第6章齿轮传动(2.设计部分).ppt

1、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,硬齿面齿轮（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,蜗杆传动,动力齿轮,传动齿轮,按齿面硬度分,软齿面齿轮（齿面硬度350HBS）,以动力传输为主，常为高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6章 齿轮传动(设计部分）,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。,6.5 齿轮材料与制造,常用齿轮材料,锻钢,铸钢,铸铁,

2、常作为低速、轻载、不太重要的场合的齿轮材料；,适用于高速、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。 一般齿轮用碳素钢，重要齿轮用合金钢。,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

3、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。,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。,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

4、齿的场合，如内齿轮。材料为：38CrMoAlA.,5. 渗氮,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。,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

5、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3050HBS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；,6.8 轮齿的失效形式及设计准则,轮齿折断,一般发生在齿根处，严重过载突然断裂、疲劳折断。,一、轮齿的失效形式,失效形式,提高轮齿抗折断能力的措施： 1）增大齿根过渡圆角半径，消除加工刀痕，减小齿根应力集中；,2）增大轴及支承的刚度，使轮齿接触线上受载较为均匀；,3）采用合适的热处理，使轮齿芯部材料具有足够的韧性；,4）采用喷丸、滚压等工艺对，对齿根表层进行强

6、化处理。,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。点蚀首先出现在节线处，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。,齿面点蚀,6.8 轮齿的失效形式及设计准则,轮齿折断,失效形式,一、轮齿的失效形式,齿面点蚀,齿面胶合,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。当齿面向对滑动时，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,6.8 轮齿的失效形式及设计准则,轮齿折断,失效形式,一、轮齿的失效形式,齿

7、面胶合,齿面磨损,措施：1.减小齿面粗糙度,2.改善润滑条件，清洁环境,磨粒磨损,跑合磨损,跑合磨损、磨粒磨损。,齿面点蚀,轮齿折断,失效形式,一、轮齿的失效形式,3.提高齿面硬度,齿面胶合,齿面磨损,齿面点蚀,6.8 轮齿的失效形式及设计准则,轮齿折断,失效形式,齿面塑性变形,一、轮齿的失效形式,表面凸出,表面凹陷,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，按齿面接触疲劳强度设计、弯曲强度校核。,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

8、齿面齿轮传动，同时计算齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度,开式齿轮传动，只计算齿根弯曲疲劳强度。,6.9 渐开线圆柱齿轮传动的精度,GB10095.12001 GB10095.22001,渐开线圆柱齿轮精度：,GB100951988,锥齿轮：,GB113651989,圆柱齿轮精度制 GB/T 100952008,12个等级 1(高)12(低),一般机械常用：6、7、8级,不同等级不同的最高圆周速度,圆周力：,径向力：,法向力：,小齿轮上的转矩：,P为传递的功率（KW）,1-小齿轮上的角速度，,n1-小齿轮上的转速,d1-小齿轮上的分度圆直径，,-压力角,各作用力的方向如图,为了计算轮齿强度，设

9、计轴和轴承，有必要分析轮齿上的作用力。,6.10 标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算,一、轮齿受力分析,二、 齿轮传动的计算载荷,实际传动中由于原动机、工作机性能的影响以及制造误差的影响，载荷会有所增大（产生附加动载荷），且沿接触线分布不均匀（引起载荷集中）。,K为载荷系数，其值为：KKA Kv K K,Fn ： 轮齿所受的法向载荷，理论载荷，名义载荷。,式中：KA 使用系数,Kv 动载系数,K齿间载荷分配系数,K齿向载荷分布系数,KFn ： 计算载荷。,6.11 直齿圆柱齿轮的设计计算,齿面接触疲劳强度计算,齿根弯曲疲劳强度计算,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

10、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。,一、齿面接触疲劳强度计算,赫兹公式：,“+”用于外啮合，“-”用于内啮合,实验表明：齿根部分靠近节点处最容易发生点蚀，故取节点处的应力作为计算依据。,节圆处齿廓曲率半径：,齿数比: u= z2 /z1 = d2 /d1 = 2 /1 1,对赫兹公式进行简化，可得：,引入齿宽系数：,-节点区域系数,齿面接触疲劳强度校核公式：,得设计公式：,标准齿轮：ZE=2.5,模数m不能成为衡量齿轮接触强度的依据。,注意：因两个齿轮的H1= H2 ，故按此强度准则设计

11、齿轮传动时，公式中应代入H 1和H 2中较小者。,-材料的弹性系数 表67,-重合度系数,二、齿根弯曲疲劳强度计算,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。,齿根弯曲强度计算公式：,复合齿形系数 图620,重合度系数,注意：计算时取： 较大者，计算结果应圆整,一般 F1 F2,引入齿宽系数：d=b/d1,得设计公式：,在满足弯曲强度的条件下可适当选取较多的齿数，以使传动平稳。,代入： d1 = m z1,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

12、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。,三、齿轮传动的许用应力,-接触疲劳极限, 由实验确定,-接触疲劳强度安全系数,1 许用接触应力：,2 许用弯曲应力：,-弯曲疲劳极限, 由实验确定,-弯曲疲劳强度安全系数,四、直齿圆柱齿轮设计的步骤,选择齿轮的材料和热处理,选择齿数，选齿宽系数fd 初选载荷系数(如K=1.2),按接触强度确定直径d1 计算得mH=d1/z1,按弯曲强度确定模数mF,确定模数mt=maxmH ,mF,计算确定载荷系数K= KAKvKK,修正计算模数,m模数标准化 计算主要尺寸：d1=mz1

13、 d2=mz2 计 算 齿 宽： b=fd d1,确定齿宽：B2=int(b) B1= B2+(35)mm,开 始,6-12 斜齿圆柱齿轮传动的强度计算,一、轮齿上的作用力,圆周力：,径向力：,轴向力：,轮齿所受总法向力Fn可分解为三个分力 :,圆周力Ft的方向在主动轮上与运动方向相反，在从动论上与运动方向相同；径向力指向各自的轴心；轴向力的方向由螺旋方向和轮齿工作面而定。,长方体底面,长方体对角面即轮齿法面,F=Ft /cos,Fr = F tgn,dm是平均分度圆直径,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。,6.13 直齿圆锥齿轮传动,对轴交角为90的直齿锥齿轮传动：

14、,一、设计参数,大端参数为标准值，,锥距：,当量齿轮的锥距： Rm=R-0.5b,两个三角形相似,令fR=b/R为齿宽系数，设计中常取:,fR =0.250.35,当量齿轮分度圆直径：,当量齿轮的齿数：,当量齿轮的齿数比：,为了保证不根切，应有： Zv17,平均模数：,Ft的方向在主动轮上与运动方向相反，在从动论上与运动方向相同；,圆周力：,径向力：,轴向力：,轴向力Fa的方向对两个齿轮都是背着锥顶。,轮齿所受总法向力Fn可分解为三个分力 :,sin1=cos2,cos1=sin2,径向力指向各自的轴心；,当1+2 = 90 时，有：,Ft1 =Fa2,Fa1 =Ft2,于是有：,二、轮齿受力

15、分析,6-14 齿轮的结构设计,由强度计算只能确定齿轮的主要参数： 如齿数z、模数m、齿宽B、螺旋角b、分度圆直径d 等。,方法：经验设计为主 即在综合考虑齿轮几何尺寸，毛坯，材料，加工方法，使用要求及经济性等 各方面因素的基础上，按齿轮的直径大小，选定合适的结构形式，再根据推荐的经验数据进行结构尺寸计算。,齿轮结构设计的内容： 主要是确定轮缘，轮辐，轮毂等结构形式及尺寸大小。,其它尺寸由结构设计确定,一、概述,直径较小的钢质齿轮，当齿根圆直径与轴径接近时，可以将齿轮与轴做成一体，称为齿轮轴。否则可能引起轮缘断裂。,1. 齿轮轴,二、常见的结构形式,圆锥齿轮轴,圆柱齿轮轴,2. 实心齿轮,dh

16、=1.6 ds ; lh=(1.2.1.5) ds ,并使lh b c=0.3b ; =(2.5.4) mn ,但不小于8 mm d0和d按结构取定，当d 较小时可不开孔,3. 腹板式齿轮,3. 腹板式齿轮,dh=1.6 ds ; lh=(1.2.1.5) ds ,并使lh b c=0.3b ; =(2.5.4) mn ,但不小于8 mm d0和d按结构取定。,适用于中型尺寸的齿轮。,dh= 1.6 ds ; lh= (1.2.1.5) ds c= (0.20.3)b ; = (2.54) me ; 但不小于10 mm d0 和 d 按结构取定,3. 腹板式齿轮,dh=( 1.61.8) ds

17、 ; lh= (1.2.1.5) ds c= (0.20.3)b ; s=0.8c; = (2.54) me ; 但不小于10 mm d0 和 d 按结构取定,dh= 1.6 ds (铸钢) ; dh=1.6 ds (铸铁) lh= (1.2.1.5) ds ,并使lh b c= 0.2b ; 但不小于10 mm = (2.5.4) mn ,但不小于8 mm h1 = 0.8 ds ; h2 = 0.8 h1 ; s = 1.5 h1 ; 但不小于10 mm e = 0.8 ds ; h2 = 0.8 h1,4. 轮辐式齿轮,这种结构适用于大型尺寸的齿轮。,油池润滑,采用惰轮的油池润滑,喷油润滑,三 齿轮传动的润滑和效率,润滑方式：开式及半闭式或低速齿轮传动常采用人工定期润滑。可用润滑油或润滑脂。,闭式齿轮传动的润滑方式由圆周速度v确定。,当v 12 m/s时，采用油池润滑。,当