齿轮的失效形式

1齿轮的失效形式齿轮传动2齿轮材料及热处理本章要求3齿轮传动精度4直齿圆柱齿轮传动的作用力及计算载荷7齿轮的构造8齿轮传动的润滑和效率6直齿圆柱齿轮传动的轮齿弯曲强度计算5直齿圆柱齿轮传动的齿面接触强度计算本章要求掌握齿轮的失效形式、形成的机理及措施。掌握齿轮的强度计算。掌握齿轮的受力分析及计算。1齿轮的失效形式1.齿面点蚀2．轮齿折断3．齿面磨损4.齿面胶合5.齿面塑形变形齿轮轮齿的失效形式轮齿的失效形式多种多样，较为常见的有轮齿折断、齿面点蚀、磨损、胶合和塑性变形等等。齿轮传动闭式传动开式传动半开式传动—封闭在箱体内，润滑条件好—外露，润滑较差，易磨损—介于上两者之间,有防护罩1、轮齿折断★疲劳折断★过载折断全齿折断—常发生于齿宽较小的直齿轮局部折断—常发生于齿宽较大的直齿轮，和斜齿轮措施：增大齿根圆角半径、提高齿面精度、正变位、增大模数等2、齿面疲劳点蚀★点蚀常发生于闭式软齿面（HBS≤350）传动中★点蚀的形成与润滑油的存在密切相关★点蚀常发生于偏向齿根的节线附近★开式传动中一般不会出现点蚀现象措施：提高齿面硬度和齿面质量、增大直径3、齿面胶合配对齿轮采用异种金属时，其抗胶合能力比同种金属强措施：采用异种金属、降低齿高、提高齿面硬度等4、齿面磨损是开式传动的主要失效形式措施：改善润滑和密封条件5、齿面塑性变形措施：提高齿面硬度，采用油性好的润滑油一、齿轮材料2齿轮材料及热处理二、热处理一、齿轮材料金属材料45号钢中碳合金钢铸钢低碳合金钢最常用，经济、货源充足铸铁35SiMn、40MnB、40Cr等20Cr、20CrMnTi等ZG310-570、ZG340-640等HT350、QT600-3等非金属材料尼龙、夹木胶布等选材时考虑：工作条件、载荷性质、经济性、制造方法等齿轮毛坯锻造—选可锻材料；铸造—选可铸材料二、热处理调质正火表面淬火渗碳淬火渗氮软齿面。改善机械性能，增大强度和韧性硬齿面。接触强度高、耐磨性好、可抗冲击配对齿轮均采用软齿面时：小齿轮受载次数多，故材料应选好些，热处理硬度稍高于大齿轮（约30~40HBS）齿面硬度HBS≤350齿面硬度HBS350§11—3齿轮传动的精度误差对齿轮传动的影响：1、影响传递运动的准确性2、影响传动的平稳性3、影响载荷分布的均匀性精度等级：13个精度等级。第0级最高，第12级的最低。齿轮副中两个齿轮的精度等级一般取成相同P162表11—2列出了精度等级的荐用范围，设计时可参考。4直齿圆柱齿轮传动的作用力及计算载荷一、齿轮上的作用力二、计算载荷一、齿轮上的作用力在驱动力矩作用下，主动轮齿沿啮合线受到来自从动轮齿的法向力作用。由于直齿圆柱齿轮法面与端面重合，因此，作用在端面内，可分解成圆周力和径向力。n1F1Tn1Fr1Ftant1Fcost1n1FF112000dTt1Ft1Fr1F==②各力的方向：=r1Fr2Ft1Ft2F①各力关系：作用在主动轮和从动轮上的对应力等值反向，即各作用力方向判断Ft1与主动轮回转方向相反Ft2与从动轮回转方向相同Fr1、Fr2分别指向各自齿轮的轮心21例：n2n1Fr2Fr1Ft1Ft2n1n2注意：各力应画在啮合点上！二、计算载荷名义载荷：机器铭牌上给定的载荷或经受力分析得到的载荷。如等。nFTP、、计算载荷：实际计算时，为尽可能接近实际情况，需要计入影响受力效果的各种因素（制造、安装误差，轮齿、轴和轴承受载后的变形，原动机与工作机的不同性能，传动中工作载荷与工作速度的变化等），以系数的形式对名义载荷进行修正。名义载荷的修正值称为计算载荷。如等。ncccFTP、、计算齿轮强度时，名义载荷Fn通常用计算载荷KFn代替，以考虑载荷集中和附加动载荷的影响。K为载荷系数。其值由P164表11—3查取。5直齿圆柱齿轮传动的齿面接触强度计算齿轮强度计算的主要目的是避免失效。闭式齿轮传动的主要失效形式是齿面点蚀和齿根弯曲疲劳折断。开式齿轮传动的主要失效形式是齿面磨损和齿根弯曲疲劳折断。当零件在受载时是高副接触，受载后由于变形，其接触处为一小面积，通常该面积很小，而表层产生的局部应力却很大，这种应力称为接触应力。齿面疲劳点蚀与齿面的接触应力的大小有关，根据赫兹公式可计算齿面的最大接触应力：222121211111EEnHbF负号用于内接触工作时的接触应力sin2sin2222111dCNdCN齿根部分靠近节线处最易发生点蚀，所以取节点处的接触应力为计算依据，节点处的齿廓曲率半径是：uzzdd1212//令sin)1(sin21sin)(2111221211221122111iaidiiddddiad则有由于节点处只有一对齿啮合，所以载荷由一对齿承担：cos2cos11dTFFtn][)1(335213HHubaKTu其中K为载荷系数；载荷系数根据原动机的类型及工作机械的载荷特性确定，见表11-3335是两个齿轮的材料均为钢时的结果。许用接触应力MPa齿面接触强度条件：可得取齿宽系数,aba312)][335()1(uKTuaaHmm一对齿轮，当材料、传动比及齿宽系数一定时，齿轮的中心距和直径由齿面接触强度决定，而模数的大小与接触强度无关。齿面接触强度的设计公式：齿宽系数ψa越大，则中心距越小，若结构的刚性不够，齿轮制造、安装不准确，则齿宽过大容易发生载荷集中现象，使轮齿折断。轻型减速机取ψa=0.2~0.4；中型减速机取ψa=0.4~0.6；重型减速机取ψa=0.8。Ψa0.4时，通常采用斜齿或人字齿。312)][335()1(uKTuaaH8.189EEZZ数一对钢制齿轮的弹性系性系数其他配对齿轮材料的弹若配对的齿轮材料不都是钢，则计算中系数应改为乘以：若配对齿轮材料为钢对铸铁，公式中系数改为285若配对齿轮材料为铸铁对铸铁，公式中系数改为250许用接触应力[σH]的计算：2limN/mm][HHHS式中，σHlim是齿轮的接触疲劳极限，由图11-7查取；SH为齿面接触疲劳安全系数，按表11-4查取。6直齿圆柱齿轮传动的轮齿弯曲强度计算根据载荷由一对轮齿承担，当载荷作用于齿顶时，齿根所受到的弯曲力矩最大。计算时将轮齿看作为悬臂梁，危险截面用30o切线法确定。Fn作与轮齿对称中心线成30o夹角并与齿根圆角相切的斜线，而认为两切点连线是危险截面。危险截面处的齿厚为SF。FnFnFFFFsincos21法向力Fn分解为与轮齿圆周方向相一致的F1和与径向方向相一致的径向力F2。弯矩：M=F1·hF危险截面的弯曲截面系数：W=b·sF2/6（矩形截面）=KFnhFcosαF危险截面的弯曲应力为：WMF齿轮弯曲强度验算公式：212111N/mm][22FFFFzbmYKTmbdYKT其中，YF为齿形系数，它与齿形中的尺寸比例有关，与模数无关，对于标准齿轮仅决定于齿数。正常齿制标准齿轮YF见图11—9。因为YF1和YF2不同，[F1]和[F2]也不同，验算时应分别验算两个齿轮的弯曲强度。轮齿弯曲强度设计公式：mm][)1(43211FaFzuYKTm计算中，代入YF1/[σF1]和YF2/[σF2]中比值较大值。计算后的模数应圆整为标准模数值。FFFSlim][弯曲许用应力计算式：其中σFlim是齿轮的齿根弯曲疲劳极限，由图11-10查取；当轮齿为双侧工作的齿轮时，将数据乘以0.7；SF为轮齿弯曲疲劳安全系数，由表11-4查取软齿面闭式齿轮传动先按齿面接触强度确定传动尺寸，然后验算轮齿弯曲强度；硬齿面闭式齿轮传动，先按轮齿弯曲强度进行设计计算，然后验算齿面接触强度；开式齿轮传动，按闭式齿轮传动的强度公式进行计算，许用弯曲应力应乘以0.7~0.8；齿轮传动设计时，首先按主要失效形式进行强度计算，确定其主要尺寸，然后对其他失效形式进行必要的校核。例题闭式直齿圆柱齿轮传动，电动机驱动，单向转动，载荷有中等冲击。传动比i=3.7，高速轴转速n1=745r/min，传动功率P=17kW，确定该传动齿轮。1.选择材料并确定许用应力小齿轮用40MnB调质处理，HB260(1)大齿轮用ZG35SiMn调质处理，HB225(2)22lim221lim122lim221lim1N/mm1383.1180][N/mm1853.1240][N/mm4911.1540][N/mm6361.1700][FFFFFFHHHHHHSSSS查得σHlim1=700N/mm2，σHlim2=540N/mm2，SH=1.1(3)，σFlim1=240N/mm2，σFlim2=180N/mm2，SF=1.3（4）mm2.2207.34.0108.25.1)491335()17.3()][335()1(N/mm1018.2745171055.93523122561uKTuaTaH2.按齿面接触强度设计设齿轮按8级精度制造，载荷系数取K=1.5，齿宽系数ψa=0.4(5)取z1=32，z2=iz1=3.7×32≈118(6)模数m=2a/（z1+z2）=2×220.2/（32+118）=2.94，取m=3mm。中心距a=m（z1+z2）/2=3×（32+118）/2=225mm(7)22512111N/mm9.643239057.21018.25.122zbmYKTFF齿宽b=ψaa=0.4×225=90mm取b2=90mm，b1=95mm(8)3.验算轮齿弯曲强度齿形系数YF1=2.57，YF2=2.18按最小齿宽验算：，故强度足够。因为][N/mm1.5557.218.29.642112FFFFFFYYm/s74.310006074532310006011ndv4.齿轮圆周速度：故采用8级精度合适。5.齿轮各部分参数计算小齿轮：大齿轮：mchzdmhzdmzdafaa)22()2(**11*1111mchzdmhzdmzdafaa)22()2(**22*2222costan21111111tntrtFFFFdTF12121212;;nnrrttFFFFFFiTT小齿轮：6.作用在轮齿上的作用力：大齿轮：