汽車齒輪傳動(dòng)介紹課件

第11章齒輪傳動(dòng)■概述■齒輪傳動(dòng)失效形式和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則■齒輪材料及其熱處理■直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的受力分析及計(jì)算載荷■直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算■斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算■直齒錐齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)■齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)■齒輪傳動(dòng)的潤(rùn)滑及效率齒輪傳動(dòng)閉式傳動(dòng)開式傳動(dòng)半開式傳動(dòng)—封閉在箱體內(nèi)，潤(rùn)滑條件好—外露，潤(rùn)滑較差，易磨損—介于上兩者之間,有防護(hù)罩齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：傳遞功率和轉(zhuǎn)速適用范圍廣；具有穩(wěn)定的傳動(dòng)比；效率高、結(jié)構(gòu)緊湊。缺點(diǎn)：制造成本較高；精度低時(shí)，噪聲和振動(dòng)較大；不宜用于軸間距離較大的傳動(dòng)。概述§11-1齒輪傳動(dòng)失效形式和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則一、失效形式1、輪齒折斷★

疲勞折斷★

過載折斷全齒折斷—常發(fā)生于齒寬較小的直齒輪局部折斷—常發(fā)生于齒寬較大的直齒輪，和斜齒輪措施：增大齒根圓角半徑、提高齒面精度、正變位、增大模數(shù)等2、齒面疲勞點(diǎn)蝕★

點(diǎn)蝕常發(fā)生于閉式軟齒面（HBS≤350）傳動(dòng)中★

點(diǎn)蝕的形成與潤(rùn)滑油的存在密切相關(guān)★

點(diǎn)蝕常發(fā)生于偏向齒根的節(jié)線附近★

開式傳動(dòng)中一般不會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)蝕現(xiàn)象措施：提高齒面硬度和齒面質(zhì)量、增大直徑3、齒面膠合配對(duì)齒輪采用異種金屬時(shí)，其抗膠合能力比同種金屬強(qiáng)4、齒面磨損是開式傳動(dòng)的主要失效形式5、齒面塑性變形措施：提高齒面硬度，采用油性好的潤(rùn)滑油措施：采用異種金屬、降低齒高、提高齒面硬度等措施：改善潤(rùn)滑和密封條件二、齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則主要針對(duì)疲勞折斷和齒面點(diǎn)蝕這兩種失效形式齒根彎曲疲勞強(qiáng)度—齒輪抵抗輪齒疲勞折斷的能力齒面接觸疲勞強(qiáng)度—齒輪抵抗齒面疲勞點(diǎn)蝕的能力開式齒輪傳動(dòng)采用準(zhǔn)則二，但不校核齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則一：對(duì)于閉式軟齒面（HBS≤350）傳動(dòng)，主要失效形式是齒面點(diǎn)蝕，所以按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，而校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。設(shè)計(jì)準(zhǔn)則二：對(duì)于閉式硬齒面（HBS>350）傳動(dòng)，主要失效形式是齒根彎曲疲勞折斷，所以按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，而校核齒面接觸疲勞強(qiáng)度?！?1-2齒輪材料及其熱處理一、齒輪材料金屬材料45號(hào)鋼中碳合金鋼鑄鋼低碳合金鋼最常用，經(jīng)濟(jì)、貨源充足鑄鐵35SiMn、40MnB、40Cr等20Cr、20CrMnTi等ZG310-570、ZG340-640等HT350、QT600-3等非金屬材料尼龍、夾木膠布等選材時(shí)考慮：工作條件、載荷性質(zhì)、經(jīng)濟(jì)性、制造方法等齒輪毛坯鍛造—選可鍛材料；鑄造—選可鑄材料二、熱處理調(diào)質(zhì)正火表面淬火滲碳淬火表面氮化軟齒面。改善機(jī)械性能，增大強(qiáng)度和韌性硬齒面。接觸強(qiáng)度高、耐磨性好、可抗沖擊配對(duì)齒輪均采用軟齒面時(shí)：小齒輪受載次數(shù)多，故材料應(yīng)選好些，熱處理硬度稍高于大齒輪（約30~40HBS）法向力：圓周力—§11-3直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的受力分析及計(jì)算載荷一、輪齒受力分析條件：標(biāo)準(zhǔn)齒輪并忽略齒面間的摩擦力受力圖小齒輪基圓直徑mm小齒輪轉(zhuǎn)矩N.m徑向力—法向力—小齒輪分度圓直徑分度圓壓力角注意：下標(biāo)“1”表示主動(dòng)輪下標(biāo)“2”表示從動(dòng)輪21各力關(guān)系：各力方向：Ft1與主動(dòng)輪回轉(zhuǎn)方向相反Ft2與從動(dòng)輪回轉(zhuǎn)方向相同F(xiàn)r1

、Fr2分別指向各自齒輪的輪心例：n2n1Fr2Fr1Ft1Ft2n1n2注意：各力應(yīng)畫在嚙合點(diǎn)上！二、計(jì)算載荷FncFnc=KFn=KFt/cosα

載荷系數(shù)K=KAKvKαKβKA—使用系數(shù)Kv—?jiǎng)虞d系數(shù)Kα—齒間載荷分配系數(shù)Kβ—齒向載荷分布系數(shù)影響因素：1）外部附加動(dòng)載荷—原動(dòng)機(jī)、工作機(jī)的性能2）內(nèi)部附加動(dòng)載荷—加工誤差引起基節(jié)不等3）各對(duì)齒載荷分配不均—彈性變形、制造誤差4）載荷沿齒寬分布不均—變形及制造安裝誤差近似?。篕=1.3~1.7原動(dòng)機(jī)為電動(dòng)機(jī)、汽輪機(jī)齒輪對(duì)稱布置齒輪制造精度高斜齒輪傳動(dòng) K取小值原動(dòng)機(jī)為單缸內(nèi)燃機(jī)開式齒輪傳動(dòng)齒輪速度高 K取大值§11-4直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算齒輪承載能力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)：英國國家標(biāo)準(zhǔn)BS436德國國家標(biāo)準(zhǔn)DIN3990美國齒輪制造者協(xié)會(huì)AGMA標(biāo)準(zhǔn)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO齒輪標(biāo)準(zhǔn)中國齒輪承載能力計(jì)算國家標(biāo)準(zhǔn)3480-83基本理論：齒面接觸強(qiáng)度—以赫茲（Hertz）公式為依據(jù)齒根彎曲強(qiáng)度—以路易士（Lewis）公式為依據(jù)一、齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算閉式軟齒面齒輪傳動(dòng)的主要失效形式是齒面疲勞點(diǎn)蝕強(qiáng)度條件：σH≤[σH]MPa工作時(shí)的接觸應(yīng)力許用接觸應(yīng)力σH根據(jù)Hertz公式求出負(fù)號(hào)用于內(nèi)接觸令：ρΣ—綜合曲率半徑可將Hertz公式推廣到其它曲面接觸則ρ1

、ρ2表示接觸處的曲率半徑漸開線齒廓各接觸點(diǎn)的曲率半徑是不同的故各點(diǎn)的接觸應(yīng)力不等，須確定一個(gè)計(jì)算點(diǎn)以節(jié)點(diǎn)處的σH為計(jì)算依據(jù)節(jié)點(diǎn)處的曲率半徑：又：u=z2/z1=d2/d1、L=b、Fn=Ft

/cosα,并引入K節(jié)點(diǎn)處的接觸應(yīng)力：

材料彈性系數(shù)—ZE

節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)—ZH≈2.5齒面接觸強(qiáng)度條件：(11-4)討論：齒寬b

的大小應(yīng)適當(dāng)，b過大會(huì)引起偏載令：ψa=b/a—齒寬系數(shù)

軟齒面、對(duì)稱布置：ψa=0.8~1.4

非對(duì)稱布置：ψa=0.6~1.2懸臂布置、開式傳動(dòng)：ψa=0.3~0.4直齒輪取小斜齒輪取大硬齒面降低50%模數(shù)的大小對(duì)接觸強(qiáng)度無直接影響σH1=σH2，而[σH1]≠[σH2

]設(shè)計(jì)式：設(shè)計(jì)時(shí)，[

σH]

=min{[σH1],[σH2]}為便于裝配，取b1=b2+(5~10)mmb2=ψa

ab1=b2b1>b2(11-5)二、齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算輪齒受載后，相當(dāng)于懸臂梁故齒根部分彎曲應(yīng)力最大，是危險(xiǎn)截面Fn為防止輪齒折斷，必須保證：σF≤[σF]危險(xiǎn)截面彎曲應(yīng)力許用彎曲應(yīng)力假設(shè)：全部載荷由一對(duì)輪齒承擔(dān)，并忽略摩擦力載荷作用于齒頂時(shí)的受力分析：水平分力—F1=FncosαF垂直分力—F2=FnsinαF齒頂載荷作用角——引起彎曲應(yīng)力——引起壓應(yīng)力（忽略不計(jì)）危險(xiǎn)截面的具體位置在哪？常用30°切線法確定危險(xiǎn)截面位置齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算以受拉邊為計(jì)算依據(jù)齒根彎曲疲勞強(qiáng)度條件：力臂為hF，齒根厚為sF彎矩：M=

F1·hF=FncosαF·hFK抗彎截面系數(shù)：W=b·sF2/6（矩形截面）齒寬Fn=Ft/cosα分子、分母同除以m2

令其為齒形系數(shù)—YF故，彎曲應(yīng)力：齒形系數(shù)YF與模數(shù)的大小無關(guān)，只取決于輪齒的形狀當(dāng)齒廓的基本參數(shù)已定時(shí)，YF取決于齒數(shù)Z彎曲強(qiáng)度驗(yàn)算式：(11-8)(11-7)引入齒寬系數(shù)ψ

a=b/a，則：輪齒彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式：討論：影響齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的主要參數(shù)是模數(shù)mm↑→彎曲強(qiáng)度↑→齒厚s→截面積↑→σF↓↑配對(duì)的大小齒輪的彎曲應(yīng)力不等(11-9)計(jì)算模數(shù)時(shí)，比較YF1/[σF1]與YF2/[σF2]的大小，代入大值因σF1＞σF2，且小齒輪應(yīng)力循環(huán)次數(shù)多，故小齒輪的材料應(yīng)選好些，齒面硬度稍高些單側(cè)受載時(shí)，σF看成脈動(dòng)循環(huán)，雙側(cè)受載時(shí)，σF看成對(duì)稱循環(huán)齒數(shù)z1的選取中心距a、傳動(dòng)比i

一定時(shí)(d不變）：z1↑

YFS

m

→σF↓

↓

↓

→σF

↑σF

↑z1↑

εα

m

→平穩(wěn)↓

↑

→h

↓→切削量少

原則：在保證齒根彎曲強(qiáng)度的前提下，選取盡可能多的齒數(shù)。閉式傳動(dòng)：z1=20~40開式傳動(dòng)：z1=17~25三、許用應(yīng)力許用應(yīng)力與材料、齒面硬度、應(yīng)力循環(huán)次數(shù)等因素有關(guān)1、許用彎曲應(yīng)力[σF]σFlim—試驗(yàn)齒輪的彎曲疲勞極限，SF—彎曲強(qiáng)度最小安全系數(shù)按照表１１-5取

SF注意：●

雙側(cè)受載時(shí),σF為對(duì)稱循環(huán),應(yīng)將σFlim減小30%●

開式齒輪傳動(dòng)，考慮磨損，應(yīng)將σFlim減小10~15%P173HBSσFlimMEMQML一般按MQ線查取(11-10)2、許用接觸應(yīng)力［σH］σHlim—試驗(yàn)齒輪的接觸疲勞極限，SH

—接觸強(qiáng)度下的安全系數(shù)；按照表１１-5取

SH一般按MQ線查取●

三種硬度單位之比較：HV(維氏)≈HBS(布氏)；HRC(洛氏)×10≈HBS●

應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N=60nat主動(dòng)主動(dòng)每轉(zhuǎn)一圈同側(cè)齒面嚙合次數(shù)a=2脈動(dòng)a=1對(duì)稱斜齒輪的特點(diǎn)—輪齒呈螺旋形；嚙合時(shí)接觸線傾斜§11-5斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算一、斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)的受力分析條件：標(biāo)準(zhǔn)齒輪并忽略摩擦力圓周力徑向力軸向力法向力αn—法面壓力角αt—端面壓力角β—螺旋角21各力關(guān)系：各力方向：Ft、Fr與直齒輪相同F(xiàn)a—決定于齒輪的轉(zhuǎn)向和輪齒的旋向例：n2n1Fr2Fr1Ft1Ft2n1n2Fa2Fa1用“主動(dòng)輪左、右手定則”判斷二、齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算斜齒輪的強(qiáng)度當(dāng)量直齒圓柱齒輪的強(qiáng)度相當(dāng)于當(dāng)量直齒圓柱齒輪：模數(shù)=斜齒輪法面模數(shù)mn

壓力角=斜齒輪法面壓力角αn齒數(shù)=當(dāng)量齒數(shù)zv=z/cos3β分度圓直徑

dv=d/cos2β法向力=

斜齒輪的法向力Fn把斜齒圓柱齒輪的強(qiáng)度計(jì)算問題轉(zhuǎn)化成直齒圓柱齒輪的強(qiáng)度計(jì)算問題將當(dāng)量直齒輪的參數(shù)代入直齒輪強(qiáng)度公式，得斜齒輪接觸強(qiáng)度條件：（１１-8）P177相同條件下，斜齒輪接觸應(yīng)力比直齒輪小故：斜齒輪接觸強(qiáng)度比直齒輪大原因：●

重合度大，同時(shí)嚙合的齒數(shù)多●

接觸線是傾斜的●

當(dāng)量齒輪直徑大，齒廓平直引入齒寬系數(shù)ψ

a=b/a，得設(shè)計(jì)式：(11-13)其他幾何參數(shù)計(jì)算：初步選定齒數(shù)z1初步選定螺旋角β，常用10°~15°計(jì)算mn=d1cosβ/z1，向上圓整成標(biāo)準(zhǔn)值且mn≥1.5計(jì)算中心距a=mn(z1+z2)/(2cosβ)，并圓整β=cos-1mn(z1+z2)/2a，精確到秒精確計(jì)算d1、d2

，至少精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位三、齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算▲

接觸線傾斜特

點(diǎn)：▲輪齒局部折斷斜齒輪的彎曲強(qiáng)度也按當(dāng)量齒輪進(jìn)行斜齒輪的彎曲強(qiáng)度條件——由于β的影響，斜齒輪彎曲應(yīng)力比直齒輪小故：斜齒輪彎曲強(qiáng)度比直齒輪大引入齒寬系數(shù)ψ

a

=b/a，則b=ψ

a

a

(11-10)P178注意：●

YF應(yīng)按ZV=Z/cos3β查取●

設(shè)計(jì)時(shí)代入YF1/[σF1]與YF2/[σF2]中的大值結(jié)論：◎

斜齒輪的強(qiáng)度等同于其當(dāng)量直齒輪的強(qiáng)度◎條件相同時(shí),斜齒輪的強(qiáng)度大于直齒輪(11-15)代入強(qiáng)度條件得設(shè)計(jì)式：§11-6直齒錐齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)▲振動(dòng)和噪聲較大，常用于線速度V≤5m/s的場(chǎng)合▲

輪齒分布在錐面上，逐漸收縮特點(diǎn)：▲載荷沿齒寬分布不均

Fnb0.4b為簡(jiǎn)化計(jì)算，假定：●

法向力Fn作用于齒寬中點(diǎn)●

錐齒輪的強(qiáng)度等同于齒寬中點(diǎn)處的當(dāng)量直齒圓柱齒輪b/2dv/2dv半徑=錐齒輪齒寬中點(diǎn)背錐母線長(zhǎng)度

齒寬=錐齒輪齒寬b

模數(shù)=錐齒輪齒寬中點(diǎn)平均模數(shù)mm虛擬現(xiàn)實(shí)動(dòng)畫作用于齒寬中點(diǎn)的法向力分解成三個(gè)分力：dm1=d1(1-0.5b/R)=d1(1-0.5ψR(shí))P179d1—小錐齒輪大端分度圓直徑一、受力分析圓周力徑向力軸向力dm1—小錐齒輪齒寬中點(diǎn)分度圓直徑R—錐頂距b—齒寬ψR(shí)=b/R—齒寬系數(shù)δ1—小齒輪分度圓錐角dm1d1ROδ1

利用當(dāng)量直齒圓柱齒輪進(jìn)行分析計(jì)算各力關(guān)系：各力方向：Ft、Fr與圓柱齒輪相同F(xiàn)a1、Fa2—分別指向各自齒輪的大端二、齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算當(dāng)量齒輪直徑：當(dāng)量轉(zhuǎn)矩：當(dāng)量齒輪傳動(dòng)比：錐齒輪接觸強(qiáng)度條件：接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)式：(11-14)P181(11-15)見P179（11－12）討論