機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第5版楊可楨(13).ppt

1、天津工業(yè)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授,第11章 齒輪傳動(dòng),11-1 輪齒的失效形式,11-2 齒輪材料及熱處理,11-3 齒輪傳動(dòng)的精度,11-4 直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的作用力及計(jì)算載荷,11-5 直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算,11-6 直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的彎曲強(qiáng)度計(jì)算,11-7 斜齒圓柱齒輪傳動(dòng),11-8 直齒圓錐齒輪傳動(dòng),11-9 齒輪的構(gòu)造,11-10 齒輪傳動(dòng)的潤滑和效率,天津工業(yè)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授,第11章 齒輪傳動(dòng),作用： 不僅用來傳遞運(yùn)動(dòng)、而且還要傳遞動(dòng)力。,要求： 運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、足夠的承載能力。,分類,開式傳動(dòng) 閉式傳動(dòng),潤滑良好、適于重要應(yīng)用；,裸露、灰塵、易磨損，適于

2、低速傳動(dòng)。,天津工業(yè)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授,設(shè)計(jì)：潘存云,11-1 輪齒的失效形式,輪齒折斷,失效形式,一般發(fā)生在齒根處，嚴(yán)重過載突然斷裂、疲勞折斷。,潘存云教授研制,天津工業(yè)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授,11-1 輪齒的失效形式,輪齒折斷,失效形式,齒面接觸應(yīng)力按脈動(dòng)循環(huán)變化當(dāng)超過疲勞極限時(shí)，表面產(chǎn)生微裂紋、高壓油擠壓使裂紋擴(kuò)展、微粒剝落。點(diǎn)蝕首先出現(xiàn)在節(jié)線處，齒面越硬，抗點(diǎn)蝕能力越強(qiáng)。軟齒面閉式齒輪傳動(dòng)常因點(diǎn)蝕而失效。,齒面點(diǎn)蝕,天津工業(yè)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授,11-1 輪齒的失效形式,輪齒折斷,失效形式,齒面點(diǎn)蝕,齒面膠合,高速重載傳動(dòng)中，常因嚙合區(qū)溫度升高而引起潤滑失效，致

3、使齒面金屬直接接觸而相互粘連。當(dāng)齒面向?qū)瑒?dòng)時(shí)，較軟的齒面沿滑動(dòng)方向被撕下而形成溝紋。,措施： 1.提高齒面硬度,2.減小齒面粗糙度,3.增加潤滑油粘度低速,4.加抗膠合添加劑高速,天津工業(yè)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授,設(shè)計(jì)：潘存云,11-1 輪齒的失效形式,輪齒折斷,失效形式,齒面點(diǎn)蝕,齒面膠合,齒面磨損,措施：1.減小齒面粗糙度,2.改善潤滑條件,磨粒磨損,跑合磨損,跑合磨損、磨粒磨損。,天津工業(yè)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授,設(shè)計(jì)：潘存云,11-1 輪齒的失效形式,輪齒折斷,失效形式,齒面點(diǎn)蝕,齒面膠合,齒面磨損,齒面塑性變形,天津工業(yè)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授,11-2 齒輪材料及熱處

4、理,常用齒輪材料,優(yōu)質(zhì)碳素鋼,合金結(jié)構(gòu)鋼,鑄鋼,鑄鐵,熱處理方法,表面淬火,滲碳淬火,調(diào)質(zhì),正火,滲氮,一般用于中碳鋼和中碳合金鋼，如45、40Cr等。表面淬火后輪齒變形小，可不磨齒，硬度可達(dá)5256HRC，面硬芯軟，能承受一定沖擊載荷。,1.表面淬火,高頻淬火、火焰淬火,天津工業(yè)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授,2. 滲碳淬火,滲碳鋼為含碳量0.150.25%的低碳鋼和低碳合金鋼，如20、20Cr等。齒面硬度達(dá)5662HRC，齒面接觸強(qiáng)度高，耐磨性好，齒芯韌性高。常用于受沖擊載荷的重要傳動(dòng)。通常滲碳淬火后要磨齒。,調(diào)質(zhì)一般用于中碳鋼和中碳合金鋼，如45、40Cr、35SiMn等。調(diào)質(zhì)處理后齒面硬

5、度為：220260HBS 。因?yàn)橛捕炔桓?，故可在熱處理后精切齒形，且在使用中易于跑合。,3.調(diào)質(zhì),天津工業(yè)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授,4. 正火,正火能消除內(nèi)應(yīng)力、細(xì)化晶粒、改善力學(xué)性能和切削性能。機(jī)械強(qiáng)度要求不高的齒輪可用中碳鋼正火處理。大直徑的齒輪可用鑄鋼正火處理。,滲氮是一種化學(xué)處理。滲氮后齒面硬度可達(dá)6062HRC。氮化處理溫度低，輪齒變形小，適用于難以磨齒的場合，如內(nèi)齒輪。材料為：38CrMoAlA.,5. 滲氮,天津工業(yè)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授,特點(diǎn)及應(yīng)用： 調(diào)質(zhì)、正火處理后的硬度低，HBS 350，屬軟齒面，工藝簡單、用于一般傳動(dòng)。當(dāng)大小齒輪都是軟齒面時(shí)，因小輪齒根薄，彎曲

6、強(qiáng)度低，故在選材和熱處理時(shí)，小輪比大輪硬度高: 2050HBS,表面淬火、滲碳淬火、滲氮處理后齒面硬度高，屬硬齒面。其承載能力高，但一般需要磨齒。常用于結(jié)構(gòu)緊湊的場合。,天津工業(yè)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授,詳細(xì)數(shù)據(jù)見P161或機(jī)械設(shè)計(jì)手冊,天津工業(yè)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授,11-3 齒輪傳動(dòng)的精度等級(jí),制造和安裝齒輪傳動(dòng)裝置時(shí)，不可避免會(huì)產(chǎn)生齒形誤差、齒距誤差、齒向誤差、兩軸線不平行誤差等。.,誤差的影響：,1.轉(zhuǎn)角與理論不一致，影響運(yùn)動(dòng)的不準(zhǔn)確性；,2.瞬時(shí)傳動(dòng)比不恒定，出現(xiàn)速度波動(dòng)，引起震動(dòng)、 沖擊和噪音影響運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性；,3.齒向誤差導(dǎo)致輪齒上的載荷分布不均勻，使輪齒提 前損壞，影響

7、載荷分布的不均勻性。,國標(biāo)GB10095-88給齒輪副規(guī)定了12個(gè)精度等級(jí)。其中1級(jí)最高，12級(jí)最低，常用的為69級(jí)精度。,按照誤差的特性及它們對(duì)傳動(dòng)性能的主要影響，將齒輪的各項(xiàng)公差分成三組，分別反映傳遞運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性，傳動(dòng)的平穩(wěn)性和載荷分布的均勻性。,天津工業(yè)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授,天津工業(yè)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授,設(shè)計(jì)：潘存云,設(shè)計(jì)：潘存云,11-4 直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的作用力及計(jì)算載荷,一、輪齒上的作用力及計(jì)算載荷,圓周力,徑向力,法向力,小齒輪上的轉(zhuǎn)矩,P為傳遞的功率（KW）,1 小齒輪上的角速度，,n1 小齒輪上的轉(zhuǎn)速,d1 小齒輪上的分度圓直徑，, 壓力角,各作用力的方向如圖

8、,為了計(jì)算輪齒強(qiáng)度，設(shè)計(jì)軸和軸承，有必要分析輪齒上的作用力。,天津工業(yè)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授,設(shè)計(jì)：潘存云,二、計(jì)算載荷,上述法向力為名義載荷，理論上沿齒寬均勻分布，但由于軸和軸承的變形，傳動(dòng)裝置制造和安裝誤差等原因載荷并不是均勻分布，出現(xiàn)載荷集中的現(xiàn)象。圖示軸和軸承的剛度越小，齒寬b越寬，載荷集中越嚴(yán)重。,Fn 名義載荷,受力變形,制造誤差,安裝誤差,附加動(dòng)載荷,此外輪齒變形和誤差還會(huì)引起附加動(dòng)載荷，且精度越低，圓周速度越高，動(dòng)載荷越大。,載荷集中,計(jì)算齒輪強(qiáng)度時(shí)，采用,用計(jì)算載荷KFn代替名義載荷Fn以考慮載荷集中和附加動(dòng)載荷的影響，K 載荷系數(shù),天津工業(yè)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授

9、,設(shè)計(jì)：潘存云,齒輪強(qiáng)度計(jì)算是根據(jù)齒輪可能出現(xiàn)的失效形式來進(jìn)行的。在一般閉式齒輪傳動(dòng)中，輪齒的失效主要是齒面接觸疲勞點(diǎn)蝕和輪齒彎曲疲勞折斷。齒面疲勞點(diǎn)蝕與齒面接觸應(yīng)力的大小有關(guān)，而齒面的最大接觸應(yīng)力可近似用赫茲公式進(jìn)行計(jì)算。,11-5 直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算,赫茲公式,“+”用于外嚙合，“-”用于內(nèi)嚙合,實(shí)驗(yàn)表明：齒根部分靠近節(jié)點(diǎn)處最容易發(fā)生點(diǎn)蝕，故取節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力作為計(jì)算依據(jù)。,節(jié)圓處齒廓曲率半徑,齒數(shù)比 u= z2 /z1 = d2 /d1 1,得,中心距 a=(d2 d1)/2,或 d1 = 2a /(u 1),= d1(u 1)/2,天津工業(yè)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授,天津

10、工業(yè)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授,令：,齒寬系數(shù),設(shè)計(jì)公式,天津工業(yè)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授,在節(jié)點(diǎn)處，載荷由一對(duì)輪齒來承擔(dān),彈性模量：E1=E2=2.06105 MPA,泊松比：1=2= 0.3,=20,一對(duì)鋼制齒輪：,代入赫茲公式得,引入齒寬系數(shù) a=b/a,得設(shè)計(jì)公式,當(dāng)一對(duì)齒輪的材料，傳動(dòng)比以及齒寬系數(shù)一定時(shí)，由齒面接觸強(qiáng)度所決定的承載能力，僅與中心距a或齒輪得分度圓有關(guān)。分度圓直徑分別相等的兩對(duì)齒輪，不論其模數(shù)是否相等，具有相同的承載能力。,模數(shù)m不能成為衡量齒輪接觸強(qiáng)度的依據(jù)。,當(dāng)配對(duì)齒輪的材料不同時(shí)，公式中的系數(shù)也不同。,天津工業(yè)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授,許用接觸應(yīng)力,H

11、lim 接觸疲勞極限, 由實(shí)驗(yàn)確定,SH 為安全系數(shù)，查表11-4 確定。,天津工業(yè)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授,齒輪的接觸疲勞極限Hlim,天津工業(yè)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授,齒輪的接觸疲勞極限Hlim,天津工業(yè)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授,設(shè)計(jì)：潘存云,11-6 直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的彎曲強(qiáng)度計(jì)算,假定載荷僅由一對(duì)輪齒承擔(dān)，按懸臂梁計(jì)算。齒頂嚙合時(shí)，彎矩達(dá)最大值。,分量F2產(chǎn)生壓縮應(yīng)力可忽略不計(jì)，,彎曲力矩： M=KFnhFcosF,危險(xiǎn)界面的彎曲截面系數(shù),彎曲應(yīng)力,危險(xiǎn)截面 齒根圓角30 切線兩切點(diǎn)連線處。,齒頂受力：Fn，可分解成兩個(gè)分力：,F1 = Fn cosF F2 = Fn si

12、nF,產(chǎn)生彎曲應(yīng)力；,壓應(yīng)力，小而忽略。,天津工業(yè)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授,hF和SF與模數(shù)m相關(guān)，,輪齒彎曲強(qiáng)度計(jì)算公式：,故YFa與模數(shù)m無關(guān)。,彎曲應(yīng)力,對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)齒輪, YFa僅取決于齒數(shù)Z，取值見下頁圖。,YFa 齒形系數(shù),天津工業(yè)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授,計(jì)算根切極限,實(shí)際根切極限,標(biāo)準(zhǔn)齒輪,天津工業(yè)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授,計(jì)算時(shí)取 較大者，計(jì)算結(jié)果應(yīng)圓整, 且m 1.5,一般YFa1 YFa2， F1 F2,引入齒寬系數(shù) d=b/d,代入得設(shè)計(jì)公式,公式中 “+”用于外嚙合，“-”用于內(nèi)嚙合。,在滿足彎曲強(qiáng)度的條件下可適當(dāng)選取較多的齒數(shù)，使傳動(dòng)平穩(wěn)。在中心距a一定時(shí)，

13、z增多則m減小，da減小，節(jié)省材料和工時(shí)。,b=dd =mz1,天津工業(yè)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授,許用彎曲應(yīng)力,彎曲疲勞極限FE由實(shí)驗(yàn)確定。,SF為安全系數(shù)，查表11-4確定。,因彎曲疲勞造成的輪齒折斷可能造成重大事故，而疲勞點(diǎn)蝕只影響壽命，故：SFSH,天津工業(yè)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授,齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)，按主要失效形式進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，確定主要尺寸，然后按其它失效形式進(jìn)行必要的校核。,軟齒面閉式齒輪傳動(dòng) 按接觸強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，按彎曲強(qiáng)度校核,硬齒面閉式齒輪傳動(dòng) 按彎曲強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，按接觸強(qiáng)度校核,開式齒輪傳動(dòng) 按彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)。,其失效形式為磨損，點(diǎn)蝕形成之前齒面已磨掉。,天津工業(yè)大學(xué)專用 作

14、者： 潘存云教授,齒輪的彎曲疲勞極限Hlim,天津工業(yè)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授,設(shè)計(jì)：潘存云,設(shè)計(jì)：潘存云,11-7 斜齒圓柱齒輪傳動(dòng),一、輪齒上的作用力,圓周力,徑向力,軸向力,輪齒所受總法向力Fn可分解為三個(gè)分力,圓周力Ft的方向在主動(dòng)輪上與運(yùn)動(dòng)方向相反，在從動(dòng)論上與運(yùn)動(dòng)方向相同；徑向力指向各自的軸心；軸向力的方向由螺旋方向和輪齒工作面而定。,長方體底面,長方體對(duì)角面即輪齒法面,F=Ft /cos,Fr = F tann,天津工業(yè)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授,斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算是按輪齒的法面進(jìn)行的，其基本原理與直齒輪相同。但是，斜齒輪的重合度大，同時(shí)嚙合的輪齒較多，輪齒的接觸線

15、是傾斜的，在法面內(nèi)斜齒輪的當(dāng)量齒輪的分度圓半徑較大，因此斜齒輪的接觸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度較直齒輪低。,二、強(qiáng)度計(jì)算,一對(duì)標(biāo)準(zhǔn)斜齒輪傳動(dòng)的接觸應(yīng)力及強(qiáng)度條件為,得設(shè)計(jì)公式,求得分度圓直徑之后，可選定齒數(shù)Z1、Z2和螺旋角，則模數(shù)mn為,計(jì)算所得模數(shù)mn,圓整為標(biāo)準(zhǔn)值。,引入齒寬系數(shù) d=b/d,螺旋角系數(shù),天津工業(yè)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授,若給定模數(shù)mn,則螺旋角為：,通常螺旋角 =8 20,得設(shè)計(jì)公式,其中模數(shù)mn為法面模數(shù)， YFa為齒形系數(shù),彎曲應(yīng)力驗(yàn)算公式,引入齒寬系數(shù) d=b/d,根據(jù)當(dāng)量齒數(shù) 由圖表11-9查得。,人字齒輪取 =27 45,天津工業(yè)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授,設(shè)計(jì)：潘

16、存云,11-8 直齒圓錐齒輪傳動(dòng),一、輪齒上的作用力,小齒輪齒寬中點(diǎn)分度圓直徑,假設(shè)力集中作用在輪齒中點(diǎn)分度圓處。,AB=(b/2)sin1,dm1= d1-2AB,=d1-bsin1,天津工業(yè)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授,設(shè)計(jì)：潘存云,Ft的方向在主動(dòng)輪上與運(yùn)動(dòng)方向相反，在從動(dòng)論上與運(yùn)動(dòng)方向相同；,圓周力,徑向力,軸向力,軸向力Fa的方向?qū)蓚€(gè)齒輪都是背著錐頂。,輪齒所受總法向力Fn可分解為三個(gè)分力 :,sin1=cos2,cos1=sin2,徑向力指向各自的軸心；,當(dāng)1+2 = 90 時(shí)，有,Fr1 =Fa2,Fa1 =Fr2,于是有：,c,天津工業(yè)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授,設(shè)計(jì)：潘存

17、云,可以近似認(rèn)為，一對(duì)直齒圓錐齒輪傳動(dòng)和位于齒寬中點(diǎn)的一對(duì)當(dāng)量圓柱齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度相等。 強(qiáng)調(diào)當(dāng)量齒輪的求法,二、強(qiáng)度計(jì)算,當(dāng)量圓柱齒輪傳動(dòng)的中心距,天津工業(yè)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授,一對(duì)90的鋼制直齒圓錐齒輪傳動(dòng)的齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算公式為,得設(shè)計(jì)公式,引入齒寬系數(shù) R=b/Re,一般取：u=15, R=0.250.3,天津工業(yè)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授,設(shè)計(jì)：潘存云,計(jì)算所得模數(shù)me ,應(yīng)圓整為標(biāo)準(zhǔn)值。,確定齒數(shù) z112, z2 = uz1,確定模數(shù)me,求得,天津工業(yè)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授,得設(shè)計(jì)公式,齒根彎曲應(yīng)力及強(qiáng)度條件,mm為平均模數(shù)，YFa按當(dāng)量齒數(shù)選取 zv=z1/co

18、s1。,平均模數(shù)mm與大端模數(shù)me齒寬系數(shù)有下列關(guān)系,引入R=b/Re,天津工業(yè)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授,設(shè)計(jì)：潘存云,11-9 齒輪的構(gòu)造,直徑較小的鋼質(zhì)齒輪，當(dāng)齒根圓直徑與軸徑接近時(shí)，可以將齒輪與軸做成一體，稱為齒輪軸。否則可能引起輪緣斷裂。,1. 齒輪軸,天津工業(yè)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授,設(shè)計(jì)：潘存云,11-9 齒輪的構(gòu)造,直徑較小的鋼質(zhì)齒輪，當(dāng)齒根圓直徑與軸徑接近時(shí)，可以將齒輪與軸做成一體，稱為齒輪軸。如果齒輪的直徑比軸徑大得多，則應(yīng)把齒輪和軸分開制造。,1. 齒輪軸,2. 實(shí)心齒輪,天津工業(yè)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授,設(shè)計(jì)：潘存云,dh=1.6 ds ; lh=(1.2.1

19、.5) ds ,并使lh b c=0.3b ; =(2.5.4) mn ,但不小于8 mm d0和d按結(jié)構(gòu)取定，當(dāng)d 較小時(shí)可不開孔,3. 腹板式齒輪,天津工業(yè)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授,3. 腹板式齒輪,dh=1.6 ds ; lh=(1.2.1.5) ds ,并使lh b c=0.3b ; =(2.5.4) mn ,但不小于8 mm d0和d按結(jié)構(gòu)取定。,設(shè)計(jì)：潘存云,天津工業(yè)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授,設(shè)計(jì)：潘存云,dh= 1.6 ds (鑄鋼) ; dh=1.6 ds (鑄鐵) lh= (1.2.1.5) ds ,并使lh b c= 0.2b ; 但不小于10 mm = (2.5.4) mn ,但不小于8 mm h1 = 0.8 ds ; h2 = 0.8 h1 ; s = 1.5 h1 ; 但不小于10 mm e = 0.8 ds ; h2 = 0.8 h1,4. 輪輻式齒輪,天津工業(yè)大學(xué)專用 作者： 潘存云教授,設(shè)計(jì)：潘存云,設(shè)計(jì)：潘存云,dh= 1.6 ds