机械设计齿轮传动精品课件.

第7章齿轮传动§7-1齿轮传动概述§7-2齿轮传动的失效形式及设计准则§7-3齿轮的材料及其选择原则§7-4齿轮传动的受力分析及计算载荷§7-5齿轮传动的强度计算§7-7齿轮传动的润滑§7-6齿轮的结构设计齿轮传动概述1一、齿轮传动的主要特点：1）传动效率高可达0.99。在常用的机械传动中，齿轮传动的效率为最高；4）结构紧凑与带传动、链传动相比，在同样的使用条件下，齿轮传动所需的空间一般较小；3）与各类传动相比，齿轮传动工作可靠，寿命长；齿轮传动是机械传动中最重要的传动方式之一，其应用范围十分广泛，型式多样，传递功率从很小到很大（可高达数万千瓦）。§7-1齿轮传动概述-2-2）传动比稳定无论是平均值还是瞬时值。这也是齿轮传动获得广泛应用的原因之一；5）与带传动、链传动相比，齿轮的制造及安装精度要求高，价格较贵。6）齿轮传动不宜用于大中心距的场合。齿轮传动概述2二、齿轮传动的分类2.按使用情况分：动力齿轮——以传输动力为主，高速重载或低速重载传动。传动齿轮——以传递运动为主，一般为轻载高精度传动。按速度有高速与低速之分，按载荷有轻载与重载之分。3.按齿面硬度分：软齿面齿轮（齿面硬度≤350HBS或38HRC）硬齿面齿轮（齿面硬度＞350HBS或38HRC）§7-1齿轮传动概述-3-1.按工作条件或按装置型式分：开式传动：适宜低速传动，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、轴承等全封闭于箱体内，润滑良好，使用广泛。齿轮传动概述2三、本章的学习目的本章学习的根本目的是掌握齿轮传动的设计方法，也就是要能够根据齿轮工作条件要求，能设计出传动可靠的齿轮。设计齿轮是指设计和确定齿轮的主要参数以及结构形式。§7-1齿轮传动概述-4-齿轮传动的失效形式及设计准则§7-2齿轮传动的失效形式及设计准则一、齿轮的主要失效形式齿轮传动的失效主要是指轮齿的失效，其失效形式是多种多样的。常见的失效形式有：由于齿轮其它部分（齿圈、轮辐、轮毂等）通常是按经验设计的，其尺寸对于强度和刚度而言均较富裕，实践中也极少失效。-5-轮齿折断齿面磨损齿面点蚀齿面胶合塑性变形失效形式齿面损伤齿轮传动的失效形式及设计准则§7-2齿轮传动的失效形式及设计准则1.轮齿折断-6-现象：①局部折断(斜)②整体折断(直)原因：1)疲劳折断①轮齿受多次重复弯曲应力作用，齿根受拉一侧产生疲劳裂纹。齿根弯曲应力最大σF＞[σF]σt(1主动)齿轮2双侧受载σt（2主动）齿轮2单侧受载123齿轮传动的失效形式及设计准则§7-2齿轮传动的失效形式及设计准则1.轮齿折断（续）-7-•2)过载折断后果：传动失效受冲击载荷或短时过载作用，突然折断，尤其常见于脆性材料（淬火钢、铸钢、铸铁）齿轮。应采取的措施：设计时应保证齿根弯曲疲劳强度增大齿根圆角半径适当降低齿根圆角表面粗糙度齿根处采用强化措施(如喷丸处理)避免出现热处理裂纹减轻加工损伤，如磨削烧伤、滚切拉伤σF[σF]②齿根应力集中(形状突变、刀痕等)，加速裂纹扩展→折断齿轮传动的失效形式及设计准则§7-2齿轮传动的失效形式及设计准则2.齿面点蚀-8-常出现在润滑良好的闭式软齿面传动中。原因：σH＞[σH]脉动循环应力1）齿面受多次交变应力作用，产生接触疲劳裂纹；4）润滑油进入裂缝，形成封闭高压油腔，楔挤作用使裂纹扩展。（油粘度越小，裂纹扩展越快）2）节线处常为单齿啮合，接触应力大；3）节线处为纯滚动，靠近节线附近滑动速度小，油膜不易形成，摩擦力大，易产生裂纹。现象：节线靠近齿根部位出现麻点状小坑。开式齿轮传动一般看不到点蚀现象。齿轮传动的失效形式及设计准则§7-2齿轮传动的失效形式及设计准则2.齿面点蚀（续）-9-后果：齿廓表面破坏，振动↑，噪音↑，传动不平稳↑，接触面↓，承载能力↓主动被动22212121H1111EEBF齿轮传动的失效形式及设计准则§7-2齿轮传动的失效形式及设计准则3.齿面磨损-10-磨粒磨损：硬颗粒进入啮合面研磨磨损：齿面相互摩擦齿面磨损产生的后果是：齿廓失去正确形状，侧隙增大，冲击与噪声变得更为明显，甚至折断轮齿。磨损是开式齿轮传动的主要损伤形式。§7-2齿轮传动的失效形式及设计准则4.齿面胶合-11-原因：高速重载——v↑，Δt↑，油η↓，油膜破坏,表面金属直接接触，融焊→相对运动→撕裂、沟痕→热胶合。低速重载——P↑、v↓，不易形成油膜→冷胶合。后果：引起强烈的磨损和发热，传动不平稳，导致齿轮报废。改善措施：1）采用抗胶合性能好的齿轮材料对。2）采用极压润滑油。3）↓表面粗糙度，↑HB。4）材料相同时，使大、小齿轮保持一定硬度差。现象：齿面在压力作用下发生粘焊、撕脱，并形成沟痕。齿轮传动的失效形式及设计准则§7-2齿轮传动的失效形式及设计准则5.塑性变形：滚压塑变和锤击塑变-12-从动轮——挤出脊棱主动轮—碾压出沟槽齿轮传动的失效形式及设计准则§7-2齿轮传动的失效形式及设计准则二、齿轮传动的设计准则对一般工作情况下的齿轮传动，其设计准则是：保证齿根弯曲疲劳强度，以免发生齿根折断。保证齿面接触疲劳强度，以免发生齿面点蚀。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。由实践得知：闭式软齿面齿轮传动（点蚀），以保证齿面接触疲劳强度为主。闭式硬齿面齿轮传动（折断），以保证齿根弯曲疲劳强度为主。开式或半开式齿轮传动（磨损和轮齿折断），以保证齿根弯曲疲劳强度为主。-13-齿轮的材料及其选择原则§7-3齿轮的材料及其选择原则一、常用的齿轮材料由齿轮的失效形式可知，对齿轮材料性能的要求是：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、齿芯韧。-14-常用的齿轮材料包括：锻钢、铸钢、铸铁、非金属材料1、锻钢：1）软齿面齿轮HBS≤350，正火、调质中碳钢：40、45、50、55等中碳合金钢：40Cr、40MnB、35SiMn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——加工毛坯——热处理（正火、调质HBS160~300）——切齿精度7、8、9级。齿轮的材料及其选择原则§7-3齿轮的材料及其选择原则-15-2）硬齿面：HBS＞350低碳、低碳合金钢：15、20、20Cr、20CrMnTi、20MnB等表面渗碳淬火，HRC58~65中碳钢、中碳合金钢：40、45、35SiMn、40Cr、50Mn等表面淬火，HRC45~55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。齿轮的材料及其选择原则§7-3齿轮的材料及其选择原则3、铸铁：常作为低速、轻载、不太重要场合的齿轮材料；例如HT200、HT300、HT350、QT450-10、QT600-2等；4、非金属材料：适用于高速、轻载、且要求降低噪声的场合。例如尼龙、聚甲醛、夹布胶木等。-16-2、铸钢用于d＞400~600mm的大尺寸、不重要的，且批量生产的齿轮。但需要进行正火或调质处理。齿轮常用材料及力学性能见表7-1。(p111有误)齿轮的材料及其选择原则§7-3齿轮的材料及其选择原则二、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；-17-飞行器：质量小；常用合金钢；矿山机械：功率大，尺寸大，速度低，铸钢或铸铁；家用或办公机械：功率小，低噪音，可用工程塑料；大尺寸采用铸钢或铸铁；中等尺寸采用锻钢；小尺寸不重要时可选用圆钢；渗碳工艺应选用低碳钢；氮化工艺应选用氮化钢；§7-3齿轮的材料及其选择原则二、齿轮材料选用的基本原则（续）3.钢制软齿面齿轮，其配对两轮齿面的硬度差应保持在30~50HBS或更多。-18-621iHBHB4.对于重载的闭式传动，为了避免胶合，宜选用不同的材料和不同的硬度，且小齿轮的材料要优于大齿轮的材料。齿轮传动的设计参数2三、齿轮材料的许用应力式中：KN——寿命系数，是应力循环次数N对疲劳极限的影响系数；p113，KFN查图7-6，KHN查图7-7弯曲疲劳强度计算时：S=SF=1.25~1.50；接触疲劳强度计算时：S=SH=1.0;σlim——为齿轮的疲劳极限，HHlimHNHSKh60njLNn为齿轮的转数，单位为r/min；j为齿轮每转一圈，同一齿面啮合的次数；Lh为齿轮的工作寿命，单位为小时。-19-FFlimFNFSKSKlimN§7-3齿轮的材料及其选择原则弯曲疲劳许用应力接触疲劳许用应力σlim＝σFlim，σlim＝σHlimS——为疲劳强度安全系数。齿轮传动的设计参数2-20-齿轮的弯曲疲劳极限σFlim当材料品质和热处理质量很高时疲劳极限取偏上值，材料为中等情况时取中间值，材料达到最低要求时取偏下值，一般情况取中间偏下值。图7-8，p114§7-3齿轮的材料及其选择原则齿轮传动的设计参数2-21-齿轮的接触疲劳极限σHlim对于夹布胶木，图7-9，p115§7-3齿轮的材料及其选择原则MPa110HMPa50F-22-主动从动j=1脉动循环主动从动σHj=1对称循环σF对于受对称循环载荷的齿轮应取0.7Flim。从动j=2脉动循环主动从动σHj=2脉动循环σF112323§7-3齿轮的材料及其选择原则举例直齿圆柱齿轮强度计算1一、齿轮传动的受力分析11t2dTFtan2tan11trdTFFcos2cos11tndTFF以节点P处的啮合力为分析对象，并不计啮合轮齿间的摩擦力，可得：-23-§7-4齿轮传动的受力分析及计算载荷为了计算齿轮的强度和设计轴、轴承等轴系零件，必须对齿轮进行受力分析。1、渐开线标准直齿圆柱齿轮受力分析直齿圆柱齿轮强度计算1-24-练习：§7-4齿轮传动的受力分析及计算载荷力的方向：1）径向力Fr指向各自的轮心；2）圆周力Ft主动轮上与v相反；从动轮上与v相同；P1——功率kWn1——转速r/minT1——转矩N·mm)(1055.91161mmNnPT60210001000100011111nTTP标准斜齿圆柱齿轮强度计算111t2dTFcos2cos'11tdTFFcostan2tan'1n1nrdTFF11tatan2tandTFFbttntnncoscoscoscoscos'FFFF由于Fa∝tan，为了不使轴承承受的轴向力过大，螺旋角不宜选得过大，常在=8º～20º之间选择。-25-圆周力径向力轴向力FnFrFtFaF’力方向：Ft、Fr：与直齿轮相同法向载荷§7-4齿轮传动的受力分析及计算载荷2、渐开线标准斜齿圆柱齿轮受力分析FaFr主动FnβαnFtFa1Fr2Ft1Fa2Fr1Ft2从动αtFtω-26-Fa1：用左、右手定则：四指为ω1方向，拇指为Fa1方向。：左旋用左手，右旋用右手Fa2：与Fa1反向，对从动轮不能运用左右手定则。注意：各力作用点画在——齿宽中点从动轮：12ttFF，12aaFF，12rrFF，12nnFF§7-4齿轮传动的受力分析及计算载荷-27-β方向：左、右旋转动方向Fa取决于改变任一项，Fa方向改变。举例：右旋左旋n1n2n1n2右旋左旋旋向？一对斜齿轮：β1=-β2∴旋向相反旋向判定：沿轴线方向竖立，可见侧轮齿左边高即为左旋，右边高即为右旋。Ft2Ft1Fr1Fr2Fr2Fr1Ft2⊙Ft1⊙Fa1×○Fa2Fa1Fa2×○§7-4齿轮传动的受力分析及计算载荷直齿锥齿轮的轮齿受力分析模型如下图，总法向载荷集中作用于齿宽中点处的法面内。将Fn可分解为圆周力F