3传动10齿轮传动

第三篇传动徐尤南机电工程学院2015年10月10日第三篇传动第八章带传动(DF)第九章链传动(D)第十章齿轮传动(DF)第十一章蜗杆传动(DF)第三篇传动第十章齿轮传动§10-1概述§10-2齿轮传动的失效形式及设计准则§10-3齿轮的材料及其选择原则§10-4齿轮传动的计算载荷§10-5标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算§10-6齿轮传动的精度、设计参数与许用应力§10-7斜齿圆柱齿轮传动的强度计算§10-8直齿锥齿轮传动的强度计算§10-9齿轮的结构设计§10-10齿轮传动的润滑§10-11圆弧齿圆柱齿轮传动简介第十章齿轮传动1.掌握齿轮传动的优缺点、适用场合、类型及精度选择。2.掌握选用齿轮材料的基本要求、常用热处理方法，合理地选用齿轮的配对材料。3.熟练掌握齿轮传动的受力分析方法，要能正确判断各力的方向。4.掌握齿轮的齿面接触疲劳强度及齿根弯曲疲劳强度的基本理论及各参数的意义。5.掌握齿轮传动设计步骤和方法，合理地选用齿轮参数。6.理解计算载荷的意义，了解计算载荷中各参数的物理意和影响因素。7.了解齿轮失效形式的特点、部位、机理及预防或减轻失效的措施，针对不同失效形式的设计计算准则。8.了解齿轮结构的设计方法、齿轮润滑及效率。基本要求06:335二、齿轮传动的特点：1.效率高；2.结构紧凑；3.工作可靠、寿命长；4.传动比稳定；5.应用范围广。6.制造安装精度要求高，因此成本高；7.不宜传动距离过大的场合。§10-1概述一、齿轮传动的组成及工作原理：1.组成：主动轮、从动轮2.工作原理：齿轮传动是啮合传动，靠主动轮齿和从动轮齿的相互啮合来传递运动和动力。06:3361.按装置型式分：1）开式齿轮传动2）半开式齿轮传动3）闭式齿轮传动三.齿轮传动的类型：2.按速度的大小分：高速（v15m/s）低速（v3m/s）4.按齿面的软硬分：硬齿面（HB350或HRC38）软齿面（HB350或HRC38）3.按载荷大小分：轻载重载四、对齿轮传动的要求：1.传动要平稳、准确2.要具有足够的承载能力§10-1概述06:337§10-2齿轮传动的失效形式和设计准则齿轮传动的失效主要是轮齿的失效，而轮齿的失效形式与工作条件、速度、载荷、材料热处理等因素有关，其常见的失效形式有：一、失效形式：1.轮齿折断：折断发生在齿根处原因齿根弯曲应力大；齿根应力集中1）过载折断（淬火钢和铸铁齿轮常见的失效形式）；2）疲劳折断:齿根应力集中、交变载荷反复作用、疲劳裂纹扩展.Fn06:3381）材料及热处理；2）增大模数；3）增大齿根圆角半径消除刀痕；4）喷丸、滚压处理；5）增大轴及支承刚度。采取措施直齿轮齿宽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——局部折断§10-2齿轮传动的失效形式和设计准则06:339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。2.齿面点蚀：§10-2齿轮传动的失效形式和设计准则点蚀实例06:3310注意：1）点蚀常发生在闭式软齿面传动中；2）开式传动主要是磨损，很少出现点蚀。采取措施：提高材料的硬度；加强润滑，提高油的粘度§10-2齿轮传动的失效形式和设计准则06:33113.齿面的胶合：原因：高速重载；滑动速度大；散热不良；齿面金属熔化粘连后撕脱——热胶合齿面粘连后撕脱低速重载，由于齿面间油膜破坏，也会出现胶合——冷胶合采取措施：提高材料的硬度；加强润滑，提高油的粘度§10-2齿轮传动的失效形式和设计准则06:33124.齿面磨损：措施：1）加强润滑；2）开式改闭式传动原因：相对滑动；润滑不良；存在杂质。§10-2齿轮传动的失效形式和设计准则06:3313被动相对滑动方向主动5.齿面的塑性变形：措施：提高材料的硬度，改善润滑原因：重载，齿面软主动被动§10-2齿轮传动的失效形式和设计准则06:3314具体工作条件下的设计准则：二.设计准则：闭式传动软齿面按齿面接触疲劳强度设计按轮齿弯曲疲劳强度校核硬齿面分别按轮齿弯曲疲劳强度和齿面接触疲劳强度校核，取模数大者开式（半开）传动按轮齿弯曲疲劳强度条件性设计，加大模数10~15%工作条件主要失效点蚀断齿、点蚀保证齿面有足够的接触疲劳强度保证齿面有足够的接触疲劳强度和轮齿有足够的弯曲疲劳强度磨损——断齿保证齿面有足够的抗磨损能力和轮齿有足够的弯曲疲劳强度高速、重载胶合保证齿面有足够的抗胶合能力进行抗胶合能力计算或进行热平衡计算§10-2齿轮传动的失效形式和设计准则06:3315§10-3齿轮材料及选择原则对材料的基本要求：齿面要硬，齿芯要韧。一.常用材料：齿轮常用材料是各种牌号的中碳钢，中、低碳合金钢，铸钢和铸铁等。一般多采用锻造毛坯或轧制钢材，齿轮尺寸较大或结构复杂且生产批量大时，可采用铸钢或铸铁。表10—1列出了常用齿轮材料及牌号、热处理方法及硬度。轮齿具有足够强度和韧性抵抗轮齿折断齿面具有较高的硬度和耐磨性抵抗齿面点蚀、胶合、磨损、塑性变形06:33161.表面淬火用于中碳钢和中碳合金钢。表面淬火硬度可达5256HRC，由于齿面的硬度高，耐磨性好，而齿芯的韧性较高，用于轻微冲击、要求结构紧凑、无须磨齿的场合。二、常用热处理方法金属钢铸铁锻钢铸钢ZG310-570等调质钢45、40Cr、30CrMnSi、35SiMn等渗碳钢20Cr、20CrMnTi等氮化钢38CrAlA等HT250、HT200、QT500-5等非金属：夹布塑胶、尼龙常用于小功率、精度不高、噪声低的场合§10-3齿轮材料及选择原则06:33173.调质用于中碳钢和中碳合金钢。调质后齿面硬度一般为220260HBS。适用于无结构尺寸要求。4.正火（常化）正火用于消除内应力，亦适用于机械强度要求不高的齿轮。5.渗氮渗氮后齿面硬度可达60-62HRC，因氮化温度低，轮齿的变形小，适用于难于磨齿（如内齿轮），又要求齿面硬度大的场合。2.渗碳淬火渗碳钢用于低碳钢和低碳合金钢，表面淬火硬度可达58-62HRC，齿面的硬度高，耐磨性好，而齿芯的韧性较高，用于冲击严重、要求结构紧凑的重要齿轮传动。通常渗碳淬火后要磨齿。§10-3齿轮材料及选择原则06:3318上述5种热处理方法中，3、4两种方法得到的为软齿面齿轮（HBS≤350），其余3种得到硬齿面齿轮（HBS350）。三.齿轮材料的选择原则：1.工作条件的要求：功率、可靠度、质量、环境2.工艺要求：毛坯选择；热处理方式3.硬度选择：*软齿面硬度350HBS；*软齿面齿轮HBS1-HBS230～50高速、重载体积紧凑较好的材料及热处理方式说明§10-3齿轮材料及选择原则§10-4齿轮传动的计算载荷名义载荷(理论载荷)：ncancaKFFKFpLnnFFpL计算载荷(考虑实际因素的载荷)：1.使用系数KA：是考虑轮齿啮合是外部因素引起的附加动载荷。它主要取决于原动机和工作机的特性、质量比、联轴器类型及运行状态。载荷系数KKKKKVA其值见P193表10-2。载荷状况工作机器原动机电机蒸汽机多缸内燃机单缸内燃机均匀平稳…1.01.11.251.5轻微冲击…1.251.351.51.75中等冲击…1.51.61.752.0严重冲击…1.751.852.02.2506:33202.动载系数KV：产生原因：瞬时传动比不是定值产生冲击和动载荷1)由制造、安装误差及轮齿受载后变形所引起的法向齿距不等2)由直齿轮传动中，单、双齿啮合的过渡——啮合刚度变化——动载荷§10-4齿轮传动的计算载荷06:3321采取措施：1）提高制造精度2）减小齿轮直径——降低v3）齿顶修缘——高速、硬齿面KV的值见P194图10-8vvK精度影响因素：注意：1）此图适用于直齿和斜齿圆柱齿轮；2）对于直齿圆锥齿轮，精度降一级，按vm查图。减小啮入冲击，使传动平稳；一般通过剃齿刀和磨齿修正轮实现§10-4齿轮传动的计算载荷3.齿间载荷分配系数K：产生原因：双对齿啮合轮齿弹性变形和齿距误差两对齿上载荷分配不均采取措施：提高制造精度K的值见P195表10-3重合度ε大于1时，由于齿距误差及弹性变形等原因，某条接触线上的载荷可能会大于平均单位载荷§10-4齿轮传动的计算载荷06:33234.齿向载荷分布系数K：产生原因：1）齿轮相对两轴承不对称配置；2）轴、轴承、支座的变形；3）制造、安装误差。采取措施：1）增大轴、轴承、支座的刚度；2）对称布置；3）适当地限制齿轮的宽度；4）鼓型轮齿；5）提高制造精度等。KH的值见P197表10-4，KF的值见P198图10-13受载后轴产生弯曲变形，造成作用在齿面上的载荷沿接触线分布不均匀06:3324§10-5标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算一.轮齿的受力分析：力学模型简化：1）作用在齿面上的分布载荷以作用在齿宽中点上的集中力代替；2）忽略摩擦力。21cosntnFFF法向力21112ttFdTF切向力211rtrFtgFF径向力受力大小：Fn分解为Ft、Fr其中：T1—小齿轮的扭矩，N•mm;力的方向：mmNnPT11611055.9圆周力：径向力：Fr1和Fr2指向各自的轮心主动轮上Ft1与v1反向；从动轮上Ft2与v2同向Kwr/min06:3325二.齿面的接触疲劳强度计算：设计准则：保证齿面不发生点蚀失效——即保证齿面有足够的接触疲劳强度HH1.接触应力的概念：接触应力——两个以曲面接触的物体，受载前是点或线接触，受载后发生弹性变形，接触处变成小面，通常在此小面上产生很大的表面应力，叫接触应力。两曲面的接触情况分为：初始点接触初始线接触外接触内接触FL§10-5标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算06:3326初始线接触初始点接触内接触外接触外接触内接触L§10-5标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算06:33272.两平行轴圆柱体接触的最大接触应力：受载前：线接触受载后：矩形面接触最大接触应力发生在接触区的中线处,由弹性力学知，最大接触应力为：]11[)11(22212121EELFHFLLFZE其中：MPaEEZE22212121111111，弹性系数，P198表10-6式中：——两接触体的综合曲率半径；“+”——外接触；“-”——内接触；1，2——两接触体的泊松比；E1，E2——两接触体的弹性模量。（赫兹公式）06:3328LFZEH21111综合曲率半径对接触应力H的影响06:33293.齿面接触疲劳强度的计算：kkkttrbOKABrk建立力学模型：（1)渐开线齿廓上各点的曲率半径不同（2）沿工作齿廓各点所受的载荷不同（有单齿、双齿啮合之分）结论：工作齿廓各点的接触应力不同，在小齿轮单齿啮合的最低点接触应力最大。1）两渐开线齿面上的最大接触应力计算:06:3330通常按节点啮合进行计算即：将渐开线齿廓在节点啮合当量成一对圆柱体接触，再按赫兹公式计算。LFZEH2121111式中：sin2sinsin11111drrPNsin222dsin21111111121duuuusin21111111121duuuu,costncaKFKFFF1212zzddu其中：——齿数比bL接触齿宽（工作齿宽）LFZEH将以上各式代入赫兹公式：sin21cos1duubKFZtEuubdKFZZtHE11式中：cossin2HZ——节点区域系数，