第11章齿轮传动(机械设计基础,第六版).

第11章齿轮传动§11-3齿轮传动的精度§11-5直齿圆柱齿轮传动的齿面接触强度计算§11-1轮齿的失效形式§11-2齿轮材料及热处理§11-4直齿圆柱齿轮传动的作用力及计算载荷§11-9直齿锥齿轮传动§11-6直齿圆柱齿轮传动的弯曲强度计算§11-7圆柱齿轮材料和参数的选取和计算方法§11-11齿轮传动的润滑和效率§11-8斜齿圆柱齿轮传动§11-10齿轮的构造§11-12圆弧齿轮传动简介一、齿轮传动的主要特点：传动效率高可达99％。在常用的机械传动中，齿轮传动的效率为最高；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；与各类传动相比，齿轮传动工作可靠，寿命长；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；缺点：1）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。2）精度低时，噪音较大。3）不适用于轴间距大的场合。§11-0齿轮传动概述二、齿轮传动的分类1.按齿轮类型分：直齿圆柱齿轮传动斜齿圆柱齿轮锥齿轮传动人字齿轮传动2.按装置形式分：3.按使用情况分：动力齿轮─以动力传输为主，常为高速重载或低速重载传动。传动齿轮─以运动准确为主，一般为轻载高精度传动。4.按齿面硬度分：软齿面齿轮（齿面硬度≤350HBS）硬齿面齿轮（齿面硬度＞350HBS）闭式传动：支承刚度大，精度高，润滑良好。如：汽车变速箱、减速器等。开式传动：不能保证良好的润滑，灰尘易进入，用于次要、低速场合。如：农业机械、建筑机械等。半开式传动：有油池、防护罩齿轮传动概述四、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的要求，设计出传动可靠的齿轮。设计齿轮是指设计确定齿轮的主要参数以及结构形式。三、对齿轮传动的基本要求传动平稳：要求i=c，保证传动的精度，避免过大冲击、振动、噪音等，承载能力强：要求在尺寸小，重量轻的前提下，齿轮的强度高、寿命长，主要靠渐开线及加工精度来保证。主要靠材料、热处理、合理选择参数(m、a、b)来保证。齿轮传动概述一、齿轮的主要失效形式轮齿折断齿面磨损齿面点蚀齿面胶合塑性变形齿轮传动的失效主要是指轮齿的失效由于齿轮其它部分（齿圈、轮辐、轮毂等）通常是经验设计的，其尺寸对于强度和刚度而言均较富裕，实践中也极少失效。1、轮齿折断类型及原因：过载折断：属于静强度破坏疲劳折断：轮齿受弯曲变应力作用。发生部位：全齿折断：齿宽较小的直齿轮部分齿折断：齿宽较大的直齿轮、斜齿轮§11-1齿轮传动的失效形式是闭式硬齿面齿轮传动的主要失效形式§11-1齿轮传动的失效形式§11-1齿轮传动的失效形式§11-1齿轮传动的失效形式提高抗断齿能力的措施：增大齿根过渡圆角半径，消除刀痕以减小应力集中；增大轴及支承的刚性，使轮齿受载均匀；在齿根处进行强化处理，如：喷丸、滚压；选用韧性好的材料，如：低碳钢；采用正变位，使sf增大。§11-1齿轮传动的失效形式2、齿面点蚀是闭式软齿面齿轮传动的主要失效形式原因脉动循环接触应力细微裂纹裂纹扩展润滑油渗入剥落循环次数N增大§11-1齿轮传动的失效形式发生部位：靠近节线的齿根面上危害：振动、噪声增大，传动平稳性降低。2，一般在节线处只有一对齿啮合，接触应力较大；在节点处，不易形成油膜，润滑不良。§11-1齿轮传动的失效形式原因：§11-1齿轮传动的失效形式§11-1齿轮传动的失效形式提高齿面硬度，降低表面粗糙度提高润滑油粘度采用正传动，提高综合曲率半径，减小接触应力（一对齿轮，总变位系数大于0的时候，是正传动）提高抗点蚀能力的措施：§11-1齿轮传动的失效形式开式传动中，一般看不到点蚀现象3、齿面胶合主要出现在高速重载的闭式齿轮传动原因：齿面间压力大，瞬时速度高，润滑效果差，在高温高压下，相啮合的两齿面粘在一起，齿面相对滑动时粘着点被撕破，齿面上形成沟痕提高齿面硬度，降低粗糙度低速用粘度大的润滑油，高、中速及重载低速用极压润滑油两齿轮配对时，齿面有硬度差，HB1-HB2=30~50§11-1齿轮传动的失效形式抗胶合的措施：§11-1齿轮传动的失效形式4、齿面磨损是开式齿轮传动的主要失效形式原因：危害：渐开线失真，ic，齿形破坏，传动精度降低，间隙增大，冲击、噪音增大轮齿变薄，易发生断齿由于硬的颗粒进入齿面引起的——磨粒磨损由于表面相互搓削引起的——跑合磨损§11-1齿轮传动的失效形式§11-1齿轮传动的失效形式§11-1齿轮传动的失效形式§11-1齿轮传动的失效形式从动齿主动齿从动齿主动齿5、塑性变形避免塑性变形的措施：提高齿面硬度提高润滑油粘度原因：在过大的应力作用下，软齿面齿轮，齿轮材料处于屈服状态而产生的塑性流动现象从动齿主动齿从动齿主动齿§11-1齿轮传动的失效形式§11-1齿轮传动的失效形式§11-1齿轮传动的失效形式齿轮设计计算准则1）闭式软齿面：主要出现齿面点蚀，设计时以齿面接触强度为计算依据，校核齿根弯曲疲劳强度。2）闭式硬齿面：主要出现齿根疲劳折断，设计时以齿根弯曲疲劳强度为计算依据，校核齿面接触强度。高速重载，计算抗胶合能力；一般传动，选择合适的润滑方式和润滑油牌号和粘度，避免胶合和磨损3）开式硬齿传动：主要失效表现为轮齿疲劳折断，设计时以齿根弯曲疲劳强度为计算依据，齿面磨损速度大于齿面点蚀速度，不用校核齿面接触强度。对于齿面胶合和磨损，目前无成熟的计算办法，一般将由以齿根弯曲疲劳强度为计算依据得出的模数值，加大10%到15%，以补偿预期的磨损量一、对齿轮材料性能的要求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：二、常用的齿轮材料钢：许多钢材经适当的热处理或表面处理，可以成为常用的齿轮材料；铸铁：常作为低速、轻载、不太重要的场合的齿轮材料；非金属材料：适用于高速、轻载、且要求降低噪声的场合。16§11-2齿轮的材料及热处理齿面硬、齿芯韧洛氏硬度§11-2齿轮的材料及热处理洛式硬度（HR-）是以压痕塑性变形深度来确定硬度值指标。以0.002毫米作为一个硬度单位。当HB450或者试样过小时，不能采用布氏硬度试验而改用洛氏硬度计量。HRA是采用60Kg载荷和钻石锥压入器求的硬度，用于硬度很高的材料。例如：硬质合金。HRB是采用100Kg载荷和直径1.58mm淬硬的钢球求得的硬度，用于硬度较低的材料。例如：软钢、有色金属、退火钢、铸铁等。HRC是采用150Kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度较高的材料。例如：淬火钢等§11-2齿轮的材料及热处理（3）HRC适用范围HRC20－－67，相当于HB225－－650若硬度高于此范围则用洛式硬度A标尺HRA。若硬度低于此范围则用洛式硬度B标尺HRB。布式硬度上限值HB650，不能高于此值。（4）洛氏硬度计C标尺之压头为顶角120度的金刚石圆锥，试验载荷为一确定值，中国标准是150公斤力。洛氏硬度1.软齿面齿轮(HB350)：用于对强度、速度、精度、结构尺寸要求不高的齿轮锻造毛坯正火齿坯加工调质精切齿形成品特点：制造容易，成本低，易跑合2.硬齿面齿轮(HB350)：用于对强度、速度、精度、结构尺寸要求严格的齿轮，例如：汽车变速箱齿轮锻造毛坯正火齿坯加工调质切齿齿面硬化处理精加工成品主要材料：调质钢、中碳钢、中碳合金钢，40、45、40MnB、40Cr、42SiMn加工工艺：加工工艺：注意：保持齿面硬度差，HB1-HB2=30~50§11-2齿轮的材料及热处理齿面硬化处理表面淬火：中碳钢、中碳合金钢，45、40Cr、40CrMnTi、50Mn，表面淬火后轮齿变形小，可不磨齿，硬度可达52~56HRC，面硬芯软，能承可承受中等冲击载荷渗碳淬火：低碳钢、低碳合金钢，15、20、20Cr、20CrMnTi，可承受很大冲击载荷，齿面硬度达56~62HRC，齿面接触强度高，耐磨性好，齿芯韧性高。常用于受冲击载荷的重要传动。通常渗碳淬火后要磨齿§11-2齿轮的材料及热处理整体淬火：不适于承受冲击载荷，变形大，芯部韧性小，用的较少氮化：变形小，不需磨削，但氮化层很薄，且易于压碎，不适于冲击载荷和严重磨损场合，氮化处理温度低，轮齿变形小，适用于难以磨齿的场合，如内齿轮。材料为：38CrMoAlA.4.正火正火能消除内应力、细化晶粒、改善力学性能和切削性能。机械强度要求不高的齿轮可用中碳钢正火处理。大直径的齿轮可用铸钢正火处理。表面淬火、渗碳淬火、渗氮处理后齿面硬度高，属硬齿面。其承载能力高，但一般需要磨齿。常用于结构紧凑的场合。特点及应用：调质、正火处理后的硬度低，HBS≤350，属软齿面，工艺简单、用于一般传动。当大小齿轮都是软齿面时，因小轮齿根薄，弯曲强度低，故在选材和热处理时，小轮比大轮硬度高:20~50HBS调质一般用于中碳钢和中碳合金钢，如45、40Cr、35SiMn等。调质处理后齿面硬度为：220~260HBS。因为硬度不高，故可在热处理后精切齿形，且在使用中易于跑合。5.调质1.当d≥400~500mm时，采用铸钢:ZG35、ZG40、ZG45等材料2.开式传动、低速次要场合：QT500、QT600、HT300、HT400等材料3.非金属材料：高速、轻载、精度不高的齿轮传动，为降低噪声、减轻重量而采用§11-2齿轮的材料及热处理其他注意事项：表11-1常用的齿轮材料优质碳素钢类别牌号热处理硬度（HBS或HRC）合金结构钢铸钢灰铸铁球墨铸铁35正火150~180HBS调质表面淬火180~210HBS40~45HRC正火170~210HBS45调质表面淬火210~230HBS43~48HRC5040Cr调质表面淬火240~285HBS52~56HRC35SiMn调质200~260HBS表面淬火40~45HRC正火调质240~280HBS40MnB………………ZG270-500正火140~170HBS………………HT200170~230HBS…………QT500-5147~241HBS…………180~220HBS详细数据见P171或机械设计手册§11-3齿轮传动的精度等级制造和安装齿轮传动装置时，不可避免会产生齿形误差、齿距误差、齿向误差、两轴线不平行误差等。.一、制造和安装误差对传动的影响：1.实际与理论转角不一致，影响运动的准确性；2.瞬时传动比不恒定，出现速度波动，引起振动、冲击和噪音，影响运动平稳性；3.齿向误差导致轮齿上的载荷分布不均匀，使轮齿提前损坏，影响载荷分布的均匀性。国标GB/T10095.1-2008给齿轮副规定了13个精度等级。其中0级最高，12级最低，常用的为6~9级精度。按照误差的特性及它们对传动性能的主要影响，将齿轮的各项公差分成三组，分别反映传递运动的准确性，传动的平稳性和载荷分布的均匀性。§11-3齿轮传动的精度等级考虑到：齿轮制造误差工作时轮齿的受热变形好受热膨胀便于润滑，需要一定的尺侧间隙国标中还规定了14种齿厚偏差表11-2齿轮传动精度等级的选择及其应用精度等级直齿圆柱齿轮9级斜齿圆柱齿轮直齿圆锥齿轮圆周速度v(m/s)8级7级6级≤15≤10≤5≤3≤25≤17≤10≤3.5≤9≤6≤3≤2.5应用高速重载齿轮传动，如飞机、汽车和机床中的重要齿轮；分度机构的齿轮传动。高速中载或低速重载齿轮传动，如飞机、汽车和机床中的重要齿轮；分度机构的齿轮传动。机械制造中对精度无特殊要求的齿轮。低速及对精度要求低的齿轮一、轮齿的受力分析11t12dTFtan2tan11t1r1dTFFcos2cos11t1n1dTFF各力方向：径向力Fr：由啮合点指向各自轮心；圆周力Ft：主动轮，Ft1为阻力，与1方向相反；从动轮，Ft2为驱动力，与2方向相同。FnFrFtd1T11圆周力:径向力:轮齿所受总法向力Fn可分解为:PmmNnPT1611055.9t2Fr2Fn2F§11―4直齿轮传动的作用力及计算载荷§11―4直齿轮传动的作用力及计算载荷二、计算载荷Fn---名义载荷受力变形制造误差安装误差附加动载荷载荷集