中科大机械制造与设计教案第52-53次课齿轮传动的失效形式精度、受力分析及计算载荷

课时授课计划第52次课【教学课题】§10-1齿轮传动的失效形式和计算准则§10-2齿轮的材料及热处理§10-3齿轮传动的精度【教学目的】：掌握齿轮传动的失效形式及计算准则。【教学重点及处理方法】：齿轮传动的失效形式及计算准则。处理方法：详细讲解【教学难点及处理方法】：计算准则处理方法：比较讲解【教学方法】:讲授法【教具】：三角板【时间分配】：引入新课5min新课80min小结、作业5min第52次课【提示启发引出新课】齿轮传动要求运转平稳且有足够的承载能力。在设计齿轮传动时，要根据工作要求，选定齿轮材料、齿面硬度及精度等级，计算轮齿承受的载荷与转速的大小。进而判断齿轮的失效形式，确定计算准则，进行强度的计算，确定传动参数和结构。【新课内容】§10-1齿轮传动的失效形式和计算准则一齿轮传动的失效形式轮齿折断机理：齿根的弯曲应力及应力集中，在多次的重复作用下，齿根圆角处会产生裂纹，裂纹扩展导致疲劳折断。当轮齿受到过载或冲击载荷时会发生过载折断。发生部位：齿根。防止措施：增大齿根圆角半径，提高齿面硬度，降低表面粗糙度。疲劳点蚀发生场合：润滑良好的闭式齿轮传动。机理：齿面的交变接触应力的多次的重复作用下，齿面节线附近会产生裂纹，裂纹中的润滑油在压力的作用下形成大的油压，加速裂纹扩展导致表面贝壳状的小片剥落。发生部位：节线附近。防止措施：提高齿面硬度，降低表面粗糙度，增大润滑油粘度，采用合理的变位。3齿面胶合发生场合：高速重载。机理：由于齿面间的压力大，瞬时温度高，润滑效果差，导致金属的直接粘连，当齿面作相对运动时，粘住的地方被撕破，从而在齿面上形成大面积的伤痕。发生部位：整个齿面。防止措施：提高齿面硬度，降低表面粗糙度，采用抗胶合能力强的润滑油和抗胶合性能好的齿轮副材料，采用合理的变位。4磨粒磨损发生场合：开式。机理：由于外界的硬颗粒进入啮合工作面，导致磨粒磨损。防止措施：采用闭式传动及润滑油的清洁和更换。5塑性变形发生场合：低速重载。机理：齿面较软的轮齿，载荷和摩擦力有很大时，在啮合过程中，齿面表层的材料就容易沿着摩擦力的方向产生塑性变形。发生部位：节线附近。防止措施：提高齿面硬度，增大润滑油粘度。二齿轮传动的设计准则闭式齿轮传动：通常以保证齿面接触疲劳强度为主。对于齿面硬度很高，齿心强度较低的齿轮，则以保证齿根弯曲疲劳强度为主。若两轮均为硬齿面，且硬度基本相同时，可视情况而定。开式齿轮传动：主要失效形式是齿面磨粒磨损和轮齿弯曲疲劳折断，通常只进行弯曲面疲劳强度计算。为补偿轮齿因磨损而产生的影响，可考虑适当加大模数。齿轮的轮圈、轮辐、轮毂等部位不进行强度计算。§10-2齿轮的材料及热处理一、常用的齿轮材料1、钢1）锻钢软齿面齿轮（HBS≤350）硬齿面齿轮（HBS>350）（2）铸钢2、铸铁灰铸铁：价格低廉，铸造性能、加工性能、减摩性能、抗点蚀和抗胶合性能均较好，但抗弯强度、耐冲击性和耐磨损性能较差，有自润滑作用，常用于轻载、低速、工作平稳的场合。球墨铸铁：有较高的力学性能，有时可用来替代铸钢。3、非金属材料一般用于高速、轻载的齿轮传动。它可以明显降低噪声。二、钢及其热处理表面淬火：一般用于中碳钢和中碳合金钢，齿面硬度可达52～56HRC，接触强度高，耐磨性好，能承受一定的冲击载荷。渗碳淬火：一般用于低碳钢和低碳合金钢，齿面硬度可达56～62HRC，接触强度高，耐磨性好，能承受冲击载荷。调质：一般用于中碳钢和中碳合金钢，齿面硬度可达220～260HBS，用于机械强度要求较高而齿面硬度要求不高的场合。正火：能消除内应力，细化晶粒，改善力学性能和切削性能，对机械强度要求不高的齿轮可用正火处理。渗氮：是一种化学热处理，渗氮后不再进行其它热处理，齿面硬度可达60～62HRC，齿变形小，用于难于磨齿的场合。§10-3齿轮传动的精度在国标GB10095-88和GB11365-89中，分别对圆柱齿轮和锥齿轮规定有12个精度等级，1级最高，12级最低，并根据对运动准确性、传动平稳性和载荷分布均匀性的要求不同，将每个精度等级的公差分成三组。精度等级圆周速度（v/m·s-1）应用直齿圆柱齿轮斜齿圆柱齿轮直齿锥齿轮6高精度≤15≤30≤9高速重载下工作的齿轮7精密≤10≤20≤6高速中载或中速重载下工作的齿轮8中等精度≤5≤9≤3一般机械中的齿轮9低精度≤3≤6≤2.5低速重载下工作的齿轮【小结】：齿轮传动的失效形式及计算准则的选择。【作业】：预习下一节。【后记】：课时授课计划第53次课【教学课题】§10-4齿轮传动的作用力及计算载荷【教学目的】：掌握齿轮传动的作用力及计算载荷【教学重点及处理方法】：齿轮传动的作用力及计算载荷处理方法：详细讲解【教学难点及处理方法】：力的方向处理方法：分析讲解【教学方法】:讲授法【教具】：三角板【时间分配】：引入新课5min新课80min小结、作业5min第53次课【提示启发引出新课】齿轮传动要求运转平稳且有足够的承载能力。在设计齿轮传动时，要根据工作要求，选定齿轮材料、齿面硬度及精度等级，计算轮齿承受的载荷与转速的大小。进而判断齿轮的失效形式，确定计算准则，进行强度的计算，确定传动参数和结构。【新课内容】§10-4齿轮传动的作用力及计算载荷一轮齿上的作用力下图，法向力可以分解成圆周力和径向力。圆周力：主动轮上与线速度方向相反，从动轮上与线速度方向相同。径向力：方向指向各自的轮心。因为两齿轮的轴线平行,所以Fn2=-Fn1Fr2=-Fr1Ft2=-Ft1式中：T1—小齿轮传递的转矩（Nmm）d1—小齿轮的分度圆直径（mm）α--分度圆压力角α=20°设计时，通常已知小齿轮传递的功率P1（KW）及其转速n1（r/min），故小齿轮传递的转矩T1=9.55×106P1/n1二计算载荷(1)内部因素引起Fn沿齿宽b载荷集中(2)外部因素引起附加动载荷.式中：：使用系数，考虑齿轮啮合时外部因素引起的附加动载荷影响的系数。它与原动机与工作机的类型与特性，联轴器类型等有关：动载系数，考虑齿轮制造精度、运转速度对轮齿内部附加动载荷影响的系数。：齿间载荷分配系数，考虑同时啮合的各对轮齿间载荷分配不均匀影响的系数。Kα分为KHα（按齿面接触疲劳强度计算时用的齿间