齿轮传动-课件

第二篇第五章齿轮传动设计1第一节基础知识第一节基础知识齿轮传动是机械传动中昀重要、应用昀广泛的一种传动。一、齿轮传动的特点二、齿轮传动的主要类型1、按传动轴相对位置平行轴齿轮传动相交轴齿轮传动交错轴齿轮传动优点：1）传动效率高2）传动比恒定3）结构紧凑4）工作可靠、寿命长缺点：1）制造、安装精度要求较高2）不适于中心距较大两轴间传动3）使用维护费用较高4）精度低时、噪音、振动较大2、按工作条件开式——齿轮完全外露，易落入灰砂和杂物，不能保证良好的润滑，轮齿易磨损，多用于低速、不重要的场合半开式——装有简单的防护罩，有时还把大齿轮部分浸入油池中，比开式传动润滑好些，但仍不能严密防止灰砂及杂物的浸入，多用于农业机械、建筑机械及简单机械设备闭式——齿轮和轴承完全封闭在箱体内，能保证良好的润滑和较好的啮合精度，应用广泛。多用于汽车、机床及航空发动机等的齿轮传动中四、齿轮传动的基本要求齿轮传动应满足两项基本要求:1)传动平稳2)承载能力高在齿轮设计、生产和科研中，有关齿廓曲线、齿轮强度、制造精度、加工方法以及热处理工艺等，基本上都是围绕这两个基本要求进行的三、齿轮传动的设计要求①功率传动——主要用来传递功率。强度要求②示数传动——主要用来传递准确旋转运动。强度要求精度要求1.齿面要硬,齿芯要韧2.易于加工及热处理3.为了保证大、小齿轮有相同的使用寿命，小轮齿面硬度应比大轮高30～50HBS┌软齿面HBS≤350└硬齿面HBS＞350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一、对齿轮材料的基本要求第二节常用材料和热处理第二节常用材料和热处理1.钢——含碳量为0.1％～0.6％→常用→性能昀好(可通过热处理提高机械性能)⑴锻钢——钢材经锻造,性能提高→昀常用45、35SiMn、42SiMn、40Cr、35CrMo(2)铸钢——耐磨性和强度均较好，承载能力稍低于锻钢，常用于尺寸较大(d400～600mm)且不宜锻造的场合。ZG310-570、ZG340-640成本高二、常用的齿轮材料2.铸铁－用于开式、低速齿轮，强度差，易成型⑴灰口铸铁——HT200、HT300⑵球墨铸铁——QT500-73.非金属材料——用于小功率、速度高、低噪音三、常用热处理A、正火----批量小、单件生产、对传动尺寸没有严格限制时，常采用正火处理。B、调质----得到的均是软齿面(硬度≤350HBS)，常用于对尺寸和精度要求不高的传动。C、整体（表面）淬火----整体（表面）淬火后再低温回火。常用材料为中碳钢或中碳合金钢。D、渗碳淬火----冲击载荷较大的齿轮，宜采用渗碳淬火。常用材料有：低碳钢或低碳合金钢。E、表面氮化----得到的均是硬齿面(硬度＞350HBS)，常用于高速、重载、精密传动渗氮齿轮硬度高、变形小，适用于内齿轮和难于磨削的齿轮。碳氮共渗：碳氮共渗工艺时间短，且有渗氮的优点，可以代替渗碳淬火，其材料和渗碳淬火的相同。当两齿轮材料相同时，采用不同的热处理选择齿轮材料主要考虑传动特点和工作条件：（小模数齿轮，应用范围决定材料）①为保持精度持久耐磨材料②要求重量轻铝合金或非金属材料③减小噪声或防腐蚀非金属材料④传动大功率硬度和强度较高的材料⑤抗腐蚀和高耐磨合金钢⑥抗腐蚀性、防磁性和机械性能都好青铜或黄铜四、齿轮材料的选择原则齿轮的受力分析是设计齿轮的基础，同时，也可为设计轴及轴承提供初始条件。齿轮啮合时，可看作是两圆柱体的接触，其半径等于两齿廓在啮合点的曲率半径，啮合点由齿根向齿顶移动（主动轮），疲劳损坏多发生在节点附近，且节点附近处一般只有一对轮齿受载，故受力分析在节点啮合时计算。第三节齿轮传动受力分析第三节齿轮传动受力分析一、直齿圆柱齿轮受力分析受力分析步骤：①力的作用点为节点；②轮齿间相互作用的法向力（总作用力）Fn沿啮合线指向工作齿面；③Fn分解为圆周力（切向力）Ft、径向力Fr、轴向力Fa。一对直齿圆柱齿轮，若略去齿面间的摩擦力，轮齿节点处的法向力Fn可分解为两对互相垂直的分力：切于分度圆上的圆周力Ft1、Ft2和沿半径方向的径向力Fr1、Fr2。1、各力的大小式中：T1主动齿轮传递的名义转矩(N.mm)；d1主动齿轮分度圆直径(mm)；α分度圆压力角(°)；P1主动齿轮传递的功率(kW)；n1主动齿轮的转速(r/min)。116111111055.9cos2costan2nPTdTFFFFdTF×=====αααtntrt圆周力Ft的大小可直接由齿轮所传递的转矩确定，因此在进行齿轮受力分析时，总是将其它各力表示为Ft的函数。2、各力的方向①圆周力Ft：主动轮圆周力的方向与回转方向相反；从动轮圆周力的方向与回转方向相同。②径向力Fr：分别指向各自轮心。3、各力对应关系作用在主动轮和从动轮上的各对应力大小相等，方向相反。即：Fn1=-Fn2Ft1=-Ft2Fr1=-Fr21、各力的大小圆周力轴向力径向力式中：αn法面分度圆压力角αt端面分度圆压力角β分度圆螺旋角βb基圆螺旋角1161111055.9coscostancostan2nPTFFFFFFdTF×=====βαββαntntantrt法向力二、斜齿圆柱齿轮受力分析2、各力的方向圆周力Ft：主动轮上的与转向相反，从动轮上的与转向相同；径向力Fr：分别指向各自轮心；轴向力Fa：主动轮的轴向力用“左右手法则”来判断：当主动轮右旋时，用右手四指的弯曲方向表示主动轮的转动方向，大拇指所指的方向即为轴向力的方向；主动轮左旋时，用左手来判断，方法同上。3、各力对应关系作用在主动轮和从动轮上的各对应力大小相等，方向相反。即：Fn1=-Fn2Ft1=-Ft2Fr1=-Fr2Fa1=-Fa2一对齿轮刚接触时的受力状态，是强度计算的重要基础。齿根的应力集中是产生疲劳裂纹的根源，所以齿根圆角不宜过小；齿根受拉应力的一边更宜折断。齿根危险截面的位置用30º切线法确定。作与轮齿对称中心线成30º角的两直线与齿根圆角过渡曲线相切，连接两切点的齿厚即为齿根危险截面的齿厚。30º1、各力的大小1161111111055.9cos2cossintancostan2nPTdTFFFFFFdTF×======ααδαδαm1tnt1a1t1r1mt1式中：dm1主动轮1齿宽中点处的分度圆直径；α分度圆压力角；δ1主动轮的分锥角；δ2从动轮的分锥角；三、圆锥齿轮受力分析2、各力的方向圆周力Ft：主动轮上的与转向相反，从动轮上的与转向相同；径向力Fr：分别指向各自轮心；轴向力Fa：分别指向各自大端。3、各力对应关系Fa1是轮1的轴向力，也是轮2的径向力Fr2即：Fn1=-Fn2Ft1=-Ft2Fa1=-Fr2Fr1=-Fa2四、蜗杆、蜗轮受力分析作用于蜗轮上的转矩T2（N·m）使其匀速转动,蜗轮分度圆直径为d2，则作用于其分度圆上节点处的圆周力：Ft＝T2/d2在端面内轮齿的正压力：Ftn＝Ft/cosα法面内齿轮的正压力：Fn＝Ft/（cosαn·cosβ）作用于蜗轮上的轴向力：Fx＝Ft·tanβ作用于蜗轮、蜗杆上的径向力：Fr＝Ft·tanα蜗杆上的轴向力与蜗轮上的圆周力相等，蜗杆上的圆周力与蜗轮上的轴向力相等。五、齿轮传动的受力分析小结在作齿轮传动的受力分析时，必须要分清主动轮和从动轮。关于各力的大小已经给出计算公式，下面将着重就如何正确地判断各力的方向和做到在图中正确地标注进行讨论:2）径向力Fr：分别指向各自轮心。注意：这一结论在大多数情况下是正确的，唯一例外的是对于圆柱内齿轮其径向力Fr应为背离其轮心。3）轴向力Fa：直齿圆柱齿轮没有轴向力，即Fa=0，它可视为斜齿圆柱齿轮的特例。1）圆周力Ft：主反从同，即主动轮的圆周力为阻力，与回转方向相反；从动轮的圆周力为驱动力，与回转方向相同。①斜齿圆柱齿轮轴向力Fa的方向取决于齿轮的回转方向和轮齿螺旋线方向。主动轮轴向力Fa可用左、右手定则来判断：当主动轮为右旋时，用右手，主动轮为左旋时，用左手，以四指的弯曲方向表示主动轮的转向，则拇指指向即为它所受轴向力的方向。从动轮轴向力方向：与主动轮的轴向力方向相反。需要强调：上述左右手定则仅适用于主动轮。②直齿锥齿轮轴向力Fa的方向：由小端指向大端。圆柱齿轮和直齿锥齿轮传动各分力方向的判断方法可综合如下表：斜齿圆柱齿轮和直齿锥齿轮传动各分力方向的标示方法如下图所示：六、典型例题分析齿轮传动受力分析这类题目，一般给定传动方案、输入或输出齿轮轴转向以及某个斜齿轮的轮齿旋向，另可附加一些其他条件。要求确定输出或输入齿轮轴转向，其余待定齿轮轮齿旋向，标出齿轮所受各分力的方向以及画出某齿轮轴的空间受力简图等。例1两级斜齿圆柱齿轮传动如图所示。已知动力输入轴Ⅰ的转向。试求：(1)标出输出轴Ⅲ的转向；(2)确定齿轮2、3、4的轮齿旋向，为减小轮齿偏载，要求轴Ⅱ上两斜齿轮轴向力可相互抵消部分；(3)标出齿轮2、3所受各分力的方向。解：输出轴的转向、齿轮2、3、4轮齿的旋向以及齿轮2、3所受各分力的方向见下图。解题思路：(1)中间轴上两轮轮齿旋向相同要想使轴Ⅱ上两斜齿轮所受轴向力相互抵消一部分，以减小中间轴上轴承的轴向载荷，必须使该轴上两斜齿轮所受轴向力方向相反。由于两齿轮转向相同，螺旋线方向相同，但一为从动(齿轮2)，一为主动(齿轮3)，其轴向力才会反向。(2)认清主动轮及其旋向在判断齿轮2、3轴向分力方向时，要用“左、右手定则”。由于“左、右手定则”仅适用于一对啮合齿轮中的主动轮。因此，首先要分清齿轮主动还是从动。(3)把各分力画在啮合点上在标出齿轮2、3所受各分力的方向时，要将各力画在啮合点上。注意：不要把轴向力直接画在轴线或表示轮齿旋向的斜线上。齿轮的失效，通常都集中在轮齿部分。轮齿的主要失效形式有：轮齿折断、齿面磨损、齿面轮齿折断、齿面磨损、齿面点蚀、齿面胶合、齿面塑性变形点蚀、齿面胶合、齿面塑性变形等五种。为保证齿轮传动所需工作寿命，应进行强度计算与强度校核。一般只进行两类强度计算:齿面接齿面接触疲劳强度计算，齿根弯曲疲劳强度计算。触疲劳强度计算，齿根弯曲疲劳强度计算。第四节齿轮强度校核第四节第四节齿轮强度校核齿轮强度校核一、齿轮传动的失效形式一、齿轮传动的失效形式1.轮齿折断1.轮齿折断疲劳裂纹疲劳裂纹增大齿轮模数增大齿根圆角半径采用正变位提高轮齿抗弯强度的措施：现象：齿根处产生裂纹→扩展→断齿原因：1.根部应力集中2.根部受交变弯曲应力作用3.材料较脆4.突然过载或冲击2、齿面磨损减缓磨损措施：采用闭式齿轮传动提高齿面硬度和光洁度保持润滑油清洁当齿面间落入砂粒、铁屑、非金属物等磨料性物质时，会发生磨料磨损。齿面磨损后，齿廓形状破坏，引起冲击、振动和噪声，且由于齿厚减薄而可能发生轮齿折断。现象：油不净→磨料磨损→齿形破坏→齿根减薄（根部严重）→断齿原因：3、齿面点蚀减缓或防止措施：增大齿轮直径或中心距提高齿面硬度采用合适的润滑油等现象：齿面产生裂纹→油的挤压→金属剥落→靠近节线的齿面出现麻点状凹坑原因：1.齿面受交变接触应力作用2.有润滑油存在的闭式传动齿面3.较软、硬度≤350HBS接触疲劳极限4、齿面胶合现象：齿面上沿相对滑动方向形成伤痕原因：1.两齿面金属直接接触并粘接2.齿面间相对滑动3.较软齿面沿滑动方向被撕下一条条伤痕减小模数、降低齿高、减小滑动系数、提高齿面硬度、采用抗胶合能力强的润滑油。减缓或防止措施：5、齿面塑性变形5、齿面塑性变形现象：齿面失去正常齿形原因：齿面较软、重载，齿面形成凹沟、凸棱；主动轮上摩擦力分别朝向齿顶和齿根——形成凹沟；从动轮上摩擦力由齿顶和齿根朝向中间———形成凸棱提高齿面硬度，采用粘度高的润滑油。减缓或防止措施：塑性变形是由于在过大的应力作用下，轮齿材料处于屈服状态而产生的齿面的永久变形。轮齿的主要破坏形式和强度计算依据轮齿的主要破坏形式和强度计算依据工作情况破坏形式计算依据短时过载，冲击负荷或交变负荷轮齿折断弯曲强度软齿面，润滑不良，开式传动齿面磨损接触强度