第10章 齿轮传动(第10章).ppt

1、1,齿轮传动,第10章,2,10.1 概述,齿轮传动是机械传动中应用最广泛的一种传动型式。而且历史悠久，我国西汉时所用的翻水车，三国时所造的指南针和晋朝时所发明的记里鼓车中都应用了齿轮机构。 现代生产和生活中，齿轮的应用更为广泛：机械钟表、大多数机床的传动系统、汽车的变速箱、精密电子仪器设备（光盘驱动器、录音机等）。 功能：主要用来传递两轴间的回转运动，还可以实现回转运动和直线运动之间的转换。,3,1.1 齿轮传动的分类 从使用要求分：传动齿轮和动力齿轮； 从齿廓曲线来分：渐开线齿轮传动和非渐开线齿轮传动； 从轮体外形分：圆柱齿轮传动和圆锥齿轮传动 从工作条件分： 开式齿轮传动：如水泥搅拌机齿

2、轮、卷扬机齿轮 半开式齿轮传动：具有简易防护罩。 闭式齿轮传动：汽车变速箱、机床主轴箱齿轮，减速器齿轮等。 开式传动：润滑差，常用于低精度、低速传动； 闭式传动：齿轮置于封闭严密的箱体内，精度高。润滑及防护条件好。,4,内啮合齿轮传动,圆锥齿轮传动,人字齿轮传动,斜齿轮传动,5,矿石球磨机,6,齿轮传动的特点： 1、优点：与带、链传动比较,齿轮传动具有工作可靠、使用寿命长、传动比为常数（包括瞬时传动比及平均传动比）、传动效率高、结构紧凑、传递功率与速度范围广。 2、缺点：齿轮加工需要专用机床、成本较高、精度等级低时工作中的振动与噪声较大、不适用于中心距大的场合。,7,圆柱齿轮传动的主要参数、精

3、度选择,主要参数：模数m、齿数z、传动比i、 齿数比u、中心距a、变位系数x。,8,齿轮精度（1级）,766 G M GB1009588,齿厚下偏差,第公差组精度（平稳性精度）,第公差组精度（接触精度）,齿厚上偏差,第公差组精度（运动精度）,9,10.2 齿轮传动的失效方式,1.轮齿折断 原因： 齿根弯曲应力大； 齿根应力集中,10,1、轮齿折断,疲劳折断,过载折断,全齿折断常发生于齿宽较小的直齿轮,局部折断常发生于齿宽较大的直齿轮，和斜齿轮,措施：选用合适的材料及热处理方法，使齿根芯部有足够的韧性；采用正变位齿轮以增大齿根的厚度；增大齿根圆角半径，消除齿根加工刀痕；对齿根进行喷丸、碾压等强化

4、处理； 提高齿面精度、增大模数等,为了防止轮齿过早发生疲劳折断，应使齿根弯曲应力FF,11,.轮齿折断,12,2.齿面点蚀,原因 在靠近节圆的齿根面上，此时只有单对齿啮合，接触应力较大 相对滑动速度较低，不易形成润滑油膜，接触强度低； 润滑油渗入到由接触疲劳产生的微裂纹中，裂纹扩展，引起表面金属脱落，形成凹坑。 小裂纹-扩展-脱落-凹坑 。,13,2、齿面疲劳点蚀,强度计算：HH,14,点蚀常发生于闭式软齿面（HBS350）传动中,点蚀的形成与润滑油的存在密切相关,点蚀常发生于偏向齿根的节线附近,开式传动中一般不会出现点蚀现象,措施：提高齿面硬度和齿面质量、增大直径，提高润滑油粘度。,15,3

5、.齿面磨粒磨损,磨损也是开式齿轮传动常见的失效形式之一，（砂粒、金属屑）,齿轮加工好后，其齿面总是存在一定的粗糙度。而齿轮工作时，齿面间又存在相对滑动，因此齿面磨粒磨损是不可避免的。,提高抗磨损的措施：提高齿面硬度，降低表面粗糙度，注意润滑油的清洁和定期更换，注意环境清洁，减少落在齿面的杂物，改用闭式齿轮传动。,16,磨损,17,4.齿面胶合 原因： 高速重载，瞬时温高，油膜被破坏，相啮合的两齿面粘结在一起，沿着滑动方向形成伤痕； 低速重载或缺润滑油时，由于压力过大，油膜被挤破引起胶合冷胶合。 现象：齿面粘连后撕脱,措施： 减小模数，降低齿高； 抗胶合能力强的润滑油； 材料的硬度及配对,18,

6、.齿面胶合,19,5.齿面塑性变形,措施：材料的选择及硬度,20,磨损、塑性变形,21,弯曲折断,点蚀,胶合,磨损,塑性变形,齿轮的失效形式,现象与原因？ 改进措施？,。,。,。,。,。,。,。,。,。,。,22,10.3.齿轮的材料及热处理 一.对齿轮材料的基本要求：齿面要硬，齿芯要韧。,经济性： 毛坯选择 工艺要求：热处理方式 硬度选择：*软齿面硬度350HBS； *软齿面齿轮HBS1-HBS23050 * 避免胶合的合适配对： 软软；软硬；软铁；硬硬。,23,二.常用齿轮材料 钢 45 、 40Cr、20CrMnTi 铸钢 ZG310-570 铸铁 HT300、QT500-7 有色金属：

7、 铜合金、铝合金 非金属：夹布塑胶、尼龙,钢制软齿面齿轮要求小齿轮硬度大于大齿轮30-50 HBS,原因：1）小齿轮齿根强度较弱,2）小齿轮的应力循环次数较多,3)当大小齿轮有较大硬度差时，较硬的小齿轮会对较软的大齿轮齿面产生冷作硬化的作用，可提高大齿轮的接触疲劳强度,24,平均载荷：,10.4 齿轮传动的计算载荷,25,考虑齿以外的其他因素对齿轮传动 的影响，主要考虑原动机和工作机的影响,26,由于存在制造和装配的误差，受载后，轮齿产生弹性变形，使得法节不相等，导致瞬时传动比不准确，产生角加速度 齿轮修缘,27,齿轮精度、速度,精度等级,28,轮齿载荷沿接触线分布不均匀 轴上位置； 轴及支承

8、刚度； 制造和安装精度。,29,30,设计时 1、可采取提高轴、轴承和机座的刚度，选取合理的齿轮布置（悬臂布置时应尽量减小悬臂长度，非对称布置的小齿轮应远离输入端） 2、选择合理齿宽，提高制造与安装精度 3、把轮齿制成鼓形齿等均可减小齿向载荷分布的不均匀性。,31,一对相互啮合的齿轮，在啮合区，有两对（或多对）轮齿同时工作时，载荷应分配在这两对齿上。 接触线长L=PP+QQ 表面硬度：硬度愈高，载荷分配愈不均 精度等级：精度低，载荷分配不均严重,32,10.5 标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算 设计准则,闭式传动：按保证齿根弯曲疲劳强度和 齿面接触疲劳强度进行计算。,开式传动：按保证齿根弯曲疲劳

9、强度进 行计算，考虑磨损的影响适 当增大模数。（1015%）,必要时进行：散热能力计算；抗胶合能力计算,33,齿轮传动的设计准则,34,一、轮齿的受力分析,Ft,Fr,35,二、直齿圆柱齿轮齿面接触疲劳强度计算 计算齿轮节点处的接触应力,36,ZE弹性系数表； ZH节点区域系数 u齿数比 z2 / z1,37,三、齿根弯曲疲劳强度计算,建立力学模型： 假设全部载荷作用于齿顶； 不计径向分力产生的压应力； 用30切线法确定危险截面。,38,法向力Fn分解为与轮齿圆周方向相一致的F1和与径向方向相一致的径向力F2。,将Fn分解为使齿根受弯曲应力b的分力F1和使齿根受压缩应力c的分力F2。由右图可以

10、看出受拉侧的合成应力小于受压侧的合成应力。但由于材料的抗拉疲劳强度远低于抗压疲劳强度，轮齿实际上在受拉侧的齿根圆角处先开始产生裂纹。为简化计算，通常略去压缩应力，只考虑弯曲应力。,39,计入齿根的应力集中 考虑单对齿的啮合点位置,40,开式齿轮m增大1015%；不小于1.5,41,4、设计说明 对减速传动（z1YFa2，YSa1YSa2，因而在校核计算时应分别计算，即,42,设计计算时，因为 对小、大齿轮 的比值不一样，为安全起见，通常取较小值，求得m（圆整成标准值）。对闭式齿轮传动，算出m后圆整，对开式齿轮传动，算出m，应加大m后，再圆整取标准值。 影响弯曲疲劳强度的因素及提高强度的措施：

11、m越大，F越小，则强度越高； b越大，强度越高； d=mz，当d一定时（接触疲劳强度一定），增大m，减小z， 可提高强度。,43,设计计算时，设=1，则Y=1，取载荷系数K=1.22，则设计公式可简化为 此式对于直齿或斜齿圆柱齿轮均适用。,44,直齿圆柱齿轮传动的强度计算 小结,1. 应力、许用应力、强度的关系 两齿轮弯曲应力是否相同？许用应力呢？,2.齿轮弯曲强度比较,45,3.两轮接触强度比较,由于一对齿轮齿面接触面积相等，接触点的应力是大小相等方向相反的作用力与反作用力，故一对啮合齿轮的接触应力是相等的，但通常情况下大小齿轮的许用接触应力不相等。,46,4、在齿宽系数、齿数及材料选定的情

12、况下，影响齿轮弯曲疲劳强度的主要因素是模数。是决定齿轮尺寸的一个基本参数。齿数相同的齿轮，模数大，尺寸也大。,47,10.6齿轮传动的参数选择和许用应力 一、设计参数的选择 1. 压力角a,压力角 齿厚 曲率半径,弯曲强度 接触强度,2.小轮齿数z1（d不变，即中心距a为定值）z1 重叠系数大，传动平稳； 模数小，节约材料及加工量；但抗弯曲差； 齿高减小，降低VS，抗胶合能力强。,开式传动 ：z1 =1720；闭式传动：z1 =2040,48,3.齿宽系数 齿愈宽，承载能力越大， 但载荷分布不均,4.变位系数 避免根切； 凑中心距、凑传动比； 提高强度,49,二、齿轮传动许用应力,50,一般取

13、中间MQ偏下值； 对称循环弯曲应力取70%。,51,分析中间齿轮接触应力和弯曲应力的特点？,52,10.7标准斜齿圆柱齿轮传动的强度计算 特点：齿逐渐进入啮合，传动平稳； 接触线较长，承载能力高. 几何尺寸： ?,53,一、 斜齿圆柱齿轮的 受力分析,54,主动轮,Fr,Fn,Ft,Fa,F,F,若忽略齿面间的摩擦力，斜齿圆柱齿轮的受力情况见右图,轮齿所受的法向力Fn可分解为圆周力Ft，径向力Fr和轴向力Fa,作用在主动轮和从动轮上各力: Ft1和Ft2，Fr1和Fr2，Fa1和Fa2等值反向,各分力的方向判定如下：,1）圆周力Ft：在主动轮上是阻力，它与其旋转方向相反；在从动轮上是驱动力，它

14、与其旋转方向相同。,55,2）径向力Fr：分别指向各自的轮心 3）轴向力Fa：可利用“主动轮左、右手定则”来判定。对于主动右旋斜齿轮，以右手四指弯曲方向表示它的旋转方向，则大拇指的指向表示它所受轴向力的方向；对于主动左旋斜齿轮则应用左手来判断方向，方法同前面一样。从动轮上所受各力的方向与主动轮相反，但大小相等。在确定各力方向时，应先确定传动中的主动轮的回转方向和它的轮齿的螺旋线方向。,增大， Fa也增大。当Fa过大时，給轴承部件设计带来困难。,56,57,圆周力：主动轮与转向相反；从动轮与转向相同。 径向力：指向圆心。 轴向力：可用左、右手判断。,n,n,58,（人字齿轮）,59,一减速器，已

15、知一齿轮的旋向，合理布置其他齿轮的旋向,n3,60,（螺旋角选择）,n,61,二、斜齿圆柱齿轮齿面接触疲劳强度计算 与直齿轮相比，其特点： 总合力作用于法平面内 ； 重合度大；接触线是倾斜的、变化的； 螺旋角对疲劳强度有利；,62,63,考虑接触线倾斜对齿根受力的有利影响，引入螺旋角系数Y,YFa Ysa按当量齿数zv,查图； Y 根据螺旋角，查图,三、齿根弯曲疲劳强度 按法面当量直齿圆柱齿轮来计算,64,从斜齿轮的接触疲劳、弯曲疲劳强度计算公式中分别引入,因轮齿倾斜，在接触线上合力到齿根距离与力作用在齿顶相比较减小了，即力臂小，齿根弯曲应力小，即提高了弯曲强度，故在弯曲强度计算公式中引入,6

16、5,齿形系数 是表征轮齿几何形状对轮齿抗弯曲能力的影响系数。,齿形系数 与齿数和变位系数有关，与模数无关。,齿数相同的标准圆柱齿轮、标准斜齿圆柱齿轮和标准直齿锥齿轮齿形系数相同吗？,不同。因为后两种齿轮按当量齿数确定齿形系数,66,讨论：,接触线长度，承载能力，传动平稳性,Fa，轴承负荷,Fa，轴承设计复杂，支承尺寸,加工困难,斜齿轮优点不能发挥, 一般取,67,10.8 标准直齿圆锥齿轮的强度计算 圆锥齿轮传动的特点,传递交叉轴的运动，常用=90； 速比i；vm/s； 制造安装精度较低； 小轮常悬臂安装，刚度低。,68,1、传递相交轴间的运动和动力，常用,例如：,2、齿廓为球面渐开线,球面无

17、法展成平面,发动机,69,3、模数是变化的,由大端小端：m由大变小，即齿厚不等收缩齿；,承载能力、轮齿刚度：大端大、小端小；,近似认为：载荷集中作用于齿宽中点；,几何计算时：大端m为标准值（易测量）。,4、制造精度不高，加工较困难（v不宜过高）,尺寸加工难度,5、安装要求,大、小齿轮锥顶应交于一点，否则对应的m不等， 不能正确啮合影响强度和传动能力。,靠调整轴承处垫片来保证。,一般将锥齿轮置于圆柱齿轮之前。,70,一、直齿圆锥齿轮 几何计算,71,72,二、直齿锥齿轮受力分析,73,受力分析,作用在主动轮的法向力Fn可分解为三个分力：,Fn,Ft,F,F,Fa,Fr,圆周力：Ft=2T1/dm

18、1,径向力:Fr=FttgCOS,轴向力：Fa=Fttgsin,dm1为小齿轮齿宽中点的分度圆直径,74,75,练习：,转向： 同时指向或同时背离啮合点,Fr：指向各自轮心,Fa：小端指向大端,76,一、直齿锥齿轮强度计算 1.齿面接触疲劳强度计算,直齿圆锥齿轮,77,2.齿根弯曲疲劳强度计算,78,直齿圆锥齿轮的载荷系数,使用系数,动载系数,齿间,齿向,79,(1) 根据工作条件、材料等分析轮齿可能失效形式,装置型式：,开式 闭式 半开式,工作情况：,低速 高速 重载 轻载,材料：,硬齿面：硬度350HBS 软齿面：硬度350HBS,(2) 建立相应的强度计算式（齿面接触、齿根弯曲）,(3)

19、 合理选择有关参数进行计算，确定d 或 m,(4) 考虑其它可能产生的失效形式，进行强度校核,(5) 几何尺寸计算及结构设计,齿轮传动强度设计步骤,80,10-9 变位齿轮的强度计算概述,变位齿轮传动的受力分析和强度计算的原理和标准齿 轮传动一样。,2. 齿根弯曲疲劳强度：,变位齿轮的轮齿齿形有变化，因此轮齿弯曲强度计算 公式中的齿形系数 和应力修正系数 也随之变化， 但进行弯曲强度计算时，仍用标准齿轮传动的公式。,查有关齿轮国标,对正变位齿轮,X,齿根厚度,3. 齿面接触疲劳强度,高度变位时，轮齿的接触强度不变，因此齿面接触 强度计算公式中仍用标准齿轮传动的公式。,81,角度高度变位（ ）齿

20、轮传动时，轮齿的接触强 度的变化用区域系数来体现：,角度高度变位的直齿圆柱齿轮传动的区域系数为：,角度高度变位的斜齿圆柱齿轮传动的区域系数为：,查有关齿轮国标,对正传动：,4.有利于提高齿轮强度的变位系数推荐值见P228表10-10。,5.锥齿轮一般不作角度变位，为使大小齿轮传动的弯曲 强度接近，可采用切向变位。,82,10.10 齿轮的结构设计,83,84,85,86,87,88,89,90,91,10.11 齿轮传动的润滑,一、效率,闭式：,92,二、润滑,搅油损失,：浸油,：喷油,搅起油池底部杂质加速磨损,93,1.浸油深度不能太高，一般不超过一个齿高,否则搅油损失大。,2.油面距箱体底面距离：3050mm,94,喷油润滑,95,END,96,1、一对标准直齿圆柱齿轮传动参数见表，试问： 比较哪个齿轮容易疲劳点蚀？哪