第六章平行轴线齿轮传动(下)

单击此处编辑母版标题样式,特别申明：本电子教案中所有素材的版权归原创作者国防科技大学潘存云教授所有。购买方有权复制多份光盘用于本单位的教学。但不得提供给第三方。未经作者同意，也不得在公开出版物中引用其中的素材，违者应承担相应的法律责任。作者：潘存云 教授 2004年2月,第二级,第三级,第四级,第五级,*,高等职业教育机械类专业,核心技术课程,机械设计基础,浙江机电职业技术学院 陈 峰,郑州铁路职业技术学院 徐刚涛,教学课件,编创制作,第六章 平行轴线齿轮传动,(,圆柱齿轮传动,),第七节 齿轮传动的失效形式及设计准则,第八节 齿轮常用材料及热处理,第九节 齿轮传动精度简介,第十节 渐开线直齿圆柱齿轮传动的设计计算,第十一节 渐开线斜齿圆柱齿轮传动,设计：潘存云,第七节,齿轮传动的失效形式及设计准则,轮齿折断,1,、,失效形式,设计：潘存云,潘存云教授研制,轮齿折断,1,、,失效形式,齿面点蚀,第七节,齿轮传动的失效形式及设计准则,轮齿折断,1,、,失效形式,齿面点蚀,齿面胶合,措施：,1.,提高齿面硬度,2.,减小齿面粗糙度,3.,增加润滑油粘度,4.,加抗胶合添加剂,第七节,齿轮传动的失效形式及设计准则,设计：潘存云,轮齿折断,1,、,失效形式,齿面点蚀,齿面胶合,齿面磨损,措施：,1.,减小齿面粗糙度,2.,改善润滑条件,磨粒磨损,跑合磨损,第七节,齿轮传动的失效形式及设计准则,设计：潘存云,轮齿折断,1,、,失效形式,齿面点蚀,齿面胶合,齿面磨损,从动齿,主动齿,齿面塑性变形,从动齿,主动齿,从动齿,主动齿,从动齿,主动齿,第七节,齿轮传动的失效形式及设计准则,2,、设计准则,软齿面（硬度,350HBS,）的闭式齿轮传动：,齿面抗点蚀能力差，润滑条件良好，齿面点蚀将是主要的失效形式。在设计计算时，通常按齿面接触疲劳强度设计，再作齿根弯曲疲劳强度校核。,硬齿面（硬度,350HBS,）的闭式齿轮传动：,齿面抗点蚀能力强，但易发生齿根折断，齿根疲劳折断是主要失效形式。在设计计算时，通常按齿根弯曲疲劳强度设计，再作齿面接触疲劳强度校核。,当一对齿轮均为铸铁制造时，一般只需作轮齿弯曲疲劳强度设计计算。,对于开式传动，其主要失效形式将是齿面磨损，通常只按齿根弯曲疲劳强度设计，再考虑磨损，将所求得的模数增大,10,20,。,第八节,齿轮常用材料及热处理,常用,齿轮材料,优质碳素钢,合金结构钢,铸钢,铸铁,热处理方法,表面淬火,渗碳淬火,调质,正火,渗氮,一般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。,1.,表面淬火,高频淬火、火焰淬火,2.,渗碳淬火,渗碳钢为含碳量,0.150.25%,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。,调质一般用于中碳钢和中碳合金钢，如,45,、,40Cr,、,35SiMn,等。调质处理后齿面硬度为：,220260HBS,。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。,3.,调质,4.,正火,正火能消除内应力、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。,渗氮是一种化学处理。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.,5.,渗氮,特点及应用：,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。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,:2050HBS,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。,第九节,齿轮传动精度简介,误差的影响：,1.,转角与理论不一致，影响运动的不准确性；,2.,瞬时传动比不恒定，出现速度波动，引起震动、,冲击和噪音影响运动平稳性；,3.,齿向误差导致轮齿上的载荷分布不均匀，使轮齿提,前损坏，影响载荷分布的不均匀性。,国标,GB10095-88,给齿轮副规定了,12,个精度等级。其中,1,级最高，,12,级最低，常用的为,6,9,级精度。,按照误差的特性及它们对传动性能的主要影响，将齿轮的各项公差分成三组，分别反映传递运动的准确性，传动的平稳性和载荷分布的均匀性。,在一般情况下，可选三个公差组为同一精度等级，但也容许根据使用要求的不同，选择不同精度等级的公差组组合。第,公差组精度等级,6,9,级的选择可根据齿轮类型和圆周速度确定，第,公差组一般不得低于第,公差组的精度等级。,三个公差组,:,第,公差组,运动准确性,第,公差组,传动平稳性,第,公差组,载荷分布均匀性,齿厚偏差有,C,、,D,、,E,、,F,、,G,、,H,、,J,、,K,、,L,、,M,、,N,、,P,、,R,、,S,等,14,种，每种代号所规定的齿厚偏差值均是,f,p t,（齿距极限偏差）的数倍。,设计：潘存云,O,2,O,1,t,t,1,（主动）,N,1,N,2,c,d,1,2,F,n,T,1,第十节 渐开线直齿圆柱齿轮传动的设计计算,一、,轮齿,受力分析,和计算载荷,圆周力,径向力,法向力,小齿轮上的转矩,P,为传递的功率（,KW,）,1,小齿轮上的角速度，,n,1,小齿轮上的转速,d,1,小齿轮上的分度圆直径，,压力角,1,、各作用力的大小及方向,O,2,2,（从动）,O,1,N,1,N,2,t,t,1,（主动）,T,1,c,d,1,2,d,2,2,F,t,F,r,F,n,F,n,2,、,计算载荷,F,n,名义载荷,受力变形,制造误差,安装误差,附加动载荷,载荷集中,用计算载荷,KF,n,代替名义载荷,F,n,以考虑载荷集中和附加动载荷的影响，,K,载荷系数,F,n,b,(),max,F,n,b,(),min,F,nc,=KF,n,设计：潘存云,二、齿面接触疲劳强度计算,O,2,2,（从动）,O,1,N,1,N,2,t,t,1,（主动）,T,1,c,d,1,2,d,2,2,C,1,2,对于一对钢制标准直齿圆柱齿轮传动,齿面接触疲劳强度校核公式,:,齿面接触疲劳强度校核公式,:,公式应用注意：,2,、许用接触应力,Hlim,接触疲劳极限,由实验确定,S,Hmin,为最小安全系数。,1,、式中的,H,，在,H1,H2,数值不同时，应将较小的一个代入计算。,3,、,d,称为齿宽因数,=b/d,1,4,、在作齿面接触强度计算时，前面两个公式只适用于钢制标准直齿圆柱齿轮，若配对材料不是钢对钢，则应按其材料确定相应的材料系数,r,b,O,30,30,三、齿根弯曲疲劳强度的计算,假定载荷仅由一对轮齿承担，按悬臂梁计算。齿顶啮合时，弯矩达最大值。,h,F,F,n,F,2,F,1,S,F,F,弯曲力矩：,M=KF,n,h,F,cos,F,危险界面的弯曲截面系数,弯曲应力,危险截面 齿根圆角,30,切线两切点连线处。,齿顶受力：,F,n,，可分解成两个分力：,F,1,=F,n,cos,F,F,2,=F,n,sin,F,产生弯曲应力；,压应力，小而忽略。,F,n,h,F,和,S,F,与模数,m,相关，,轮齿弯曲强度计算公式：,故,Y,Fs,与模数,m,无关。,弯曲应力,对于标准齿轮,Y,Fs,仅取决于齿数,Z,。,Y,Fs,齿,形系数,计算时取 较大者，计算结果应圆整,且,m 1.5mm,。,一般,Y,F1,Y,F2,，,F1,F2,引入齿宽系数,d,=b/d,1,代入得设计公式,公式中“,+”,用于外啮合，“,-”,用于内啮合。,在满足弯曲强度的条件下可适当选取较多的齿数，使传动平稳。在中心距,a,一定时，,z,增多则,m,减小，,d,a,减小，节省材料和工时。,许用弯曲应力,弯曲疲劳极限,bblim,由实验确定。,S,Fmin,为安全系数。,因弯曲疲劳造成的轮齿折断可能造成重大事故，而疲劳点蚀只影响寿命，故：,S,Fmin,S,Hmin,四、圆柱齿轮传动参数的选择和设计步骤,齿轮传动设计时，按主要失效形式进行强度计算，确定主要尺寸，然后按其它失效形式进行必要的校核。,软齿面闭式齿轮传动,按接触强度进行设计，按弯曲强度校核,硬齿面闭式齿轮传动,按弯曲强度进行设计，按接触强度校核,开式齿轮传动 按弯曲强度设计。,为了确保强度要求，同时利于装配和调整，常将小齿轮齿宽加大,5,10mm,。,（一）主要参数的选择,1,齿数,z,对于软齿面的闭式传动，一般取,z,1,=20,40,。,硬齿面的闭式传动及开式传动，通常取,z,1,=17,20,。,2,模数,m,对于传递动力的齿轮，可按,m,=,（,0.007,0.02,）,a,初选，但应保证模数,m,2mm,。,3,齿宽因数,d,增大齿宽因数，可减小齿轮传动装置的径向尺寸，降低齿轮的圆周速度。但齿宽因数过大则需提高结构刚度，否则会出现齿向载荷分布严重不均。对于一般机械，建议按工程手册提供数据选取。,6,绘制齿轮工作图,（二）设计步骤,1,选择齿轮材料及热处理,2,确定齿轮传动的精度等级,3,简化设计计算,4,计算齿轮的几何尺寸,5,确定齿轮的结构形式,设计：潘存云,一、斜齿圆柱齿轮齿廓曲面的形成及其特点,直齿轮,：啮合线,啮合面,啮合点,接触线，即啮合面与齿廓曲面的交线。,啮合特点,:,沿齿宽同时进入或退出啮合。突然加载或卸载，运动平稳性差，冲击、振动和噪音大。,斜直线,KK,的轨迹斜齿轮的齿廓曲面,螺旋线渐开面,K,b,基圆柱上的,螺旋角,发生面,基圆柱,发生面,A,K,A,A,A,b,K,K,第十一节 渐开线斜齿圆柱齿轮传动,设计：潘存云,1,2,b,啮合面,基圆柱,渐开线螺旋面,K,K,齿面接触线,齿面接触线始终与,K-K,线平行并且位于两基圆的公切面内。,设计：潘存云,啮合特点,:,接触线长度的变化：,短,长,短,加载、卸载过程是逐渐进行的,传动平稳、冲击、振动和噪音较小，适宜高速、重载传动。,在端面内，斜齿轮的齿廓曲线为渐开线，相当于直齿圆柱齿轮传动，满足定传动比要求。,二、斜齿圆柱齿轮的主要参数和几何尺寸,1.,斜齿轮的螺旋角,d,d,b,l,定义分度圆柱上的螺旋角为斜齿轮的螺旋角,。,d,b,右旋,左旋,一般取,=8,20,人字齿轮，因其轴向力可以抵消，常取,=25,45,设计：潘存云,B,法面内的齿形与刀具的齿形一样，取标准值。,2.,模数,m,n,、,m,t,将分度圆柱展开，得一矩形，,p,n,=p,t,cos,将,p,n,m,n,p,t,m,t,代入得：,p,t,可求得端面齿距与法面齿距之间的关系：,d,m,n,=m,t,cos,n,n,p,n,b,a,c,3.,压力角：,n,、,t,在,abc,中，有：,abc,=,n,在,abc,中,有：,abc,=,t,由,ab=ab,ac=accos,得,tan,n,=,tan,t,cos,4.,齿顶高因数,h*,an,和,h*,at,及顶隙因数,c*,n,和,c*,t,不论在法面还是端面，其齿顶高和齿根高一样。,h,*,an,法面齿顶高系数，,h,an,*,1,c,*,n,法面顶隙系数,c,*,n,0.25,tan,n,=ac/ab,tan,t,=ac/ab,h,a,=h,*,an,m,n,h,f,=(h,*,an,+c,*,n,)m,n,n,a,b,c,a,a,t,分度圆直径：,d=zm,t,=z m,n,/cos,中心距：,a=r,1,+r,2,可通过改变,来调整,a,的大小。,三、,斜齿圆柱齿轮传动的正确啮合条件和重合度,啮合处的齿向相同。,外啮合,:,1,-,2,m,n1,=m,n2,，,n1,=,n1,m,t1,=m,t2,，,t1,t2,=m,n,(,z,1,+,z,2,)/2 cos,内啮合,：,1,2,1,.,正确啮合条件,5.,几何尺寸计算,只须将直齿圆柱齿轮几何尺寸计算公式