齿轮设计技术详解课件

齿轮传动设计技术齿轮传动设计技术4目录4第1章 齿轮传动概述4第2章 渐开线圆柱齿轮几何参数设计计算4齿轮承载能力的计算4第4章 齿轮修形技术4第5章 齿轮精度4第6章 齿轮传动零部件的失效分析4第7章 主要几种齿轮传动设计的特点4第8章 齿轮箱其他有关设计问题齿轮承载能力计算齿轮承载能力计算431 国际常用的几种强度计算方法介绍432 渐开线圆柱齿轮强度计算方法433 锥齿轮强度计算的要点434 静强度计算问题435 变载荷工况的强度计算问题436 齿轮胶合承载能力的计算方法437 热功率计算方法438 小模数齿轮强度计算应注意的问题齿轮承载能力计算齿轮承载能力计算4 3 31 1 国际常用的几种强度计算方法介绍（国际常用的几种强度计算方法介绍（ISOISO、AGMAAGMA、GBGB）4 4 （1）ISO齿轮承载能力计算方法特点4 提供三种计算方法：系统分析法（A法）、一般计算方法（B法）、简化计算方法（C法）。系统分析法（A法）主要是建立在比较详细系统的分析和实验的基础上的一种计算方法。一般计算方法（B法）是在一定条件下推导出的计算方法，并提供系数的详细计算公式。简化计算方法（C法）是主要是提供一些典型齿轮传动系数图表和经验数据，便于手工计算。4 从理论上说，计算的精确度顺序分别为A、B、C法，但A法往往难以做到，不太现实。B法是通用的计算方法，计算比较复杂，一般要依靠计算软件来计算。C法比较简单，但可靠度较差。所以一般建议采用B法。齿轮承载能力计算齿轮承载能力计算4（2）AGMA齿轮承载能力计算方法特点4 AGMA齿轮承载能力计算方法是国际上比较流行的齿轮强度方法，AGMA计算方法的最大特点是建立在实验和工程经验数据基础上，计算方法相对比较简单，介于ISO的B法和C法之间，计算的稳定性较好。齿轮承载能力计算齿轮承载能力计算4（3）GB（国标）齿轮承载能力计算方法特点4 GB 齿轮承载能力计算方法基本上是等同于ISO齿轮承载能力计算方法，我国大多数现行标准基本上采用ISO的标准体系。4 ISO和AGMA齿轮承载能力计算方法各有特点，采用ISO计算方法必须对标准本身的一些规定要有深入的了解，ISO计算体系中的计算系数比较全面，而AGMA计算体系则相对简单。ISO和AGMA 最大不同点是对弯曲强度的齿形系数的计算，ISO采用30切线法，而AGMA采用是抛物线法。齿轮承载能力计算齿轮承载能力计算4 3 32 2 渐开线圆柱齿轮强度计算方法（渐开线圆柱齿轮强度计算方法（GB/T3480-83GB/T3480-83、eqv ISO6336-1996eqv ISO6336-1996）4 主要计算渐开线圆柱齿轮直齿、斜齿、人字齿。接触强度是以赫兹应力为计算基础的。弯曲应力是指齿根部位的应力。弯曲应力计算方法有两种：载荷作用于单对啮合区外界点和载荷作用于齿顶。优先采用第一种，对于精度较低的齿轮采用第二种计算方法。齿轮承载能力计算齿轮承载能力计算43.2.1 可靠性与安全系数可靠性与安全系数4 安全系数已广泛用于机械设计，但安全系数并不完全反应可靠性的水平，由于齿轮设计中涉及因素太多，缺乏足够数据，所以仍以安全系数或许用应力作为判据，通过安全系数来控制装置的可靠度。齿轮承载能力计算齿轮承载能力计算41 可靠性与安全系数的关系可靠性与安全系数的关系4 齿轮工作的可靠性要求是根据其重要程度、工作要求、经济性和维修难易程度等方面的因素综合考虑决定的。不同的使用场合对齿轮有不同的可靠度要求。一般可分为下述几类情况。4（1）低可靠度要求 齿轮设计寿命不长，对可靠性要求不高的易于更换的不重要齿轮，或齿轮设计寿命虽不短，但对可靠性要求不高。这类齿轮可靠度可取为90%，如一般车辆齿轮。4（2）一般可靠度要求 通用齿轮和多数的工业应用齿轮，其设计寿命和可靠性均有一定要求。这类齿轮的可靠度一般不大于99%，如一般工业齿轮。4（3）较高可靠度要求 要求长期连续运转和较长的维修间隔，或设计寿命虽不很长但可靠性要求较高的齿轮，一旦失效可能造成较严重的经济损失或安全事故，其可靠度要求高达99.9%，如蒸汽透平齿轮。4（4）高可靠度要求 特殊工作条件下要求可靠性很高的齿轮，其可靠度要求甚至高达99.99%以上，如航空和航天装置齿轮。齿轮承载能力计算齿轮承载能力计算42 安全系数的选择安全系数的选择4 在齿轮传动装置的承载能力计算中，选用合适的安全系数非常重要，因为过大的安全系数将增大传动装置的外廓尺寸和重量，提高了价格；而过小的安全系数又可能带来意外的故障和危险性。4 一个合适的安全系数应该是在合理的价格下能使装置满足给定的可靠性要求。可靠度要求高时，安全系数应取大些；反之，则可取小些。4 选择安全系数时，还要把齿轮传动装置放在整个设备中来考察。例如，在一架轧机中，有电动机、联轴器、齿轮箱、机架和轧辊等；各个环节的安全系数要相互协调，才能充分发挥轧机的生产能力。齿轮承载能力计算齿轮承载能力计算4估计齿轮传动安全系数时的主要依据如下：4齿轮箱中所有结构元件的加工精度与材料质量的预计离散性；4齿轮损伤失效所引起的后果。例如，轮齿弯曲折断引起的后果一般都比齿面疲劳4（点蚀）引起的后果严重，特别在有人身安全的场合，如起重机、电梯等；4 有关装配、安装和使用条件的数据可靠性；4 计算方法的可靠性；4 对特定工作条件下可靠度要求较高的齿轮安全系数，设计者应作详细分析；4 不同的使用场合评定齿轮失效的准则各异，最小安全系数的选取也应有所不同；4 最小安全系数的选取，建议由制造者和用户协调确定；4 不同的设计方法推荐的最小安全系数不尽相同，设计者应根据实际使用经验或适合的资料选定。如无可用资料时，对渐开线圆柱齿轮齿面接触强度和齿根弯曲强度的最小安全系数可参考表4-6选取。一般情况下弯曲安全系数应大于接触安全系数，由于断齿比点蚀的后果更为严重，所以要求弯曲强度的安全裕量应大于接触强度的安全裕量。齿轮承载能力计算齿轮承载能力计算4322 工况系数工况系数4为了补偿由于外部因素而引起的齿轮载荷的增加，用使用系数KA来调节名义载荷。这种附加的力很大程度上取决于动力机或从动机的特性，也依赖于轴和联轴器在内的系统的质量和刚性。4使用系数通过精密测量和对系统的综合分析或根据应用现场的可靠使用经验确定。如果无法实现，可参考表3-2选取。其中动力机和工作机的工作特性示例可参考表3-3和表3-4。齿轮承载能力计算齿轮承载能力计算43.2.3 3.2.3 许用应力值的选取许用应力值的选取4 齿轮许用接触疲劳极限应力，MPa；4 气体氮化 HRC=（57-60）取：950-1100 MPA4 液体氮化 HRC=（50-55）取：800-950 MPA4 渗碳淬火 HRC=（57-60）取：1250-1450 MPA4 感应淬火 HRC=（50-55）取：900-1000 MPA4 调质 HB=（240-280）取：650-750 MPA 4 齿轮许用弯曲疲劳极限应力，MPa；4 气体氮化 HRC=（57-60）取：280-300 MPA4 液体氮化 HRC=（50-55）取：260-290 MPA4 渗碳淬火 HRC=（57-60）取：330-380 MPA4 感应淬火 HRC=（50-55）取：270-290 MPA4 调质 HB=（240-280）取：220-240 MPA齿轮承载能力计算齿轮承载能力计算4选用优质材料且有较好热处理质量控制时，疲劳极限应力值可增加5%，特别注意：在齿轮许用弯曲疲劳极限应力选取时，AGMA取值相对要高出10-20%，而且，在计算安全系数判断标准也于国标不太一致，因此用AGMA标准计算时，应该注意这些问题。4分3挡（ME、MQ、ML），根据材料热处理、齿根圆角等因素，慎重考虑，强调“许用弯曲应力”的选择的重要性。4双向与单向运转的许用弯曲应力取值是不同的(约70%)齿轮承载能力计算齿轮承载能力计算4试验、应用及研究的证明：（1）接触强度有保证，但要注意弯曲强度；（2）材料的牌号对许用接触弯曲应力影响不大；但影响淬透性、表面状态和抗冲击性；（3）决定齿轮强度的关键之一是热处理品质（硬度、硬度降、金相组织、表面脱碳、晶界氧化、碳化物）（4）注意：当齿轮分圆直径超过500MM时，硬齿面许用接触应力值不宜取过高；（5）齿面硬度对齿轮寿命影响很大。4 （6）齿根圆角对弯曲强度的影响齿轮承载能力计算齿轮承载能力计算43 32 24 4 强度计算系数强度计算系数4 主要讨论关键系数的计算要点。4 1 动载系数 Kv 4 主要是考虑制造精度和运转速度对齿轮内部附加载荷的影响。单位齿宽（Ft/b）载荷较小、转速较高时，动载系数Kv可能较大，计算误差较大。应注意振动（共振）破坏。齿轮承载能力计算齿轮承载能力计算4 2 齿向载荷分布系数 KH、KF4 是一个关键系数4 主要考虑齿宽载荷分布不均匀对接触、弯曲应力的影响。对结构对强度影响程度了解不足，如：B/D1大于1.2，无高精度制造或修形补偿；单位齿宽载荷偏小；结构偏心或悬臂等因素，GB本身存在局限性，导致HKB过大。4 重载齿轮中齿宽系数（齿宽/中心距）取较大时，又没有齿向修形，可能出现齿向载荷系数KHB计算偏大，若能保证安装及齿面接触精度时，建议采用“齿端修薄”选项进行计算。齿轮承载能力计算齿轮承载能力计算4 3 齿间载荷分配系数 KH、KF4 主要考虑啮合的各对轮齿间载荷分配不均匀对接触、弯曲应力的影响。4 4 节点区域系数 ZH 4 考虑节点处齿廓曲率对接触应力的影响。4 4 5 弹性系数 ZE 4 考虑材料弹性模量和泊桑比对赫兹应力的影响。4 6 重合度系数 Z、Y4 Z考虑重合度对单位齿宽的的影响。4 Y考虑重合度将载荷由齿顶换算到啮合区外界点。齿轮承载能力计算齿轮承载能力计算4 7 螺旋角系数 Z4 主要考虑螺旋角造成的接触倾斜对接触、弯曲应力的影响。4 8 润滑系数 ZL 4 主要考虑润滑油粘度的影响4 9 速度系数 Zv4 主要考虑齿面相对速度的影响4 10 粗糙度系数 Zr 4 主要考虑齿面粗糙度的影响4 11 工作硬化系数 Zw 4 主要考虑齿面硬度差对调质大轮的影响4 12 尺寸系数 Zx Yx4 主要考虑尺寸增大使材料强度降低的尺寸效应因素。齿轮承载能力计算齿轮承载能力计算4 13 齿形系数 YF、YFA4 主要考虑齿形对弯曲应力的影响，采用齿根过渡曲线与30度切线相切点截面作为危险截面进行计算，计算方法有两种：载荷作用于单对啮合区外界点和载荷作用于齿顶。4 齿根圆角半径系数 F4 14 应力修正系数 YS、YSA 4 主要考虑齿根过渡曲线的应力集中效应，以及其它应力对齿根应力的影响。4 15 相对齿根圆角敏感系数 Yrelt4 主要考虑齿轮的材料、几何尺寸等对齿根应力敏感度的影响4 16 相对齿根表面状况系数 YRrelt 4 主要考虑齿根表面状况对齿根应力的影响4 17 寿命系数 Znt、Ynt4 主要考虑循环次数对强度的影响 齿轮承载能力计算齿轮承载能力计算4 3 33 3 锥齿轮强度计算方法（锥齿轮强度计算方法（GB/T 10062-2003 GB/T 10062-2003 eqveqv ISO 10300-2001 ISO 10300-2001）4 主要计算直齿、斜齿、零度齿和弧齿的承载能力。计算的原理与渐开线强度计算方法基本一致，既把锥齿轮转换为当量的圆柱齿轮进行计算。4 强度计算主要不同系数的说明4 （1）齿向载荷分布系数4 是一个关键系数4 主要考虑齿宽载荷分布不均匀对接触、弯曲应力的影响。主要影响因素为：锥齿轮安装结构（悬臂支撑）和接触斑点（满载检查、轻载检查、估算接触斑点）齿轮承载能力计算齿轮承载能力计算43 34 4 静强度计算问题静强度计算问题4 GB/T中强调静强度计算的重要性，并列出计算公式，对出现大起动扭矩、冲击、瞬时过载等，必须进行静强度计算。4 静强度计算的要点：（1）最大计算载荷的确定要准确（2）工况系数KA=1.0（3）寿命系数按最大值选取（静强度寿命）齿轮承载能力计算齿轮承载能力计算43 35 5 变载荷工况的强度计算问题变载荷工况的强度计算问题4 4 有相当一部分齿轮传动是在变动载荷下运转，如果缺乏载荷谱，可近似采用名义载荷和工况系数KA进行计算，如果有载荷谱，可按MINER定则进行计算，计算出当量转矩进行计算。齿轮承载能力计算齿轮承载能力计算43 36 6 胶合承载能力的计算方法胶合承载能力的计算方法(GB/Z 6413-2003)GB/Z 6413-2003)4 胶合承载能力计算是防止齿轮传动由于齿面载荷和滑动速度引起的高温导致润滑油模破裂所造成的胶合。GB胶合承载能力计算与AGMA胶合承载能力计算的基理不同，一个是采用积分温度法，另一个是采用闪温法，判据也不同，两者不存在可比性。胶合计算一般仅对高速齿轮进行计算，对于高速齿轮胶合安全系数一般要大于1.8齿轮承载能力计算齿轮承载能力计算4 1 积分温度4 积分温度是指齿面本体温度与加权后的各啮合点瞬间温升的积分平均值之和作为齿面温度。4 2 本体温度4 本体温度是指将进入啮合时的齿面温度，接近油温。4 3 胶合温度4 是指齿面产生胶合时的温度（容许的积分温度）齿轮承载能力计算齿轮承载能力计算4 4 计算系数4 （1）螺旋线系数KBR考虑重合度对胶合的影响4 （2）平均摩擦因数-指齿廓各啮合点的摩擦因数平均值，可近似取节点处的摩擦因数4 （3）热闪系数-考虑材料和沿齿廓切线方向速度的影响。4 （4）小轮齿顶几何系数-考虑小轮齿顶几何参数对赫兹应力和滑动速度的影响。4 （5）啮入冲击系数-考虑滑动速度对啮入冲击载荷的影响。4 （6）齿顶修缘系数-考虑齿顶修缘对胶合的影响4 （7）重合度系数-把齿顶瞬时温升折算成啮合线的积分平均温升。4 （8）材料焊合系数-考虑设计齿轮与试验齿轮材料及表面处理不同的修正系数。齿轮承载能力计算齿轮承载能力计算43.7 3.7 热功率计算方法热功率计算方法4 热功率是闭式齿轮传动在不超过规定的油箱温度时所能连续传递的最大功率。热功率的大小取决于闭式齿轮的传动特性、运行条件和最大许用油箱温度及冷却的方式。本系列减速器的热功率计算主要按照国家标准GB/Z19414-2003齿轮传动装置要求，根据热功率有关计算公式及参照国家有关减速器热功率来确定的。齿轮承载能力计算齿轮承载能力计算3.7.13.7.1 热功率的计算方法热功率的计算方法4 齿轮传动装置中，在连续运转条件下，由于功率损耗转化成热量，导致减速器内部的油温上升，并在一定的温度下，发热与散热达到平衡。当润滑油平衡温度达到而不超过齿轮箱设定的最高温度时，减速器所能够承受的最大功率，既额定热功率PG(kW)3.7.13.7.1 强制冷却的热功率计算方法强制冷却的热功率计算方法4 当工作中产生的热量大于箱体表面排出的最大热量，齿轮传动装置需进行强制冷却，强制冷却一般有三种形式，即风扇冷却、水管冷却和润滑油循环冷却。齿轮承载能力计算齿轮承载能力计算3.83.8 小模数齿轮承载能力计算小模数齿轮承载能力计算4计算方法与一般齿轮强度计算方法基本一致，但要考虑小模数齿轮的特点：4（1）速度系数区别；4（2）齿向载荷分布系数的区别4（3）可靠度要求要 第第4章章 齿轮修形计算齿轮修形计算4 齿轮传动由于受制造和安装误差、齿轮的弹性变形、热变形等因素的影响，在齿轮啮合过程中不可避免会产生冲击、振动和偏载，导致齿轮过早失效。过去人们往往依靠提高齿轮精度来提高齿轮啮合质量。但同样解决不了齿轮传动中产生的冲击、振动和噪音等问题。实践证明：采用齿顶、齿根和齿向修形，能有效地改善齿轮副的啮合性能，使齿宽载荷分布均匀，提高齿轮承载能力，延长使用寿命。4 齿轮修形分齿形修形和齿向修形二种形式，这二种修形的目的和应用是不同的，齿轮齿廓修形主要是改善齿轮传动啮合质量、降低冲击和噪音，而齿轮齿向修形主要是改善齿轮齿宽方向载荷分布状况，降低偏载，提高齿轮承载能力。因此，下面分别对齿形修形和齿向修形进行讨论。第第4章章 齿轮修形计算齿轮修形计算齿形修形计算齿形修形计算4 齿轮传动由于受制造、安装误差和变形的影响，引起冲击、振动现象，造成传递能力下降。对齿廓进行修形是提高齿轮传动质量的重要措施之一。目前，齿形修形的计算方法较多，对于硬齿面减速器主要考虑轮齿受载变形和齿轮制造安装误差，齿轮副的啮合温度较高还应考虑热变形的影响第第4章章 齿轮修形计算齿轮修形计算第第4章章 齿轮修形计算齿轮修形计算第第4章章 齿轮修形计算齿轮修形计算齿向修形计算齿向修形计算4 轮齿由于受到载荷作用导致轮轴产生一定的弹性变形，其中包括弯曲变形、扭转变形和剪切变形。由于剪切变形一般较小，所以，弹性变形仅考虑弯曲变形和扭转变形。齿向修形量由齿轮弹性变形和制造安装综合考虑，齿向修形可以改善齿宽载荷的合理分布，避免偏载。第第4章章 齿轮修形计算齿轮修形计算第第4章章 齿轮修形计算齿轮修形计算第第4章章 齿轮修形计算齿轮修形计算