮毂等部位很少失效。1、轮齿折断疲劳折断发生场合：闭式硬齿面齿轮传动、铸铁齿轮传动、开式齿轮传动防止措施：1）增大齿根过渡曲线的曲率半径；2）降低齿根表面粗糙度，对齿根进行喷丸或碾压强化处理；3）选用韧性较好的材料；4）采用合理的变位。2、齿面磨损产生原因：磨料磨损，使齿面出现沿滑动方向的相互平行的浅划痕防止措施：1）提高表面硬度；2）降低表面粗糙度；3）开式传动加防护罩；4）加强润滑；5）闭式传动在传动跑合后更换润滑油；6）采用变位齿轮传动，以降低滑动率。3、齿面接触疲劳磨损（又称疲劳点蚀）产生原因：疲劳点蚀有两类：a)收敛性点蚀；b)扩展性点蚀。齿面疲劳点蚀通常首先发生在节线附近靠近齿根处。齿面接触处接触应力反复作用。防止措施：1）提高齿面硬度；2）降低齿面粗糙度；3）采用变位齿轮；4）采用黏度较大的润滑油。4、齿面胶合产生原因：高速重载齿轮传动防止措施：1）采用角变位齿轮传动；2）提高齿面硬度；3）降低表面粗糙度；4）选用抗胶合性能好的齿轮副材料；5）采用粘度较大或加入具有抗胶合性能的极压添加剂的润滑油等。5、齿面塑性变形产生原因：齿面硬度低，在齿面间较大压力和滑动摩擦力大，使齿面材料屈服而发生塑性流动所致。多发生在低速重载的软齿面齿轮传动中。防止措施：1）提高齿面硬度；2）高粘度的润滑油；3）尽量避免频繁启动，减小过载。二、齿轮传动设计准则闭式齿轮传动：1）软齿面齿轮传动或小齿轮硬齿面大齿轮软齿面：按齿面疲劳强度进行设计，校核齿根弯曲疲老强度。2）硬齿面齿轮传动：按齿根弯曲疲劳强度进行设计，校核齿面接触疲劳强度开式齿轮传动：只按齿根弯曲疲劳强度进行设计计算，然后将计算的模数增大5%～15%。§10-3齿轮材料及其选择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。一、齿轮常用材料与热处理1、钢软齿面齿轮：软齿面齿轮的硬度低，承载能力受到限制，但其成本低、易加工制造。此类齿轮一般是先热处理，后进行切齿加工。工艺过程：轮坯→正火或调质→切齿→7、8级硬齿面齿轮：硬齿面齿轮硬度大，承载能力大，抗点蚀、胶合、磨损等性能好。在相同载荷条件下，尺寸比软齿面齿轮小的多；但成本较高。工艺过程：轮坯→切齿→表面硬化→磨齿2、铸铁灰铸铁：铸造、切削性能好，成本低，耐磨、抗胶合、抗震性能好，且噪声低。多在开式或低速、强度要求较低的传动中应用。球墨铸铁：具有较高的强度、一定的塑性和韧性，研究表明高强度钒钛球铁比优质碳素钢具有更好的抗磨和耐疲劳性能，轮齿弯曲强度也较高。3、铜合金及非金属材料铜合金主要用于高温或耐腐蚀性要求较高的场合；也用于精密仪器中强度、耐磨性要求较高的齿轮。主要有夹布胶木、尼龙等工程塑料；多用于高速轻载传动。该类材料具有重量轻、减震性好、噪声低等优点。但须注意，一对齿轮中只能一个采用非金属材料。二、齿轮材料的选择原则基本原则：在考虑齿轮可能出现的失效形式和保证承载能力的前提下，综合考虑其工艺性（毛坯种类、热处理方法和切齿加工条件等）和经济性（包括制造与使用两方面的经济性）。注意问题：为减小胶合的危险，并使大小齿轮具有相近的寿命，选择配对齿轮材料与热处理方法时，一方面大、小齿轮应尽可能选择不同材料或选用相同材料而热处理方法不同，并使二齿轮具有一定的硬度差，一般应使小齿轮较大齿轮硬度高20HBS～50HBS为宜。在该范围内，传动的齿数比越大，硬度差也越大；当齿数比大于5时，也可采用硬齿面小齿轮和软齿面大齿轮的配对方式。§10～4圆柱齿轮传动的计算载荷接触线单位长度上的最大载荷为：K为载荷系数，其值为：K＝KAKvKαKβ1、使用系数KA：①物理意义考虑齿轮系统外部因素引起的附加动载荷影响系数；②影响动载荷大小的因素主要取决于动力机、工作机的运转特性、联轴器类型、缓冲性能等；③取值方法参考表10－2。2、动载系数Kv：①物理意义考虑齿轮副制造、安装及啮合过程中因误差和运动速度而引起的内部附加动载荷的影响系数；②动载荷产生的原因及影响因素a)齿轮传动的制造、安装误差及轮齿啮合受载变形；b)啮合齿对刚度的变化。3、齿间载荷分配系数Ka：①物理意义：考虑同时啮合的各齿对间载荷分配不均匀性的影响而引入的系数；②产生原因及影响因素：齿间载荷分配不均的产生主要是由齿轮传动的基节误差和啮合过程中的综合刚度变化等引起；主要影响因素为轮齿啮合刚度、基圆齿距误差、修缘量、跑合量等。③取值方法一般不需要精确计算的齿轮和b≤30°的斜齿圆柱齿轮传动可根据其精度等级由表9-10查取。③减小动载荷的措施：采用修缘齿，即将轮齿的齿顶的一小部分齿廓曲线修成压力角a>20°的渐开线；但应特别注意的是，修缘量不可过大，否则会因重合度减小过多，致使动载荷不一定就相应减小，因此修缘量的选择应适当。④动载系数取值方法：一般齿轮传动可参考图9－6、根据齿轮精度等级进行选择。精密齿轮按GB/T3480－1998的相应方法确定。4、齿向载荷分布系数Kb：①物理意义考虑工作载荷沿齿轮接触线方向分布不均匀性的影响系数；②产生原因及影响因素齿轮传动工作时，由于轴的弯曲和扭转变形、轴承的弹性位移以及传动装置的制造和安装误差等原因，导致齿轮副相互倾斜及轮齿扭曲，最终造成轮齿沿接触线产生载荷分布的不均匀。其影响因素主要有齿轮在轴上位置的安排、轴承及支座的刚度等因素。③减小载荷分布不均的措施a)增大轴、轴承及支座的刚度；b)合理布置齿轮在轴上的位置；c)选择合理的齿轮宽度；d)提高齿轮传动的制造和安装精度；e)在一对齿轮中把一个齿轮的轮齿制作成鼓形齿等。④取值方法按图9-8选取。第16次课2学时上次课复习：失效形式及计算准则本次课题（或教材章节题目）：§5标准直齿圆柱齿轮的强度计算教学要求：1）掌握受力分析；2）掌握强度计算要点。重点：难点：教学手段及教具：多媒体或课堂讲授讲授内容及时间分配：1）受力分析；35分钟 2）强度计算要点。5５分钟课后作业参考资料《机械设计》谈家祯主编中国标准出版社《机械设计》董刚主编机械工业出版社注：本页为每次课教案首页§10～5标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算一、轮齿的受力分析力的大小：力的方向：圆周力的方向：主动轮与其转动方向相反，从动轮与其转动方向相同；径向力的方向：外齿轮指向其各自的圆心；对于内齿轮指向远离其圆心的方向；二、齿根弯曲疲劳强度计算强度条件：防止轮齿疲劳折断的强度条件为：sF≤[sF]最大弯曲应力计算点：齿顶处为应力计算点危险截面的确定：由光弹应力分析及实践证明，在众多的危险截面确定方法中，实际危险截面与霍德的30°切线法所得的截面位置最为接近，而且它不因载荷位置的变化而变化。故确定以此截面的计算应力为准。于是可得其力臂hF和齿根厚度SF。校核公式：计算公式：几点说明：1、i≠1，σF1≠σF2；2、材料、热处理不完全相同时[σF]1≠[σF]2；3、σF1≤[σF]1，σF2≤[σF]2；4、主要参数m，计算时取两者中大者；5、模数越大，轮齿弯曲疲劳强度越高；二、齿面接触疲劳强度计算强度条件：防止齿轮齿面出现疲劳点蚀的强度条件为：sH≤[sH]危险点：节点校核公式：计算公式：几点说明：1、σH1=σH2；2、材料、热处理不完全相同时[σH]1≠[σH]2；3、取[σH]1、[σH]2二者中小者作强度校核计算；4、主要参数d1（或中心距a）；5、中心距越大，齿面接触疲劳强度越高。第17次课2学时上次课复习：强度计算要点本次课题（或教材章节题目）：§6～7许用应力等、斜齿圆柱齿轮的强度计算教学要求：1）掌握许用应力等；2）掌握斜齿圆柱齿轮的强度计算。重点：斜齿圆柱齿轮的强度计算难点：教学手段及教具：多媒体课堂讲授讲授内容及时间分配：1）许用应力等；35分钟 2）强度计算要点。5５分钟课后作业10-2410-25参考资料《机械设计》谈家祯主编中国标准出版社《机械设计》董刚主编机械工业出版社注：本页为每次课教案首页§10～6齿轮传动的设计参数、许用应力与精度选择一、齿轮传动设计参数的选择1．压力角a的选择一般情况下取a=20°2．齿数的选择当d1已按接触疲劳强度确定时，则有：z1↑：m↓、齿高h↓、减小切削量、减小滑动率，抗弯曲疲劳强度降低重合度e↑、→传动平稳因此，在保证弯曲疲劳强度的前提下，齿数选得多一些好！一般情况下，闭式齿轮传动:z1=20~40开式齿轮传动:z1=17~20z2=uz13．齿宽系数fd的选择fd↑→齿宽b↑→有利于提高强度，但fd过大将导致Kβ↑二、齿轮传动的许用应力弯曲强度计算时：S=SF=1.25~1.50；σlim＝σFE；KN=KFN；接触强度计算时：S=SH=1.0；σlim＝σHlim；KN=KHN。三、齿轮精度等级的选择齿轮精度共分12级，1级精度最高，第12级精度最低。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。§10-7斜齿圆柱齿轮传动的承载能力计算一、斜齿圆柱齿轮传动的受力分析力的作用点：轮齿的节圆上径向力Fr：指向各自的轮心。轴向力Fa：在主动轮上采用左、右手法则进行判断。二、计算载荷三、齿轮齿根弯曲疲劳强度计算公式强度条件：防止轮齿疲劳折断的强度条件为：sF≤[sF]最大弯曲应力计算点：齿顶处为应力计算点校核公式：计算公式：几点说明：1、i≠1，σF1≠σF2；2、材料、热处理不完全相同时[σF]1≠[σF]2；3、σF1≤[σF]1，σF2≤[σF]2；4、主要参数m，计算时取两者中大者；5、模数越大，轮齿弯曲疲劳强度越高；四、齿面接触疲劳强度计算公式强度条件：防止齿轮齿面出现疲劳点蚀的强度条件为：sH≤[sH]危险点：节点校核公式：计算公式：几点说明：1、σH1=σH2；2、材料、热处理不完全相同时[σH]1≠[σH]2；3、取[σH]1、[σH]2二者中小者作强度校核计算；4、主要参数d1（或中心距a）；5、中心距越大，齿面接触疲劳强度越高。1、斜齿轮的[σ]H：斜齿轮接触线的强度取决于大、小齿轮。1）当[σ]H>1.23[σ]H2时，[σ]H=1.23[σ]H2；[σ]H2为较软齿面的许用接触应力。2）其它情况取σ]H=([σ]H1+[σ]H2)/2。2、螺旋角b的选择：螺旋角b太小，相对直齿圆柱齿轮的传动性能改善不明显；螺旋角b太大则轴先力较大，对轴和轴承的工作不利，还会增大轴及轴承尺寸。因此，对于斜齿轮一般取b＝8°～15°；对于认字齿轮可取大一些，b＝25°～35°。第18次课2学时上次课复习：斜齿圆柱齿轮强度计算要点本次课题（或教材章节题目）：§8～12直齿圆锥齿轮传动的强度计算教学要求：1）掌握受力分析；2）掌握直齿圆锥齿轮的强度计算。重点：受力分析、强度计算难点：受力分析教学手段及教具：多媒体或课堂讲授讲授内容及时间分配：1）受力分析；55分钟 2）强度计算要点。3５分钟课后作业10-3610-38参考资料《机械设计》谈家祯主编中国标准出版社《机械设计》董刚主编机械工业出版社注：本页为每次课教案首页§10-8标准圆锥齿轮传动的强度计算一、设计参数直齿锥齿轮传动是以大端参数为标准值，强度计算时，是以锥齿轮齿宽中点处的当量齿轮作为计算时的依据。二、直齿圆锥齿轮传动的受力分析力的作用点：齿宽中点节线处力的方向：1）圆周力与径向力与圆柱齿轮相同；2）其轴向力分别指向各自大端；3）Ft1＝-Ft2,Fr1=-Fa2,Fa1=-Fr2。三、齿根弯曲疲劳强度计算直齿锥齿轮的弯曲疲劳强度可近似地按齿宽中点处的当量圆柱齿轮进行计算。采用直齿圆柱齿轮强度计算公式，并代入当量齿轮的相应参数，得直齿锥齿轮弯曲强度校核式和设计式如下：校核公式：计算公式：上式中载荷系数K=KAKVKαKβ。KAKV取法与前者相同，KFα、KHα可取1，而KFβ＝KHβ＝1.5KHβbe。KHβbe为轴承系数，与齿轮的支承方式有关，表10-9。四、齿面接触疲劳强度计算校核公式：计算公式：§10-10齿轮的结构设计⒈齿轮结构设计应满足的要求与影响因素齿轮设计除需进行设计计算外，还需要进行齿轮结构设计，以决定齿轮轮缘、轮辐或辐板和轮毂的形状与尺寸。要