《齿轮传动设计》PPT课件

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第3章 齿轮传动设计,3-1 概 述, 3-1 齿轮传动概述,优点:,缺点:, 3-1 齿轮传动概述,学习本章的目的,本章学习的根本目的是掌握齿轮传动的设计方法,也就是要能够根据齿轮工作条件的要求,能设计出传动可靠的齿轮,设计齿轮设计确定齿轮的主要参数以及结构形式,主要参数有:模数m、齿数z、螺旋角以及齿宽b、中心距a、直径(分度圆、齿顶圆、齿根圆)、变位系数、力的大小, 根据装置形式:,开式齿轮,闭式齿轮,半开式齿轮,齿轮完全外露,润滑条件差,易磨损,用于低速简易设备的传动中,齿轮完全封闭,润滑条件好,有简单的防护罩, 外形及轴线:,齿轮类型:, 3-1 齿轮传动概述, 根据齿面硬度(hardness):,硬度:金属抵抗其它更硬物体压入其表面的能力,硬齿面,齿面硬度 350HBS 或 38HRC,齿面硬度 350HBS 或 38HRC,软齿面,硬度越高,耐磨性越好,硬度检测方法:,布氏硬度法(HBS),洛氏硬度法(HRC), 3-1 齿轮传动概述,1、轮齿折断(Tooth breakage), 疲劳折断, 过载折断,一、齿轮传动的失效形式,3-2 齿轮传动的失效形式和设计准则,3-2 齿轮传动的失效形式和设计准则,齿根受弯曲应力,初始疲劳裂纹,裂纹不断扩展,轮齿折断,短时过载或严重冲击,静强度不够,疲劳折断是闭式硬齿面的主要失效形式!,全齿折断 齿宽较小的齿轮,局部折断 斜齿轮或齿宽较大的直齿轮,措施:增大模数(主要方法)、增大齿根过渡圆角半径、增加刚度(使载荷分布均匀)、采用合适的热处理(增加芯部的韧性)、提高齿面精度、正变位等,2、疲劳点蚀(Fatigue pitting),产生机理:,齿面受交变的接触应力,产生初始疲劳裂纹,润滑油进入裂纹并产生挤压,表层金属剥落,注意:, 凹坑先出现在节线附近的齿根表面上,再向其它部位扩展,麻点状凹坑, 其形成与润滑油的存在密切相关, 常发生于闭式软齿面(HBS350)传动中, 开式传动中一般不会出现点蚀现象 (磨损较快),措施:,提高齿面硬度和质量、增大直径(主要方法)等,3-2 齿轮传动的失效形式和设计准则,3、齿面胶合,产生机理:,高速重载,齿面金属直接接触并粘接,齿面相对滑动,摩擦热使油膜破裂,低速重载,不易形成油膜,现象:,齿面上相对滑动方向形成伤痕,措施:,采用异种金属、降低齿高、提高齿面硬度,较软齿面金属沿滑动方向被撕落,热胶合,表面膜被刺破而粘着,冷胶合,(配对齿轮采用异种金属时,其抗胶合能力比同种金属强),3-2 齿轮传动的失效形式和设计准则,4、齿面磨损,是开式传动的主要失效形式,5、齿面塑性变形,措施:提高齿面硬度,采用油性好的润滑油,措施:改善润滑和密封条件,磨损后齿廓形状破坏,齿厚减薄,机理:,现象:,主动轮在节线附近形成凹沟;从动轮则形成凸棱,若齿面材料较软,齿面金属会沿摩擦力的方向流动,且载荷及摩擦力很大,3-2 齿轮传动的失效形式和设计准则,二、齿轮传动的设计准则(design criteria),主要失效:疲劳点蚀,1、闭式软齿面,主要针对轮齿疲劳折断和齿面疲劳点蚀这两种失效形式,齿轮工作时,要保证足够的齿根弯曲疲劳强度和齿面接触疲劳强度,先按sHsHP算出齿轮主要尺寸,,再校核sFsFP,按接触疲劳强度设计,,校核弯曲疲劳强度,主要失效:轮齿折断,2、闭式硬齿面,按弯曲疲劳强度设计,,校核接触疲劳强度,先按sFsFP算出齿轮的主要尺寸,,再校核sHsHP,主要是:齿面磨损其次是:轮齿折断,3、开式齿轮,按弯曲疲劳强度设计,不需校核接触疲劳强度,把模数增大10%左右考虑磨损的影响,3-2 齿轮传动的失效形式和设计准则,3-3 齿轮材料、热处理及精度,3-3 齿轮材料、热处理及精度,一、对齿轮材料性能的要求,齿轮的齿体应有较高的抗折断能力,齿面应有较强的抗点蚀、抗磨损和较高的抗胶合能力,即要求:齿面硬、芯部韧,二、常用齿轮材料,钢材韧性好,耐冲击,可通过热处理和化学处理来改善其机械性能,最适于用来制造齿轮,金属材料,45钢,中碳合金钢,铸钢,低碳合金钢,铸铁,非金属材料,锻钢,如何选材?,考虑工作条件、载荷性质、经济性、制造方法等,二、热处理(heat treatment),调 质,正 火,表面淬火,渗碳淬火,表面氮化,软齿面,硬齿面,3-3 齿轮材料、热处理及精度,用于中碳或中碳合金钢,如45、40Cr、35SiMn等。因为硬度不高,故可在热处理后精切齿形,且在使用中易于跑合,能消除内应力、细化晶粒、改善力学性能和切削性能。机械强度要求不高的齿轮可用中碳钢正火处理。大直径的齿轮可用铸钢正火处理,用于中碳钢和中碳合金钢,如45、40Cr等。表面淬火后轮齿变形小,可不磨齿,硬度可达5256HRC,面硬芯软,能承受一定冲击载荷,渗碳钢为含碳量0.15 % 0.25%的低碳钢和低碳合金钢,如20、20Cr等。齿面硬度达5662HRC,齿面接触强度高,耐磨性好,齿芯韧性高。常用于受冲击载荷的重要传动。通常渗碳淬火后要磨齿,一种化学处理方法。渗氮后齿面硬度可达6062HRC。氮化处理温度低,轮齿变形小,适用于难以磨齿的场合,如内齿轮。材料为:38CrMoAlA.,3-3 齿轮材料、热处理及精度,特点及应用:,表面淬火、渗碳淬火、渗氮处理后齿面硬度高,属硬齿面。其承载能力高,但一般需要磨齿。常用于结构紧凑的场合,调质、正火处理后的硬度低,HBS 350,属软齿面,工艺简单、用于一般传动,注意:当大小齿轮都是软齿面时,因小轮齿根薄,弯曲强度低,故在选材和热处理时,小轮比大轮硬度高: 3050HBS,三、齿轮传动的精度(accuracy),第公差组 反映运动精度,即运动的准确性,第公差组 反映工作平稳性精度,第公差组 反映接触精度,载荷分布的均匀性,GB10095-88将齿轮精度分为三个公差组:,每个公差组有13个等级,0级最高,12级最低,精度标注示例:,常用69级,且三个公差组可取不同等级,887FL,若3项精度相同,则记为: 8FL,精度等级按表3-5查取,3-3 齿轮材料、热处理及精度,齿轮副的侧隙:,3-3 齿轮材料、热处理及精度,一、受力分析,3-4 直齿圆柱齿轮传动的强度计算,Fn1,Fn2,Fn1,Ft1,Fr1,在节点C处进行分解,设为标准齿轮,标准中心距安装,力集中作用在齿宽中点,忽略摩擦力,3-4 直齿圆柱齿轮传动的强度计算,1、力的大小,将主动轮的Fn在节点C处进行分解:,圆周力:,径向力:,法向力:,扭 矩:,3-4 直齿圆柱齿轮传动的强度计算,作用在齿轮间只有一个法向力Fn,其方向不变 ,始终沿啮合线作用,2、力的方向,圆周力Ft:,径向力Fr:,沿节点处的圆周方向(即切线方向),其指向:,沿半径方向指向各自轮心,主动轮上与其转向相反,从动轮上与其转向相同,3、力的对应关系,圆周力Ft、径向力Fr各自对应,3-4 直齿圆柱齿轮传动的强度计算,例:,Ft2,Ft1,主视图,左视图,3-4 直齿圆柱齿轮传动的强度计算,二、计算载荷,名义载荷:,K:载荷系数,计算载荷:,载荷系数:, KA 考虑原动机与工作机的工作特性,振动、冲击,KKAKvKaKb,KA见表3-1,3-4 直齿圆柱齿轮传动的强度计算, 动载系数Kv,考虑齿轮副本身的啮合误差,如制造误差造成两基节不等,齿形误差,轮齿变形等,直齿圆柱齿轮 : Kv 1.05 1.4,斜齿圆柱齿轮: Kv 1.02 1.2,精度 Kv,速度 Kv, 齿间载荷分配系数Ka,考虑制造误差及轮齿弹性变形,对于同时参与啮合的两对轮齿,Ka =11.2,Ka =11.4,精度高取小值,反之取大值,斜齿圆柱齿轮:,直齿圆柱齿轮:,3-4 直齿圆柱齿轮传动的强度计算, 齿向载荷分布系数Kb,考虑齿轮非对称布置、轴的变形,3-4 直齿圆柱齿轮传动的强度计算, 轴的弯曲变形:,齿轮随之偏斜,引起偏载,不对称布置时,靠近轴承一侧受载大,悬臂布置时,偏载更严重, 轴的扭转变形:,靠近转矩输入端的齿侧变形大,故受载大, 轴的弯曲、扭转变形的综合影响:,若齿轮靠近转矩输入端布置,偏载严重,若齿轮远离转矩输入端布置,偏载减小,因此,齿轮在轴承间非对称布置时,齿轮应布置在远离转距输入、输出端!,3-4 直齿圆柱齿轮传动的强度计算,例:请指出下列两种传动方案有何不同?哪一种更合理?,左方案不合理,右方案合理,3-4 直齿圆柱齿轮传动的强度计算,齿宽和齿面硬度对偏载的影响:,齿轮越宽、硬度越大,越容易产生偏载,软齿面 取 K 1.01.2,硬齿面 取 K 1.11.35,齿宽较小、对称布置、轴刚度大 K 取偏小值,沿齿宽方向修形或做成鼓形齿,可减小偏载,K 的取值:,三、齿面接触疲劳强度的计算,为使齿轮不发生疲劳点蚀,应保证,最大接触应力,许用接触应力,1、接触应力(contact stress),1、2 两圆柱体材料的泊松比,E1、E2 两圆柱体材料的弹性模量,“+” 号用于外接触, “” 号用于内接触,3-4 直齿圆柱齿轮传动的强度计算,把齿轮啮合转化为圆柱体接触问题,啮合过程中各接触点的曲率半径是变化的,A1,A2,B1,B2, 用1、2 表示接触处的曲率半径,到底取齿廓上哪一点作为计算点?,因此各点的H 也是变化的,3-4 直齿圆柱齿轮传动的强度计算,什么是渐开线齿廓曲率半径?是否恒定不变?,单对齿啮合区间的下界点D 处H最大,为简化计算,同时考虑到节点C处是一对齿承载,且点蚀常发生于节线附近,Hertz公式中的参数在节点C 处易于表示, 故取 节点C 处的接触应力为计算依据,两圆柱体的半径 =,节点处的曲率半径:,d1、d2 两轮的节圆直径,标准齿轮则为分度圆直径, 啮合角,标准齿轮则为分度圆压力角,齿数比:,节圆直径:,则:,节点C处的曲率半径,3-4 直齿圆柱齿轮传动的强度计算,接触线长度 L :,考虑多对齿同时啮合,取,b 齿宽,Z 重合度系数,,Z0.850.92,齿数多取偏小值,计算载荷 Fnc :,将上述参数代入赫兹公式,得节点处的接触应力:,“”用于外啮合齿轮传动“”用于内啮合齿轮传动,3-4 直齿圆柱齿轮传动的强度计算,节点区域系数(图3-11),一样大,作用与反作用的关系!,一对相啮合的大小两轮,其接触应力一样吗?,重合度系数,3-4 直齿圆柱齿轮传动的强度计算,2、许用接触应力sHP (allowable contact stress),试验齿轮的接触疲劳极限,接触强度计算的寿命系数,接触强度计算的最小安全系数,表3-4,接触疲劳极限sHlim(图3-16),根据材料、硬度、热处理方式按线MQ查,当硬度超出范围时,可作适当的线性延伸!,ML:齿轮材料和热处理质量要求低时 的取线,MQ:齿轮材料和热处理质量中等要求 时的取线,ME:齿轮材料和热处理质量严格要求 时的取线,3-4 直齿圆柱齿轮传动的强度计算,寿命系数ZN(图3-18),转速 r/min,总工作时间 h,齿轮每转一圈,轮齿同侧齿面啮合的次数,循环次数N为:,sHlim是按无限寿命试验所得,若为有限寿命,则疲劳极限值应提高,ZN 1,单侧受载,F 为脉动循环,双侧受载,F 为对称循环,主动,一个齿轮与多个齿轮啮合时,a 如何确定?,主动,3-4 直齿圆柱齿轮传动的强度计算,齿面接触疲劳强度条件:, 校核式,按接触疲劳强度进行设计:, 设计式,一对齿轮的sHP1与sHP2可能不等,故设计式中应以两者中的小值代入,为限制齿宽,令:, 齿宽系数,3-4 直齿圆柱齿轮传动的强度计算,注意:,齿面接触疲劳强度主要取决于分度圆直径 d,d 越大,,接触强度,越高,H,越小,齿宽 b 的大小应适当, b 过大会引起偏载,(Fn 减小;齿廓平直),模数 m 的大小对接触强度无直接影响,d1m z1,两齿轮的接触应力相等,H1H2,齿宽系数根据具体情况选取,因H1 = H2,而HP1 HP2,故一对齿轮传动时,接触强度通常不等。HP 越小,强度越低,,应按强度低的齿轮设计,3-4 直齿圆柱齿轮传动的强度计算,求出 d1,选择 z1,计算 m = d1/z1,计算 a = m (z1+z2)/2,模数 m 应向大的方向靠标准值,且 m 1.5;,按标准模数反算 d1、d2,精确到小数点后三位;,中心距 a 应为整数,便于箱体座孔的加工测量,,若 a 不是整数,则将其圆整,并对齿轮进行变位。,注意:,3-4 直齿圆柱齿轮传动的强度计算,提高齿面接触疲劳强度的主要措施:, 加大齿轮直径或中心距, 适当加大b或yd, 正变位, 改善材料, 提高齿轮的精度等级, 改善热处理,提高齿面硬度,两个齿轮的宽度一样吗?,为保证有效啮合宽度,降低装配难度,取 b1 = b2 + (510) mm,b2 = d d1,b1=b2,b1b2,影响最大的几何因素,3-4 直齿圆柱齿轮传动的强度计算,四、直齿圆柱齿轮齿根弯曲疲劳强度计算,a) 力学模型:,悬臂梁,b) 危险截面:,300切线法,为防止轮齿的弯曲疲劳折断,须满足:,最大弯曲应力,许用弯曲应力,矩形, 宽(齿根厚)SF, 长b,1、弯曲应力sF(bending stress),c) 产生最大弯矩时的载荷作用点,单对齿啮合区间的上界点D,(动画),M,N,E,3-4 直齿圆柱齿轮传动的强度计算,但考虑到齿轮制造、安装误差的影响及计算方便,对于一般精度的齿轮,可近似的认为重合度为1,Fn,切向分力,径向分力,弯曲应力sF,切应力t,压应力sy,值较小,暂不考虑,后引入系数进行修正,略去齿面间的摩擦力,Fn,FncosaF,FnsinaF,此时,所有载荷由一对齿承担,并以齿顶作为载荷作用点,3-4 直齿圆柱齿轮传动的强度计算,E,拉伸侧的弯曲应力:,Fn,FncosaF,SF,hF,l 、 g 为比例系数,YFa,3-4 直齿圆柱齿轮传动的强度计算,齿形系数YFa,l 、 g、aF与轮齿形状有关,因此 YFa只与齿数和变位系数有关,与模数m无关, 变位系数对YFa的影响:, 齿数对YFa的影响:,YFa具体数值按图3-14查取,z越多,YFa越小,x越大,YFa越小,3-4 直齿圆柱齿轮传动的强度计算,齿形系数YFa,3-4 直齿圆柱齿轮传动的强度计算,考虑切应力、压应力及过渡圆角处应力集中的影响,引入应力修正系数YSa(图3-15),3-4 直齿圆柱齿轮传动的强度计算,应力修正系数,考虑重合度,引入重合度系数 Y,Y 0.650.85,齿数多、重合度大时取偏小值,3-4 直齿圆柱齿轮传动的强度计算,则齿根弯曲应力为:,一对相啮合两个大小齿轮,其齿根弯曲应力大小一样吗?, z1 z2,但由于YFa的变化程度更剧烈一些,因此,试验齿轮的弯曲疲劳极限,弯曲强度计算的寿命系数(图3-19),弯曲强度计算的最小安全系数(表3-4),若齿轮受对称循环变应力作用,则查得的sFlim应乘 0.7,试验齿轮的应力修正系数,取YST=2,弯曲疲劳极限sFlim (图3-8),2、齿轮的许用弯曲应力sFP (allowable bending stress),一对相啮合的大小两轮,其弯曲强度是否一样?,故:一对齿轮的弯曲强度通常不等,当时,两者强度才相等,3-4 直齿圆柱齿轮传动的强度计算,校核弯曲疲劳强度:,按弯曲疲劳强度进行设计:,取两者中的大值代入,向上圆整为标准值,3-4 直齿圆柱齿轮传动的强度计算,3、轮齿弯曲强度的注意事项,m,弯曲强度,齿厚 SF,截面积,F,标准齿轮 YFa1 YSa1 YFa2 YSa2,故F1 F2,3-4 直齿圆柱齿轮传动的强度计算,分度圆直径 d 一定时(即 a、 i 不变):,z1 ,YFaYSa,m,F,F,F,z1 ,m, 平稳, h,切削量少,省工省时,原则:在保证齿根弯曲强度的前提下,选取尽可能多的齿数。,闭式软齿面传动:z1 =2040; 闭式硬齿面或开式传动:z1 =1725,3-4 直齿圆柱齿轮传动的强度计算,轮齿双侧受载时,其齿面接触应力H的性质如何?, 增大模数 m ;, 适当增大齿宽 b ;, 提高齿轮精度等级、增大齿根圆角半径 ;, 改用机械性能更好的齿轮材料;, 改变热处理方法,提高齿面硬度。,减 小 弯曲应力,增 大 许用应力, 采用正变位齿轮以增大齿厚 ;,思考题:一对标准直齿圆柱齿轮传动,中心距、传动比和其他条件不变,若减少齿数同时相应增大模数,试问对齿轮传动有何影响?,3-4 直齿圆柱齿轮传动的强度计算,影响最大的几何因素,1、斜齿圆柱齿轮的特点,接触线倾斜,同时啮合的齿数多,重合度大,传动平稳,噪声低,承载能力高,mn1=mn2,an1=an2,b1=-b2,2、斜齿圆柱齿轮的正确啮合条件,一、概述,3-5 斜齿圆柱齿轮传动的强度计算,3-5 斜齿圆柱齿轮传动的强度计算,二、斜齿圆柱齿轮的受力分析,略去齿面间的摩擦力,Fn,一般齿轮: b =10 25,人字齿轮:b =25 40,平稳性,承载能力,轴向力,轴系复杂程度,b,3-5 斜齿圆柱齿轮传动的强度计算,3-5 斜齿圆柱齿轮传动的强度计算,力的方向:,Ft和Fr:,轴向力Fa:,同直齿圆柱齿轮,主动轮的Fa1用左右手法则判定,由齿轮螺旋线旋向和转动方向共同决定,“齿轮左旋用左手,右旋用右手。弯曲四指为转动方向,母指指向为Fa1方向”,主动轮,3-5 斜齿圆柱齿轮传动的强度计算,从动轮的Fa2与Fa1方向相反,力的对应关系:,例:,主视图,3-5 斜齿圆柱齿轮传动的强度计算,左视图,注意:,3-5 斜齿圆柱齿轮传动的强度计算,三、斜齿圆柱齿轮的接触强度计算,模数 =,斜齿轮法面模数 mn,压力角 =,斜齿轮法面压力角n,齿数 =,当量齿数 zv = z /cos3,法向力 =,斜齿轮的法向力 Fn,1、用当量直齿圆柱齿轮的强度代替,2、接触线倾斜,对接触强度有利,引入螺旋角系数Zb,直齿圆柱齿轮:,斜齿圆柱齿轮:,重合度系数,在相同条件下,sH斜 sH直,故:斜齿轮的接触强度大,节点区域系数,图3-11,螺旋角系数,齿数多取小值,3-5 斜齿圆柱齿轮传动的强度计算,接触强度的校核式:,接触强度的设计式:,3-5 斜齿圆柱齿轮传动的强度计算,设计式:,精确计算 d1、d2 ,保留小数点后三位,设计出 d1 后,其他几何参数计算:,初步选定齿数 z1(闭式软齿面:2040;闭式硬齿面或开式:1725),初步选定螺旋角 ,常用10 15,计算 mn = d1cos/z1,,向上圆整成标准值且 mn 1.5,计算中心距 a =(d1 + d2)/2=mn (z1 + z2) / (2cos),,并圆整,反算 = cos-1 mn (z1 + z2) / 2a ,,精确到秒,注意:,应使:,3-5 斜齿圆柱齿轮传动的强度计算,四、斜齿圆柱齿轮弯曲疲劳强度计算,斜齿圆柱齿轮:,重合度系数,螺旋角系数,用当量齿轮的弯曲强度代替,引入螺旋角系数Yb,3-5 斜齿圆柱齿轮传动的强度计算,弯曲强度的校核式:,弯曲强度的设计式:,大值代入,3-5 斜齿圆柱齿轮传动的强度计算,3-6 直齿锥齿轮传动的强度计算, 用于两相交轴之间的传动, 轮齿分布在锥面上,逐渐收缩, 载荷沿齿宽分布不均,本章只讨论轴交角为 90的直齿锥齿轮,一、锥齿轮传动的特点, 振动和噪声较大,用于低速v5 m/s, 齿形有直齿、斜齿、曲线齿等, 大端参数定义为标准值,为简化计算,假定:, 法向力Fn作用于齿宽中点, 锥齿轮的强度齿宽中点处的当量直齿圆柱齿轮的强度,3-6 直齿圆锥齿轮传动的强度计算,二、直齿锥齿轮传动及齿宽中点当量齿轮的主要参数,1) 直齿锥齿轮传动的主要参数,因大端模数 m 为标准值,故几何计算按大端进行,大端分度圆直径:,齿数比:u z2 / z1 d2 / d1,分度圆锥角:,锥距:,齿宽系数:,齿宽中点分度圆直径:,齿宽中点模数:,3-6 直齿圆锥齿轮传动的强度计算,2) 齿宽中点当量直齿圆柱齿轮的主要参数,齿宽中点当量齿轮的概念:,直径:,齿数:,齿数比:,齿宽 = 锥齿轮齿宽 b,模数 = 平均模数 mm,转矩:,3-6 直齿圆锥齿轮传动的强度计算,设法向力集中作用于齿宽中点节线处,且忽略摩擦力,Fn,Ft、Fr的方向和圆柱齿轮相同,Fa的方向均指向齿轮大端,Ff,三、直齿锥齿轮传动受力分析,3-6 直齿圆锥齿轮传动的强度计算,Ft2 = Ft1 ; Fr2= Fa1; Fa2= Fr1,n2,例:,3-6 直齿圆锥齿轮传动的强度计算,1,2,校核式:,设计式:,四、齿面接触疲劳强度计算,按齿宽中点处的当量直齿圆柱齿轮进行计算,并忽略重合度的影响,3-6 直齿圆锥齿轮传动的强度计算,讨论:,ZE、ZH、HP 的查取同圆柱齿轮,通常 u 5,限制大齿轮直径,利于锥齿轮加工,设计出 d1 后,其他参数计算:,初选 z1,计算 m=d1/z1,并向上取标准值,计算 d1= mz1、z2、d2、u 等,R 不能圆整!,通常取 b1 b2,便于安装调整,保证两轮锥顶重合,设计式:,3-6 直齿圆锥齿轮传动的强度计算,直齿圆柱齿轮:,五、齿根弯曲疲劳强度计算,校核式:,设计式:,按当量齿数 查,大值代入,同理,根据当量齿轮推出锥齿轮的弯曲强度条件,忽略重合度的影响,代入当量齿轮参数,由,3-6 直齿圆锥齿轮传动的强度计算,强度设计:,如:齿数、模数、螺旋角等,确定轮幅、轮毂的形式和尺寸,确定齿轮的主要参数,结构设计:,(由齿顶圆直径决定),一、齿轮轴,键槽顶部到齿根间的距离e:,圆柱齿轮:e2.5mn,圆锥齿轮:e1.6m,机械设计,3-7 齿轮的结构设计,3-7 齿轮的结构设计,二、实心式,齿顶圆直径da200mm,毛坯是锻造,3-7 齿轮的结构设计,三、腹板式,齿顶圆直径da200500mm,毛坯是锻造,3-7 齿轮的结构设计,四、轮幅式,齿顶圆直径da500mm,毛坯是铸造 材料为铸铁或铸钢,3-7 齿轮的结构设计,一、齿轮传动的设计步骤,1、根据工作条件、载荷性质、使用要求,,合理选择材料、齿面硬度、热处理方法及精度等级;,2、根据主要失效形式,确定相应的设计准则;,3、合理选择有关参数,设计计算 d1 或 m ;,4、考虑其他可能产生的失效形式,进行强度校核;,5、几何尺寸计算及齿轮的结构设计。,软齿面硬度350HBS,硬齿面硬度350HBS 或38HRC,载荷大小:重载、轻载,工作环境:闭式、开式,3-8 齿轮传动的设计方法和参数选择,3-8 齿轮传动的设计方法和参数选择,二、材料、精度及主要参数的选择原则,1、材料及热处理方法,要求轮齿具有足够的强度和韧性,重载、要求结构紧凑:材料选好些、硬度选高些,2、精度等级,抵抗轮齿折断,齿面应具有较高的硬度和耐磨性,防止点蚀、胶合、磨损,根据圆周速度 v 选择第公差组精度,3-8 齿轮传动的设计方法和参数选择,3、齿数 z 的选择,对于闭式软齿面传动:,对于闭式硬齿面或开式齿轮传动:,一般取 z1=2040,以便增大模数提高弯曲强度,大、小齿轮的齿数最好互质,使磨损均匀,一般取 z1=1725,齿数多,则重合度大,运动平稳性好,噪声小。,4、模数 m(mn)的选择,强度计算后得到,圆整成标准值,优先选用第一系列,传递动力时,圆柱齿轮 m1.5,锥齿轮 m2,5、螺旋角 的选择,一般取 =1020,平稳性,承载能力,轴向力,轴承受力,3-8 齿轮传动的设计方法和参数选择,6、齿宽系数d、R 的选择,对称布置、斜齿轮传动,d 取偏大值;,硬齿面、悬臂布置易产生偏载,故d 取值很小;,齿宽系数,轴向尺寸,易引起偏载,齿宽 b,径向尺寸,强度,设计时,齿宽系数应选择适当:,开式齿轮传动安装精度差,d 取小值。,锥齿轮传动:R 不宜过大,常取R = 1/4 1/3,3-8 齿轮传动的设计方法和参数选择,传递的功率、传动比、小轮或大轮转速、工况,设 计:,齿轮材料、热处理方式、齿数z1、z2、模数m、中心距a、齿宽b1、b2、分度圆直径d1、d2、齿顶圆直径da1、da2和齿根圆直径df1、df2、受力大小及齿轮的结构形式,已知条件:,例:设计一输送机的双级圆柱齿轮减速器的高速级斜齿圆柱齿轮传动,单向运转、平稳载荷、工作寿命 5 年、16 h /天。已知:轴的刚性较小,电机驱动。,3-8 齿轮传动的设计方法和参数选择,三、设计内容及设计流程,直齿圆柱齿轮,1、选择材料和热处理方式,2、计算许用接触应力、许用弯曲应力,3、初选:z1、z2 、 yd,查取K、 ZE、ZH,闭式齿轮?,3、初选:z1、z2 、yd ,查取K、 YFa、YSa,4、计算模数并向上取标准值,4、模数向上取标准值,5、求a,b1、b2,d1、d2、da1、da2,df1、df2,5、求a,b1、b2,d1、d2、da1、da2,df1、df2,6、查 YFa、YSa,校核弯曲疲劳强度,6、查取ZE、ZH,校核接触疲劳强度,按弯曲强度设计,不需校核接触强度,只增大模数即可(以下略),Y,N,软齿面?,N,Y,直齿圆锥齿轮设计思路与直齿圆柱齿轮相同!,3-8 齿轮传动的设计方法和参数选择,斜齿圆柱齿轮,1、选择材料和热处理方式,2、计算许用接触应力和许用弯曲应力,3、初选:z1、z2 、yd、b0,闭式齿轮?,6、计算模数并向上取标准值mn,Y,N,9、求b1、b2,d1、d2、da1、da2,df1、df2,7、求中心距a0,并圆整为a :,10、查取Ye、Yb,计算Zv1、Zv2,查YFa、Ysa,校核弯曲疲劳强度,8、求实际螺旋角,4、查取: K、ZE、ZH、 Ze、Zb,?,软齿面?,Y,N,自己思考,N,为制造、检测方便!,精确到秒!,3-8 齿轮传动的设计方法和参数选择,本章基本要求, 掌握齿轮传动的失效形式及设计计算准则, 掌握直齿、斜齿圆柱及直齿锥齿轮的受力分析, 掌握直齿圆柱齿轮强度计算时的力学模型、应力类型、公式中各参数的意义及如何提高强度的主要措施;掌握斜齿圆柱和直齿圆锥齿轮强度计算方法, 掌握齿轮常用材料和热处理方法, 能合理的选择齿轮参数,在设计过程中能进行正确的数据处理(如圆整、取标准值),3 齿轮传动,Fr、Ft及Fa方向的判断及在图上的正确标示,各力之间对应关系, 理解强度计算时为什么要用计算载荷?了解四个载荷系数的物理意义及影响因素, 能根据齿轮的尺寸、生产条件来选择毛坯与具体的结构形式,P69 题3-3,题3-6,作业,下次上课时交,
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