机械设计基础齿轮传动.

第11章齿轮传动§11.1轮齿的失效形式和设计准则§11.2齿轮材料及热处理§11.3齿轮传动的精度§11.4直齿圆柱齿轮传动的作用力及计算载荷§11.5直齿圆柱齿轮传动的齿面接触强度计算§11.6直齿圆柱齿轮传动的轮齿弯曲强度计算§11.7圆柱齿轮的设计准则和设计参数的选取§11.8斜齿圆柱齿轮传动§11.9直齿锥齿轮传动§11.10齿轮的构造§11.11齿轮传动的润滑和效率第11章齿轮传动§10-1概述13）效率高；4）结构紧凑；1）工作可靠，寿命长；2）传动比恒定；齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一，其应用范围十分广泛。§1概述1.特点：5）适用性广。可达99％，在常用的机械传动中，其效率最高。在相同条件下，齿轮传动所需的空间一般较小。这也是齿轮传动获得广泛应用的原因之一。优点缺点1）制造及安装精度要求高；2）成本高。2.类型按轴的布置分平行轴齿轮传动相交轴齿轮传动交错轴齿轮传动（锥齿轮）（圆柱齿轮）内啮合齿轮传动圆锥齿轮传动人字齿轮传动斜齿轮传动按齿向分：直齿轮传动斜齿轮传动人字齿轮传动按工作条件分：闭式传动开式传动软齿面齿轮（齿面硬度≤350HBS）硬齿面齿轮（齿面硬度＞350HBS）按齿面硬度分：按齿廓分：渐开线齿轮摆线齿轮圆弧齿轮3.基本要求：1）传动平稳：即要求瞬时传动比i恒定。2）足够的承载能力：即要求在预期的使用期限内不失效。§1齿轮传动的失效形式典型机械零件设计思路：分析失效现象→失效机理（原因、后果、措施）→建立简化力学模型→强度计算→主要参数尺寸→结构设计。→设计准则齿轮的失效发生在轮齿，其它部分很少失效。失效形式轮齿折断齿面损伤齿面接触疲劳磨损（齿面点蚀）齿面胶合齿面磨粒磨损齿面塑性流动一、轮齿折断常发生于闭式硬齿面或开式传动中。现象：①局部折断②整体折断•过载折断后果：传动失效原因：•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]②齿根应力集中(形状突变、刀痕等)，加速裂纹扩展→折断σt齿双侧受载(1主动)σt齿单侧受载123受冲击载荷或短时过载作用，突然折断，尤其见于脆性材料（淬火钢、铸钢）齿轮。位置：均始于齿根受拉应力一侧。直齿轮齿宽b较小时，载荷易均布——整体折断齿宽b较大时，易偏载斜齿轮：接触线倾斜——载荷集中在齿一端改善措施：1）d一定时，z↓，m↑；2）正变位；——局部折断齿根厚度↑↑抗弯强度↓应力集中改善载荷分布6）↑轮齿精度；7）↑支承刚度。4）↑齿根过渡圆角半径；3）提高齿面硬度(HB↑)→[σF]↑；5）↓表面粗糙度，↓加工损伤；轮齿折断二、齿面接触疲劳磨损（齿面点蚀）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。点蚀实例后果：齿廓表面破坏，振动↑，噪音↑，传动不平稳接触面↓，承载能力↓传动失效软齿面齿轮：收敛性点蚀，相当于跑合；跑合后，若σH仍大于[σH]，则成为扩展性点蚀。硬齿面齿轮：点蚀一旦形成就扩展，直至齿面完全破坏。——扩展性点蚀开式传动：无点蚀（∵v磨损v点蚀）改善措施：1）HB↑——[σH]↑3）↓表面粗糙度，↑加工精度4）↑润滑油粘度2）↑ρ（综合曲率半径）(↑d1、↑xΣ)↑接触强度三、齿面胶合——严重的粘着磨损原因：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。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，(HB)小=(HB)大+(25～50)。5）↓m→↓齿面h→↓齿面vs（必须满足σF）。6）角度变位齿轮，↓啮合开始和终了时的vs。7）修缘齿，修去一部分齿顶，使vs大的齿顶不起作用。现象：齿面沿滑动方向粘焊、撕脱，形成沟痕。常发生于开式齿轮传动。原因：相对滑动+硬颗粒(灰尘、金属屑末等)润滑不良+表面粗糙。后果：正确齿形被破坏、传动不平稳,齿厚减薄、抗弯能力↓→折断改善措施：闭式：1）↑HB,选用耐磨材料;2）↓表面粗糙度;3）↓滑动系数;4）润滑油的清洁;开式：5）加防尘罩。现象：金属表面材料不断减小四、齿面磨粒磨损五、齿面塑性流动齿面较软时，重载下，Ff↑——材料塑性流动（流动方向沿Ff）该失效主要出现在低速重载、频繁启动和过载场合。主动轮1：齿面相对滑动速度方向vs指向节线，所以Ff背离节线，塑变后在齿面节线处产生凹槽。从动轮2：vs背离节线，Ff指向节线，塑变后在齿面节线处形成凸脊。改善措施：1）↑齿面硬度2）采用η↑的润滑油齿面塑性流动设计准则对一般工况下的普通齿轮传动，其设计准则为：为防止轮齿的疲劳折断，需计算齿根弯曲疲劳强度。为防止齿面点蚀，需计算齿面接触疲劳强度。注：对高速重载传动，还应按齿面抗胶合能力进行计算。六、设计准则1）闭式传动硬齿面：按齿根弯曲疲劳强度进行设计计算（确定齿轮的参数和尺寸），然后校核齿面接触疲劳强度软齿面：按齿面接触疲劳强度进行设计计算（确定齿轮的参数和尺寸），然后校核齿根弯曲疲劳强度。2）开式传动：只计算齿根弯曲疲劳强度，适当加大模数（预留磨损量）。一）锻钢HB＜350时，称为软齿面HB＞350时，称为硬齿面l．齿面硬度HB＜350工艺过程：锻造毛坯→正火--粗车→调质、精加工常用材料；45、35SiMn、40Cr、40CrNi、40MnB特点：a．具有较好的综合性能，齿面具有较高强度和硬度，齿芯具有较好韧性。b．热处理后切齿精度可达8级，应使HB小=HB大+25~50c．制造简单、经济、生产率高，对精度要求不高承载能力低，易于跑合，适用于低速中载。§11-2齿轮材料、热处理及精度2．齿面硬度HB＞350工艺过程：①锻造毛坯→粗切→调质→精切→高、中频淬火→低温回火→珩齿或研磨剂跑合、电火花跑合。常用材料：45、40Cr、40CrNi特点：a.齿面硬度高HRC＝48-55，接触强度高，耐磨性好。b．齿芯保持调质后的韧性，耐冲击能力好，承载能力较高。c．精度可达7级精度。适用于大量生产，如：汽车、机床等中速中载变速箱齿轮。②锻造毛坯→粗切→调质→精切→渗碳淬火→低温回火→磨齿。达6级、7级。常用材料；20Cr、20CrMnTi、20MnB、20CrMnTo特点：a.齿面硬度，承载能力强。b.芯部韧性好，耐冲击适合于高速、重载、过载传动或结构要求紧凑的场合，机车主传动齿轮、航空齿轮。§11-2齿轮材料、热处理及精度一）锻钢二）铸钢:当齿轮直径d＞400mm，结构复杂，锻造有困难时，可采用铸钢材料ZG350，ZG450，ZG550，正火处理、調质。三）铸铁:抗胶合及抗点蚀能力强，但抗冲击耐磨性差。适合工作平稳，功率不大低速或尺寸较大形状复杂时用。能在缺油条件下工作，适于开式传动。四）非金属材料布质、木质、塑料、尼龙、适于高速轻载。§11-2齿轮材料、热处理及精度∵┌相对运动└储存润滑剂┌Ⅰ组:传递运动的准确性│Ⅱ组:传递运动的平稳性└Ⅲ组:载荷分布的均匀性→12级,常用6～9级二.齿轮精度→三.齿轮副侧隙一.齿轮精度等级标准齿轮:理论上→(分度圆)齿厚=齿槽实际上→齿厚≠齿槽→齿轮副侧隙→齿厚减簿精度等级的选择－表11-2P.16,8§11－3齿轮传动的精度∵安装制造→误差→影响正常工作→精度据传动的用途、使用条件、传动功率、圆周速度等进行选择表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11.3齿轮传动的精度1）简化：沿齿宽均匀分布的载荷，用集中载荷Fn代替；忽略齿面间的摩擦；2）Fn沿法线方向作用，与基圆相切；O2O1tω1（主动）N1N2cααd12αFnT1一、轮齿上的作用力1t12TFdnt/cosFFrttanFF圆周力：径向力：法向力：小齿轮上的转矩：66111109.5510PPTNmmn各作用力的方向如图O2ω2（从动）O1N1N2tω1（主动）T1cααd12d22αFtFrFnFn11.4直齿圆柱齿轮传动的作用力及计算载荷rt:FF由啮合点指向各自回转中心主动轮（阻力）：与回转方向相反：从动轮（驱动力）：与回转方向相同1、各力间的关系212121rrttnnFFFFFF2、力的方向11.4直齿圆柱齿轮传动的作用力及计算载荷由于rb1不变，当T1不变，则Fn1也不变，故不管Fn1作用点在那里，Fn1大小都不变，这就是齿轮传动平稳的原因。111TrFbn11.4直齿圆柱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中用计算载荷KFn代替名义载荷Fn以考虑载荷集中和附加动载荷的影响，K----载荷系数表11-3载荷系数K原动机电动机多缸内燃机单缸内燃机均匀中等冲击大的冲击工作机械的载荷特性1.1~1.21.2~1.61.6~1.81.8~2.01.2~1.61.6~1.81.6~1.81.9~2.12.2~2.4Fnb()maxFnb()minFt2Ft1Fr2Fr1×○Ft2⊙Ft1n1n2n1n2练习：Fr1Fr211.5直齿圆柱齿轮传动的齿面接触强度计算n12H2212121111FbEE111sin2dNC222sin2dNC赫兹公式：“+”用于外啮合，“-”用于内啮合实验表明：齿根部分靠近节点处最容易发生点蚀，故取节点处的应力作为计算依据。节圆处齿廓曲率半径：齿数比:u=z2/z1=d2/d1≥121121211()得:21122()sindddd112sinuud2(1)sinuuaO2ω2（从动）O1N1N2ttω1（主动）T1cααd12d22α中心距:a=(d2±d1)/2或:d1=2a/(u±1)Cρ1ρ2=d1(u±1)/211.5直齿圆柱齿轮传动的齿面接触强度计算在节点处，一般仅用一对齿啮合，即载荷由一对齿承担，故令，称为弹性系数，其数值与材料有关，可查表11-4。112222121212122121sincossin1111tnHFuuFdudubbEEEE221212111EZEE11.5直齿圆柱齿轮传动的齿面接触强度计算令，称为区域系数，对于标准齿轮，ZH=2.5，得以KFt取代Ft，且，得齿面接触强度的校核公式:令代入上式，可得设计公式21EH31dH21dKTuZZmmuH2sincosZtHEH11FuZZbdut112FTd1HEHH121MPaKTuZZbdud1bd注意：a.[σH]选两齿轮中小的代入；（因材料、热处理不同[σH1]≠[σH2]）b.一对啮合的齿轮，σH相同而[σH]不同；即σH1=σH2。c.齿轮传动的σH主要取决于齿轮的直径d（或中心距a）d.d1（a），b，σH，疲劳强度变好。e.采用正变位、斜齿轮可提高齿轮的强度。6)接触疲劳强度取决于齿轮的d1或a，模数的大小由弯曲强度确定。表11-4安全系数SH和SFSHSF安全系数软齿面（HBS≤350）硬齿面（HBS35