机械设计 第4章齿轮传动

1、第4章齿轮传动、教育基本要求、1 .了解齿轮传动的特征、分类2 .掌握齿轮传动的主要故障形式和设计标准3 .了解常用齿轮材料和热处理方法4 .掌握齿轮传动的受力分析、强度计算方法和主要参数的选择5 .了解齿轮传动润滑和齿轮结构。 重点和难点，齿轮传动的受力分析，强度计算。 机器中使用最广泛的传动形式之一。 4.1概要，4.1.1齿轮传动的特点，(1)效率高，(2)结构紧凑，(3)工作可靠，(4)齿轮比准确，(5)适用的速度和功率范围宽，(6)加工精度和安装精度高，制造时需要专用工具和设备，所以成本高(7)两轴的中心间距离大时请勿使用。4.1.2齿轮传动的分类、4.2齿轮传动的故障形式和设计标准

2、、4.2.1齿轮传动的故障形式、4.2.2设计标准、在设计齿轮时所依据的设计标准取决于齿轮的故障形式。 软齿面闭式齿轮传动中，由于齿面的点蚀常发生故障，通常以齿面接触疲劳强度设计，检查齿底弯曲疲劳强度。 硬齿面闭式齿轮传动由于齿面接触负荷能力高，通常按齿底弯曲疲劳强度来设计，检查齿面接触疲劳强度。 开放式齿轮传动：以齿底弯曲疲劳强度设计，检查齿面接触疲劳强度。 短时间过载：在上述计算标准的基础上，进行静强度计算。 高速大功率：在上述设计标准的基础上，进行防粘计算。 4.3齿轮常用材料，4.3.1常用齿轮材料，齿轮齿体要求高耐折裂能力，齿面要求强耐点蚀，耐磨和高耐粘接能力，即齿面硬，芯部要求强韧

3、，加工技术性能和热处理性能良好。 最常用的材料是钢，其次是铸铁、非金属材料。 钢：很多钢材经过适当的热处理和表面处理，可以成为常用齿轮材料的铸铁：低速、轻负荷、不太重要时常用的非金属材料：适用于要求高速、轻负荷、降噪的情况。 4.3.2齿轮热处理，1 .调质或淬火2 .整体淬火3 .表面淬火4 .渗碳淬火5 .氮化，4.3.3齿轮材料的选择原则，要满足工作条件的要求，必须考虑齿轮尺寸的大小、坯料成形方法和热处理和制造工艺淬火碳钢只能用于制作负荷平稳或轻度冲击下工作的齿轮，不能承受大冲击负荷的调质碳钢可以用于制作中冲击负荷下工作的齿轮。 合金钢常用于制造高速重负荷、冲击负荷下工作的齿轮，飞行中的

4、齿轮传动要求齿轮尺寸尽可能小，必须采用表面硬化处理的高强度合金钢。 为了增强航空齿轮的齿底弯曲疲劳强度和齿面接触疲劳强度，我国航空齿轮规定了=25的标准压力角，但压力角增加，并不一定有利于传动。 对于重叠度接近2的高速齿轮传动，推荐使用ha*=11.2、=1618的齿轮。 以节点c处的啮合力为分析对象，忽略啮合齿轮间的摩擦力，、4.4直齿圆柱齿轮传动的受力分析和计算负荷，式中： t1-小齿轮上的扭矩(N.mm) d1小齿轮的分度圆直径(mm) 。 主要作用于从动齿轮的各对力大小相等，方向为逆圆周力Ft :驱动轮与运动方向相反，从动轮与运动方向相同的径向力Fr :两轮都从作用点朝向轮心。 4.4

5、.2计算负荷，齿轮传动实际工作时，原动机和机床的工作特性不同，会产生附加负荷。 齿轮、轴、轴承的加工、安装误差、弹性变形会引起负荷集中，增加实际负荷。计算载荷用符号表示，k是载荷系数。、1 .工作状况系数、工作状况KA是考虑了齿轮啮合的外部因素引起的附加动负荷的影响的系数。 影响PS的因素：原动机和机床的动作特性。 2 .动载荷系数、动载荷系数k考虑了齿轮的制造精度、运转速度等齿轮的齿的内部因素引起的附加的动载荷影响系数。 影响k的主要因素有，基节和齿形误差引起的传动误差、节线速度和齿轮的啮合刚性等。 瞬时齿数比，此时为换齿冲击，瞬时齿数比，此时为咬入冲击，3 .齿方向载荷分布的不均匀系数，齿

6、方向载荷分布系数k考虑齿宽方向的载荷分布的不均匀对齿轮的齿轮应力的影响系数，影响k的主要原因是齿轮的制造和安装误差，齿轮，轴和机体的刚性，对齿轮轴上的轴承的4 .啮合齿对间负荷分配系数、齿间负荷分配系数k是考虑了同时啮合的各对齿轮的齿轮负荷分配的不均匀对齿轮的齿轮应力的影响的系数。 影响k的主要原因有齿轮的制造误差，特别是螺距的偏差、齿轮的啮合刚性、重叠度和啮合情况等。4.5.1齿面接触疲劳强度计算、直齿圆柱齿轮强度计算3、4.5直齿圆柱齿轮传动的强度计算、赫兹应力计算式、直齿圆柱齿轮强度计算3、节点啮合时，接触应力大，因此将节点作为接触应力计算点。 节点处的综合曲率半径：法线计算负荷：接触线

7、长：重叠度系数：端面重叠度：弹性系数：节点区域系数：齿宽系数：直齿圆柱齿轮齿面接触疲劳强度的检查式：齿宽系数、齿面接触强度设计式和检查式适用了一些说明：(1) (2)由于两齿轮的材料、热处理方法不同，其容许应力一般不同，计算时取两者中较小的值。 (3)齿轮传动的接触疲劳强度取决于中心距离和齿轮的分度圆直径。 (4)取大齿轮的齿宽，补偿组装和调整时的大、小齿轮的轴向位置偏移，保证齿轮的齿接触宽度，取小齿轮的齿宽，重叠度系数，齿形系数：齿底弯曲强度检验式，齿底弯曲强度的设计式，齿底弯曲强度设计式和检验式的几点说明由于弯曲应力与齿数有关，所以啮合齿轮的齿数不同(2)由于两齿轮的材料热处理方法不同，其

8、允许应力与一般不同。 (3)按牙根弯曲强度设计时，代入和大的一方，检查牙根弯曲强度时，和也必须满足。 (4)牙根弯曲应力的大小主要取决于模块。 计算模数时，应该取标准值，对于传递动力的齿轮，模数不能太小，必须一般使用。、4.5.3直齿圆柱齿轮的参数，精度选择和容许应力，1 .设计参数的选择，1 )齿数比，齿数比，单级闭式传动，通常以上的传动。 在单级开闭传动或手动、一般取而代之，需要更大的齿轮比的情况下，可以采用二级或二级、2 )齿数，一般优选用于软齿面闭合传动，在硬齿面闭合传动或开闭传动中，齿数的增加是有利的：(1)重合减小滑动系数，提高传动效率(3)减小坯料外径，减少齿轮质量(4)减少切削

9、量，延长工具寿命，减少加工工时等。 3 )齿宽系数、齿宽系数越大，齿轮越宽。齿宽系数越大，中心距离和系数越小，径向尺寸越小，齿轮的圆周速度越小。但齿宽过宽，沿齿方向的载荷分布的不均匀度越大。4 )根据中心距离、装载能力的要求计算后，尽量舍入为整数，最佳位数为“0”或“5”。 2 .齿轮传递的精度，1 )精度等级，(1)运动精度是指传递运动的精度。 (2)工作稳定性的精度是指齿轮传递的稳定度、冲击、振动及噪音的大小。 (3)接触精度是指啮合齿面沿着齿宽和齿高实际接触的程度(影响载荷分布的均匀性)。 选择精度等级时，根据齿轮传动的用途、动作条件、传动功率和圆周速度的大小、其他技术要求，以主要的精度

10、要求作为选择的依据。 3、允许接触应力、允许接触应力通过下式计算：齿轮材料的接触疲劳极限、接触疲劳强度计算的寿命系数、接触疲劳强度安全系数、寿命系数时，其应力循环次数有以下两种：载荷不稳定时、 齿轮每转一周，相同侧齿面的啮合次数，齿轮的转速，齿轮的设计寿命，长周期作用的最大扭矩，是第一周期，指数，4 .允许弯曲应力，允许弯曲应力的计算式，齿轮的齿底曲弯曲疲劳强度计算的寿命系数，尺寸系数，即弯曲疲劳强度安全系数，4.6斜齿圆柱齿轮传动强度计算，4.6.1斜齿圆柱齿轮传动的受力分析，1 .各力的大小，节圆螺旋角，与标准斜齿轮的圆螺旋角啮合2 .力的方向、圆周力和径向力的方向的确定与正齿轮传动相同。

11、 推力的方向与驱动轮或从动轮、轮的转向、齿轮齿轮的旋转方向有关。 判断推力方向的钥匙通过决定齿轮的工作面，总是指着工作面。 也可以用主动轮的左、右法则来判定。 左旋转齿轮是左手，右旋转齿轮是右手，判定时四指的方向与齿轮的方向相同，大拇指的方向是齿轮受到的轴向力的方向。 从从动轴朝向力的方向与驱动轮相反。 斜齿轮传动中的轴力随着螺旋角的增大而变大，所以角不要太大，但角太小，失去了斜齿轮传动的优势。 因此，在设计中一般设定=8O20O。 4.6.2斜齿圆柱齿轮齿面接触疲劳强度计算、赫兹应力计算式、直齿圆柱齿轮强度计算3、节点处的综合曲率半径：法线计算负荷：接触线长：重叠度系数：接触线长变化系数、纵

12、向重叠度：例如， 斜齿圆筒齿轮齿面接触疲劳强度检查式、节点区域系数：斜齿圆筒齿轮齿面接触疲劳强度设计式、4.6.3斜齿圆筒齿轮齿根弯曲疲劳强度设计式、斜齿圆筒齿轮弯曲疲劳强度设计式、重叠度系数、应力校正系数为当量齿数，齿形系数为当量齿数，螺旋角影响系数当时根据计算。纵向重叠度，此时根据计算。4.7正齿轮传动、4.7.1几何参数、齿宽系数、4.7.2齿轮的受力分析、各力的大小为各力的方向，主动伞齿轮的径向力与从动伞齿轮的轴向力的大小相等，方向相反的主动伞齿轮的轴向力与从动伞齿轮的径向力的大小驱动锥齿轮的周力与旋转方向相反，从动锥齿轮的周力与旋转方向相同。4.7.3利用正齿轮的齿面接触疲劳强度的计

13、算、正齿轮的接触疲劳强度的计算公式，对正齿轮的齿面接触疲劳强度的检查公式、因此，正齿轮的齿面接触疲劳强度的检查公式、正齿轮的齿面接触疲劳强度的设计公式， 4.7.4计算正齿轮的齿底弯曲疲劳强度正齿轮的齿底弯曲疲劳强度检查式，正齿轮的齿底弯曲疲劳强度设计式，齿轮传动效率，齿轮传动中的功率损失主要包括：1)啮合中的摩擦损失；2 )润滑油被搅拌的油阻力损失；3 )轴承中的摩擦损失。 4.8齿轮传动的效率，润滑和结构，齿轮传动的效率1-啮合中的效率损失2-润滑油被搅拌的油阻力损失3-轴承的摩擦损失，满载时，采用滚动轴承的齿轮传动，平均效率如表4-12所示。 1 .润滑剂的选定是在选定润滑油时，根据齿轮的动作条件和圆周速度，从表4-13中调查运动粘度值，根据选定的粘度值决定润滑油的品种。 4.8.2齿轮传动的润滑，2 .润滑方式，a )油浸润滑，b )喷油润滑，4.8.3齿轮结构，1 .齿轮轴，a )圆筒齿轮轴，b )伞齿轮轴，齿底圆径和轴径之差小的齿轮，或从键槽底面到齿底的距离e过小(例如圆筒齿轮2 .实体齿轮、齿顶圆直径的齿轮采用