第10章齿轮传动.ppt

1、第10章 齿轮传动,10-2、 轮齿的失效形式及设计准则,10-3、 齿轮材料及选用原则,10-6、 齿轮传动的设计参数、许用应力与精度选择,10-4、 齿轮传动的计算载荷,10-5、 标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算,10-8、 标准直齿圆锥齿轮传动的强度计算,10-10、齿轮的结构设计,10-11、齿轮传动的润滑,10-1、 概述,10-7、 标准斜齿圆柱齿轮传动的强度计算,1 概述,齿轮传动是机械传动中应用最广泛的一种传动形式。,已达到的水平：,P1105kW,v300m/s,D33m,n105r/min,一、主要特点,优点：,1）效率高(0.980.99)； 2）工作可靠，寿命长； 3）

2、结构紧凑，外廓尺寸小； 4）瞬时i 为常数。,缺点：,2）精度低时，振动、噪音大；,3）不适于中心距大的场合。,1）制造费用大，需专用机床和设备；,二、分类,1、按两轴线位置分,2、按工作条件分（失效形式不同）,开式传动：低速传动，润滑条件差，易磨损； 半开式传动：装有简单的防护罩，但仍不能严密防止杂物侵入； 闭式传动：齿轮等全封闭于箱体内，润滑良好，使用广泛。,3、按齿面硬度分（失效形式不同）,软齿面：HB350； 硬齿面：HB350。,2 轮齿的失效形式,轮齿折断,失效形式,一、轮齿的失效形式,2 轮齿的失效形式,轮齿折断,失效形式,齿面点蚀,2 轮齿的失效形式,轮齿折断,失效形式,齿面点

3、蚀,齿面胶合,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,4.加抗胶合添加剂,2 轮齿的失效形式,轮齿折断,失效形式,齿面点蚀,齿面胶合,齿面磨损,措施：1.减小齿面粗糙度,2.改善润滑条件,磨粒磨损,跑合磨损,2 轮齿的失效形式,轮齿折断,失效形式,齿面点蚀,齿面胶合,齿面磨损,齿面塑性变形,相对滑动速度,1、 软齿面（HBS350)闭式齿轮传动，主要失效形式是齿面点蚀，故先按齿面接触疲劳强度设计，再校核齿根弯曲疲劳强度,、硬齿面（HBS350)闭式齿轮传动，主要失效形式是轮齿折断，故应先按齿根弯曲疲劳强度设计，再校核齿面接触疲劳,开式齿轮传动或铸铁齿轮，主要失效形式是

4、轮齿折断、磨粒磨损，仅按齿根弯曲疲劳强度设计，考虑磨损的影响可将模数加大10%-20%,二、设计准则,闭式传动,毛坯 热处理 切齿（成品）（7、8、9级）,毛坯 切齿 热处理 精加工 （成品）（6级以上）,开式传动,过载折断 齿面塑变,短期过载传动,3 齿轮材料及选用原则,一、材料要求,表面硬、芯部韧、较好的加工和热处理性能,二、常用材料,锻钢、铸钢、铸铁、非金属材料,1、锻钢,1）软齿面齿轮 HB350,中碳钢：40、45、50、55等,中碳合金钢：40Cr、40MnB、20Cr,特点：齿面硬度不高，限制了承载能力，但易于制造 成本低，常用于对尺寸和重量无严格要求的场合。,加工工艺：锻坯加工

5、毛坯热处理（正火、调质 HB160300）切齿 精度7、8、9级。,2）硬齿面：HB350,低碳、中碳钢：20、45等,低碳、中碳合金钢：20Cr、20CrMnTi、20MnB等,特点：齿面硬度高、承载能力高、适用于对尺寸、重量有较高 要求的场合（如高速、重载及精密机械传动）。,加工工艺：锻坯加工毛坯切齿热处理（表面淬火、 渗碳、氮化、氰化）磨齿（表面淬火、渗碳）。 若氮化、氰化：变形小，不磨齿 。 专用磨床，成本高，精度可达4、5、6级。,2、铸钢,用于d400600mm的大尺寸齿轮；不重要的，批量生产的齿轮。,3、铸铁,4、非金属材料,2、中低速、中低载齿轮传动：大、小齿轮齿面有一定硬度差

6、， HB1=HB2+（2050）。,三、材料的选择原则,1、按不同工况选材。,1）使大、小齿轮寿命接近； 2）减摩性、耐磨性好； 3）小齿轮可对大齿轮起冷作硬化作用。,3、有良好的加工工艺性，便于齿轮加工。,1）大直径d400 用ZG 2）大直径齿轮：齿面硬度不宜太高，HB200，以免中途换刀,4、材料易得、价格合理。,10-4、齿轮传动的计算载荷,强度计算所用的载荷，用齿面接触线上，单位长度所受载荷：,实际传动中：,计算时，按接触线上单位长度的最大载荷（计算载荷）：,公称法向载荷,接触线长, 原动机、工作机性能的影响 制造误差（基节、齿形）影响,载荷系数,（一）使用系数KA（表10-2）,考

7、虑齿轮啮合时，外部因素引起的附加载荷的影响系数。,（二）动载系数KA（图10-8）,考虑齿轮制造误差、运转速度、轮齿刚度变化引起的附加动载荷的影响系数。,分析：,齿轮的制造误差（基节、齿形） 轮齿刚度变化（从单到双啮合区）,19,B1进入接触时, 2齿已压入1齿廓 2齿顶部修缘,B1进入接触时, 1齿已压入2齿廓 1齿顶部修缘,20,（三）齿间载荷分配系数K（表10-3）,接触线总长: L=QQ+RR,但由于齿距误差及弹性变形：,21,（四）齿向载荷分布系数K（表10-4）,受力变形,制造误差,安装误差,轴、轴承、支座,改善措施：,1）增大轴、轴承及支座的刚度；,5）轮齿修形（腰鼓齿）。,4）

8、尽可能避免悬臂布置；,3）适当限制轮齿宽度；,2）对称轴承配置；,5 直齿圆柱齿轮传动的强度计算,一、轮齿受力分析,圆周力：,径向力：,法向力：,小齿轮上的转矩：,各作用力的大小：,各作用力的方向：,Ft 主反从同,Fr 在作用点沿向直径方向指向自己的轮心,二、直齿圆柱齿轮传动的弯曲强度计算,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。,弯曲力矩： M=KFnhcos ,危险界面的弯曲截面系数：,弯曲应力：,危险截面：齿根圆角30 切线两切点连线处。,齿顶受力：Fn，可分解成两个分力：,F1 = Fn cos F2 = Fn sin,-产生弯曲应力；,-压应力，小而忽略。

9、,h和S与模数m相关(成正比），故YFa与模数m无关，而与齿形有关,如齿数、齿顶高系数等。,引入应力修正系数Ysa，则轮齿弯曲强度计算公式：,弯曲应力：,对于标准齿轮, YFa仅取决于齿数Z，取值见表10-5。,YFa 齿形系数,其值随模数m的增大而减小,引入齿宽系数： d=b/d1,得设计公式：,三、直齿圆柱齿轮传动的齿面接触强度计算,由弹性力学可知，应力为：,式中 E1、 E2 分别为两 圆柱体的弹性模量。,1，2分别为两圆柱体的曲率半径。,b -接触长度;,“+”用于外接触， “-”用于内接触。,Fn -作用在圆柱体上的载荷;,赫兹公式：,“+”用于外啮合，“-”用于内啮合,节圆处齿廓曲

10、率半径：,齿数比: u= z2 /z1 = d2 /d1 1,得 :,中心距 : a=(d2 d1)/2,或 : d1 = 2a /(u 1),= d1(u 1)/2,为区域系数,引入载荷系数K，则有：,在节点处，载荷由一对轮齿来承担：,其值随d1的增大而减小,引入齿宽系数：d=b/d1,得设计公式：,模数m不能成为衡量齿轮接触强度的依据。,试算,d1t(或 mt）, KV、K、K从而计算K,假设载荷系数Kt,7 标准斜齿圆柱齿轮传动的强度计算,直齿轮：啮合线啮合面,啮合点接触线，即啮合面与齿廓曲面的交线。,啮合特点: 沿齿宽同时进入或退出啮合。突然加载或卸载，运动平稳性差，冲击、振动和噪音大

11、。,斜直线KK的轨迹斜齿轮的齿廓曲面,螺旋线渐开面,b 基圆柱上的螺旋角,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 :,F=Ft /cos,Fr = F tgn,圆周力：,径向力：,轴向力：,大小：,方向：,Ft 主反从同,Fr 在作用点沿向直径方向指向自己的轮心,Fa 主动轮左右手法则：左旋用左手，四指为轮回转方向，大拇指为轴向力的方向,二、强度计算,（一）计算载荷,斜齿轮端面重合度（图10-26）,L啮合轮齿接触线总长,直齿：齿宽,斜齿：接触线长度之和,弯曲强度按轮齿局部折断计算比较复杂。,按法面内当量直齿圆柱齿轮计算，并考虑斜齿轮特点：计入螺

12、旋角对弯曲强度的影响。,螺旋角影响系数（图10-28）,端面重合度 （图10-26）,齿形及应力校正系数 （按当量齿数查）,（验算式）,（设计式）,（二）齿根弯曲疲劳强度计算,(三)齿面接触疲劳强度计算(按节点处法面内的当量直齿圆柱齿轮进行计算）,斜齿轮齿面接触强度仍按赫芝公式计算：,按法面曲率半径带入:,校核公式：,节点区域系数 （图10-30）,设计公式：,求得分度圆直径之后，可选定齿数Z1、Z2和螺旋角，则模数mn为：,计算所得模数mn,圆整为标准值。,若给定模数mn,则螺旋角为：,通常螺旋角: =8 20,人字齿轮取: =15 40,8 计圆柱齿轮时主要参数的选取,1.一般F1 F2(

13、因为YFa1Ysa1 YFa2Ysa2）， F1 F2,一.公式讨论,计算m时取 、 较大者，计算结果应圆整,且传递动力时，m 1.5,2. H1 = H2， 一般H1 H2,计算d1时取 H =minH1 ， H2 ,许用应力：,二齿数z1和模数m,软齿面闭式传动的承载能力主要取决于齿面接触疲劳强度，故齿数宜选多些，模数宜选小些，从而提高传动的平稳性。推荐取z1=2040。,中心距a一定时，齿数Z ，重合度，运动平稳性,Z Zmin,硬齿面闭式传动及开式传动的承载能力主要取决于齿根弯曲疲劳强度，故模数宜选大些，齿数宜选少些，从而控制齿轮传动尺寸不必要的增加。推荐取z1=1720。,传递动力的

14、齿轮，模数m 2mm。,模数m ，则F 。当d一定时，由d=mz知， 若m ，则Z ，使重合度 ，导致平稳性，同时ha ，易产生胶合。故在满足弯曲疲劳强度的条件下，取较小模数值。,三齿宽系数d和齿宽b,轮齿越宽，承载能力越高，故轮齿不宜过窄，但齿宽太大，载荷沿齿宽方向分布的均匀性降低，因此齿宽系数应取得适当。,为防止两齿轮因装配引起的轴向错位而导致啮合齿宽减小，常取b=b2= dd1，而b1=b2+(510)mm。,例题：,1）为使1、2轮正确啮合，确定轮2 的螺旋角方向； 2）为使轴上的轴向力尽量小，试确定3、4轮的旋向。 3）标出3、4轮所受各分力。, 8 直齿圆锥齿轮传动,齿廓：球面上的

15、渐开线,齿廓在背锥上的投影近似代替球面上的渐开线,以锥齿齿宽中点的当量齿轮作为强度计算依据。,对轴交角为90的直齿锥齿轮传动：,（一）设计参数,以大端参数为标准值，,令R=b/R为齿宽系数，设计中常取: R=0.25-0.35,当量齿轮各参数：,当量齿数：,当量齿轮齿数比：,平均模数：,分度圆直径,(二) 轮齿受力分析,Fr：指向各自轮心,Fa：小端指向大端,(三)齿根弯曲疲劳强度计算,一对直齿圆锥齿轮传动与其当量齿轮的强度近似相等。可直接套用直齿轮的计算公式，代入当量齿轮参数。,载荷系数KKA Kv K K,KA 表10-2,Kv 图10-8，速度按vm, 精度按比直齿轮低一级取。,K KH

16、= KF=1,K KFKF1.5KFbe,（四）齿面接触疲劳强度计算,综合曲率为：,利用赫兹公式：,校核公式：,设计公式：,直齿锥齿轮的齿面接触疲劳强度，仍按齿宽中点处的当量直齿圆柱齿轮计算。,9 齿轮的构造,齿轮轴,油池润滑,采用惰轮的油池润滑,喷油润滑,10 齿轮传动的润滑,开式齿轮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v 12 m/s时，采用油泵喷油润滑。,理由：1)v过高，油被甩走，不能进入啮合区；,2)搅油过于激烈，使油温升高，降低润滑性能；,3)搅起箱底沉淀的杂质，加剧轮齿的磨损。,齿轮传动的损耗