4章 齿轮传动.ppt

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1、第第4 4章章 齿轮传动齿轮传动1111 齿轮传动的润滑和效率齿轮传动的润滑和效率要求要求理解齿轮的失效形式、形成及预防理解齿轮的失效形式、形成及预防掌握齿轮的受力分析及强度计算掌握齿轮的受力分析及强度计算了解齿轮的结构了解齿轮的结构4.1 概概 述述一一特点特点二二 结构紧凑、传动比稳定，结构紧凑、传动比稳定，三三 效率高，工作可靠。效率高，工作可靠。四四 加工精度高。加工精度高。二二 分类分类 按工作环境分按工作环境分 按齿面硬度分按齿面硬度分 闭式传动闭式传动 软齿面软齿面 HBS350 硬齿面硬齿面 HBS350 开式传动开式传动传动类型传动类型闭式传动闭式传动封闭在箱体内，润滑条件好

2、封闭在箱体内，润滑条件好开式传动开式传动外露，润滑较差，易磨损外露，润滑较差，易磨损半开式传动半开式传动介于上两者之间介于上两者之间,有防护罩有防护罩1 1.轮齿轮齿折断折断2.2.齿齿面面点点蚀蚀 3.3.齿齿面面胶合胶合4.4.齿齿面面磨磨损损 5.5.齿面齿面塑变塑变4.2齿轮传动失效形式及设计准则齿轮传动失效形式及设计准则 齿根齿根齿面齿面主要形式：主要形式：断齿断齿和和点蚀点蚀设计准则？设计准则设计准则闭式传动闭式传动 软齿面软齿面：主要失效形式点蚀，按接触强度设计。：主要失效形式点蚀，按接触强度设计。求直径求直径d 或中心距或中心距a 硬齿面硬齿面：主要失效形式断齿，按弯曲强度设计

3、。：主要失效形式断齿，按弯曲强度设计。求模数求模数 开式传动开式传动：按弯曲强度设计：按弯曲强度设计一、一、齿轮材料齿轮材料金属材料金属材料（表（表11-1）45号钢号钢中碳合金钢中碳合金钢铸钢铸钢低碳合金钢低碳合金钢最常用最常用，经济、货源充足，经济、货源充足铸铁铸铁35SiMn、40MnB、40Cr等等20Cr、20CrMnTi等等ZG310-570、ZG340-640等等HT350、QT600-3等等非金属材料非金属材料尼龙、夹木胶布尼龙、夹木胶布等等选材时考虑选材时考虑工作条件、载荷性质、经济性、制造方法等工作条件、载荷性质、经济性、制造方法等4.3 齿轮材料及热处理齿轮材料及热处理二

4、、二、热处理热处理调调 质质正正 火火表面淬火表面淬火渗碳淬火渗碳淬火渗渗 氮氮软齿面。软齿面。改善机械性能，增大强度和韧性改善机械性能，增大强度和韧性硬齿面。硬齿面。接触强度高、耐磨性好、可抗冲击接触强度高、耐磨性好、可抗冲击配对齿面的选择原则配对齿面的选择原则选材：小齿轮要好些（承载次数多），选材：小齿轮要好些（承载次数多），硬度：小齿轮比大齿轮稍硬硬度：小齿轮比大齿轮稍硬 2050HBS硬度硬度HBS350硬度硬度HBS 350软软硬硬齿轮选材的基本要求：齿面要硬、芯部要软。一、一、齿轮上齿轮上的作用力的作用力 当齿轮传递力矩当齿轮传递力矩T T1 1时，主动轮齿必受到来自从动轮齿的时，

5、主动轮齿必受到来自从动轮齿的法向力法向力F Fn1 n1（可分解成圆周力Ft1和径向力Fr1）的作用。的作用。=4.4 4.4 直齿圆柱齿轮传动的直齿圆柱齿轮传动的 受力分析及计算载荷受力分析及计算载荷力的力的方向方向判断？判断？作用力的方向及判断作用力的方向及判断与与1 反向反向 与与2 同向同向t2(从从):):由啮合点指向轮心由啮合点指向轮心(外外)Ft2Fr2Fr1Ft1Fr1Fr2Ft2示意图：示意图：Ft1C12Ft2Ft1Fr2Fr1Vt1(主主):):trn1n2二、二、计算载荷计算载荷名义载荷名义载荷：平稳工况下的理想载荷平稳工况下的理想载荷(机器铭牌上给定的)Pn。理论上是

6、。理论上是恒定的、沿齿宽方向均匀分布的值。恒定的、沿齿宽方向均匀分布的值。计算载荷计算载荷：名义载荷在实际中是不存在的，计算时要考虑各种名义载荷在实际中是不存在的，计算时要考虑各种实际情况实际情况（制造、安装误差，受载后的变形，工作中的振动，载荷的不均匀性等），以系数以系数k(表表4-4)的形式加以修正。的形式加以修正。修正后的名义载荷称为计算载荷。修正后的名义载荷称为计算载荷。接触应力：接触应力：力与面积之比的极限力与面积之比的极限（高副接触应力较大）赫兹公式：赫兹公式：齿面的最大接触应力的计算式齿面的最大接触应力的计算式负号用于负号用于内接触内接触工作时的接工作时的接触应力触应力4.5直齿

7、圆柱齿轮传动的强度计算直齿圆柱齿轮传动的强度计算 （重点内容）（重点内容）点蚀的主要原因点蚀的主要原因齿面的齿面的接触应力过高接触应力过高4.5.1接触强度计算接触强度计算 由于齿根节点处易发生点蚀，所以研究节点由于齿根节点处易发生点蚀，所以研究节点处的接触应力处的接触应力.节点处的齿廓曲率半径节点处的齿廓曲率半径：节点处的载荷关系：节点处的载荷关系：将上述结果将上述结果（几何参数、力）代入赫兹公式整理得代入赫兹公式整理得：校核式校核式设计式设计式H许用接触应力，成对计算取较小 H代入计算Hlim接触疲劳极限，表；SH安全系数，表查取。式中：ZE弹性系数，见表46 ZH区域系数，对于标准齿轮：

8、一对轮齿表面的接触强度取决于小齿轮分度圆直径d1！你从接触强度的计算公式中能够得出什么样的结论?Fn受力模型受力模型：悬臂梁。：悬臂梁。最大受力方位最大受力方位：当载荷作用于齿顶时，：当载荷作用于齿顶时，齿根所受到的弯曲力矩最大。齿根所受到的弯曲力矩最大。危险截面危险截面:用用3030o o切线法确定切线法确定。弯曲弯曲应力计算应力计算断齿：轮齿的另一失效形式，原因是弯曲应力过高。4.5直齿圆柱齿轮传动的强度计算直齿圆柱齿轮传动的强度计算4.5.2齿根弯曲疲劳强度计算齿根弯曲疲劳强度计算带入上式并整理得带入上式并整理得弯曲强度弯曲强度的计算公式：的计算公式：校核式校核式设计式设计式式中：式中：

9、d d宽径比宽径比=b/db/d1 1YFa 齿形系数齿形系数（与齿形中的尺寸比例、齿数有关（ZYF，与模数无关，图11-8）YSa应力集中系数应力集中系数（考虑齿的形状，与齿数有关而与模数无关，图11-9）模数，表(4-1)。F许用弯曲应力许用弯曲应力，（表11-1、表11-5）注意：注意：1.由于由于 YF1和和 YF2不同，不同，F1 和和 F2也不同，应分别验算两齿轮的弯曲强也不同，应分别验算两齿轮的弯曲强度。计算中要用度。计算中要用YF1/F1和和YF2/F2中较大的值。中较大的值。2.计算后的模数应圆整为标准模数值，传递动力时计算后的模数应圆整为标准模数值，传递动力时m1.5mm。

10、你从弯曲强度的计算公式中又能够得出什么样的结论?一对轮齿表面的弯曲强度取决于其模数m的大小！1宜取多宜取多(2040)保证平稳保证平稳1不宜过多不宜过多(2030)平稳，保证弯曲强度平稳，保证弯曲强度1 1 节省材料，降低成本。但节省材料，降低成本。但1 1 17 17(一般1720标准齿轮)重合度大，平稳性好重合度大，平稳性好Z Z1 1 2.小轮齿数小轮齿数1:闭式软齿面闭式软齿面mm，易加工，但弯曲强度降低，易加工，但弯曲强度降低闭式硬齿面闭式硬齿面1.齿数比齿数比u：1uZ2Z17，u径向尺寸径向尺寸，u？3.3.齿宽系数齿宽系数4.5.3 4.5.3 直齿圆柱齿轮的直齿圆柱齿轮的 参

11、数、精度和许用应力参数、精度和许用应力一、主要参数一、主要参数 1.u、2.z、3.d、bd承载承载，轴向尺寸轴向尺寸，载荷不均匀，载荷不均匀d？4.齿宽齿宽b：b1=b2+（510）mm 保证齿轮有足够的啮合宽度。保证齿轮有足够的啮合宽度。如何如何选择齿面选择齿面？二、二、齿轮传动的精度齿轮传动的精度误差对传动有什么影响？误差对传动有什么影响？影响传递运动的影响传递运动的准确性、平稳性、均匀性准确性、平稳性、均匀性精度等级精度等级：12个精度等级个精度等级（1级最高，12级最低），见表，见表112（P168）一般两齿轮的精度等级取相同一般两齿轮的精度等级取相同 （7、8级最常用）齿轮的疲劳极

12、限齿轮的疲劳极限lim：弯曲：弯曲：lim=FE 按材料、热处理、硬度查按材料、热处理、硬度查图图1020 接触：接触：lim=Hlim_ 按材料、热处理、硬度查按材料、热处理、硬度查图图1021寿命系数寿命系数KN考虑应力循环次数考虑应力循环次数N影响影响 弯曲弯曲:ZN=ZFN 由由N查图查图420 接触：接触：ZN=ZHN_ 由由N查图查图422，其中其中 N=60njLh n齿轮的转速（齿轮的转速（rmin）j齿轮转一周时，同一齿面参加啮合的次数齿轮转一周时，同一齿面参加啮合的次数 Lh齿轮的工作寿命齿轮的工作寿命 Lh=年年数数300班数班数8（h）三、三、齿轮传动的许用应力齿轮传动

13、的许用应力 安全系数安全系数 S 弯曲：弯曲：S=SF=1.251.5 接触：接触：S=SH=1 许用应力：许用应力：例题例题4-14-1一、斜一、斜齿轮上的作用力齿轮上的作用力4.6 4.6 斜齿圆柱齿轮传动斜齿圆柱齿轮传动二、二、强度计算（简介）强度计算（简介）端面端面轴面轴面法面法面切面切面n n（与轴线平行并指向齿面）一、一、斜齿轮上的力分析斜齿轮上的力分析圆周力圆周力:t径向力径向力:r轴向力轴向力:a1.力的大小力的大小21d1ttgncosttg注意注意：的选取的选取平稳性好，但a轴承受力大，一般取=820人字齿可取=1540,为什么?T112.方向的判断方向的判断圆周力：圆周力

14、：Ft2Ft1Fr1Fr2Ft2Fa1Fa2Fa2Fr1Fr2Fa1Ft1t1（主）（主）:与与1 反向反向t2（从）：与（从）：与2 同向同向径向力：径向力：r：由啮合点指向轮心：由啮合点指向轮心轴向力：轴向力：a：由左右手定则：由左右手定则例题例题轴向力轴向力a方向判断的方向判断的左右手定则左右手定则（用在主动轮上（用在主动轮上）：按按主动轮主动轮左右旋，选用左右手左右旋，选用左右手 四指代表轮转向四指代表轮转向n1，拇指向为受力方向拇指向为受力方向Fa 旋向的判断旋向的判断 右右 左左12T22Ft1配对斜齿轮配对斜齿轮旋向相反旋向相反 Ft1Ft2Fr1Fr2Fa1Fa2Ft3Fr3F

15、a3Ft4Fr4Fa4同轴同向 例题：例题：如何确定旋向使中轴的轴向力最小？如何确定旋向使中轴的轴向力最小？二、强度计算（简介）二、强度计算（简介）齿面接触疲劳强度计算公式齿面接触疲劳强度计算公式强度计算原理与直齿相似，但由于重合度增加，强度计算原理与直齿相似，但由于重合度增加，斜齿的接触应力和弯曲应力都有所下降。斜齿的接触应力和弯曲应力都有所下降。校核式校核式设计式设计式与直齿接触强度计算公式有什么不同?仅增加了一项Z齿根弯曲疲劳强度计算公式齿根弯曲疲劳强度计算公式 式中参数见教材。校核式校核式设计式设计式与直齿弯曲强度计算公式有什么不同?仅增加了一项cos22 2闭式：主要取决于齿轮的圆周

16、速度。闭式：主要取决于齿轮的圆周速度。1开式和半开式（速度低）：一般人工定期、润滑脂开式和半开式（速度低）：一般人工定期、润滑脂4.8 齿轮传动的效率、润滑及结构二、齿轮传动的润滑二、齿轮传动的润滑 一、齿轮传动的效率一、齿轮传动的效率（表（表4-124-12）当当 12m/s时，采用喷油润滑时，采用喷油润滑当当 12m/s时，采用浸油润滑时，采用浸油润滑一、齿轮轴一、齿轮轴二、实心式二、实心式 d da a 160mm160mm 三、腹板式三、腹板式d da a 500mm500mmda四、轮辐式四、轮辐式d da a400mm,400mm,铸钢或铸铁铸钢或铸铁d d1.8d1.8dS Se

17、 e 2mtddSD0=0.5(D1+D2)d0=0.25(D2-D1)D2=da-10mnD1=1.6dSL=(1.21.5)dsdSdaD1D2D0d0bLdae4.8.3 齿轮的构造（自学）齿轮的构造（自学）各种齿轮的构造各种齿轮的构造小小 结结 1.失效形式失效形式:折断、点蚀折断、点蚀（胶合、磨损、塑变）（胶合、磨损、塑变）软软齿面齿面(点蚀点蚀)硬硬齿面齿面(折断折断):按接触强度设计按接触强度设计校核弯曲强度校核弯曲强度按弯曲强度设计按弯曲强度设计校核接触强度校核接触强度2.常用的计算方法常用的计算方法:受力分析总汇受力分析总汇圆周力圆周力 大小大小 方向方向直直齿齿轮轮斜斜齿齿

18、轮轮径向力径向力轴向力轴向力圆周力圆周力轴向力轴向力径向力径向力Ft1=2T1/d1=-Ft2Fr1=Fttan=-Fr2Ft1=2T1/d1=-Ft2Fr1=Fttan n/coscos=-Fr2Fa1=Fttan=-=-Fa2主动轮：与转向相反主动轮：与转向相反从动轮：与转向相同从动轮：与转向相同主动轮：与转向相反主动轮：与转向相反从动轮：与转向相同从动轮：与转向相同指向轮心指向轮心指向轮心指向轮心由主动轮左右手法则定由主动轮左右手法则定强度计算公式总汇强度计算公式总汇斜齿轮斜齿轮直齿轮直齿轮斜齿轮斜齿轮直齿轮直齿轮校核式校核式 设计式设计式接接触触强强度度弯弯曲曲强强度度1.1.齿轮失效

19、及选材失效及选材2.2.接触与弯曲接触与弯曲强度的度的计算算3.3.斜斜齿轮的力分析的力分析机机 械械 传传 动动 小小 结：结：1.速度速度 2.运动形式运动形式 3.调节速度调节速度 4.多台联动多台联动二二.传动装置作用传动装置作用 三三.传动装置分类传动装置分类一一.采用传动装置的原因采用传动装置的原因1.传递分配能量传递分配能量 2.转速改变转速改变 3.运动形式改变运动形式改变四四.传动方案的布置传动方案的布置运动平稳、噪音低、结构简单、具有安全保护。运动平稳、噪音低、结构简单、具有安全保护。轴上压力大、轴上压力大、i不恒定、不恒定、低、低、用在高速级。用在高速级。传动可靠、精度高

20、、传动可靠、精度高、高、功率范围大。高、功率范围大。平稳差、冲击大、噪音高、成本高。平稳差、冲击大、噪音高、成本高。摩擦传动摩擦传动啮合传动啮合传动四四.传动方案的布置传动方案的布置1.带传动带传动(承载力小承载力小,平稳平稳,缓冲吸振缓冲吸振)高速级高速级2.链传动链传动(运动不均匀运动不均匀,动载荷随动载荷随n增大而增大增大而增大)低速级低速级3.蜗杆传动蜗杆传动:(i大大,平稳平稳,低低)高速级高速级(减小尺寸减小尺寸)4.锥齿轮锥齿轮(加工困难加工困难,精度低精度低)改变改变轴的轴的方向方向才用才用5.开式齿轮开式齿轮传动传动(磨损大磨损大)低速级低速级(中小功率中小功率,间歇运转）间

21、歇运转）6.布置顺序布置顺序 高速级高速级 要求平稳，反之相反。要求平稳，反之相反。n越高越高(P相同时相同时)T越小越小F越小越小对冲击振动越敏感对冲击振动越敏感带带齿轮齿轮链链蜗杆蜗杆齿轮齿轮斜齿轮斜齿轮直齿轮直齿轮传动传动平稳性平稳性最好的是最好的是传动比传动比最大的是最大的是附加附加动载荷动载荷最大的是最大的是效率效率最高的是最高的是发热发热最严重的最严重的是是8.带、链、齿轮和蜗杆传动的带、链、齿轮和蜗杆传动的比较比较带传动带传动蜗杆传动蜗杆传动链传动链传动齿轮传动齿轮传动蜗杆传动蜗杆传动7.齿轮的非对称布置齿轮的非对称布置1）不宜）不宜用于用于大功率大功率传动传动2）转矩输入和输出

22、应设在远离齿轮端）转矩输入和输出应设在远离齿轮端（缓解载荷沿齿宽分布的不均匀性）软硬齿面的选择软硬齿面的选择：小功率时选软齿面；大功率时选硬齿面。小功率时选软齿面；大功率时选硬齿面。这点很重要!软齿面软齿面：按齿面接触强度设计，验算齿根弯曲强度；按齿面接触强度设计，验算齿根弯曲强度；硬齿面硬齿面：按轮根弯曲强度设计，验算齿面接触强度；按轮根弯曲强度设计，验算齿面接触强度；齿面选择及强度设计齿面选择及强度设计开式传动按弯曲强度设计，将算得的增大10，以考虑磨损的影响。1、轮齿折断、轮齿折断疲劳折断疲劳折断过载折断过载折断全齿折断全齿折断发生于齿宽较小的直齿轮发生于齿宽较小的直齿轮局部折断局部折断

23、发生于齿宽较大的直齿轮和斜齿轮发生于齿宽较大的直齿轮和斜齿轮防范措施防范措施：增大齿根圆角半径、增大齿根圆角半径、提高齿面精度、正变提高齿面精度、正变位、增大模数等位、增大模数等原因原因部位部位2、齿面疲劳点蚀、齿面疲劳点蚀闭式软齿面（闭式软齿面（HBS350）中多见）中多见点蚀的形成与润滑油有密切关系点蚀的形成与润滑油有密切关系在齿根偏向节线的附近在齿根偏向节线的附近开式传动中一般不会出现点蚀现象开式传动中一般不会出现点蚀现象防范措施防范措施：提高齿面硬度和齿面质量、增大直径：提高齿面硬度和齿面质量、增大直径原因原因部位部位3、齿面胶合、齿面胶合同种金属挤压时有相互渗透的趋势同种金属挤压时有

24、相互渗透的趋势措施：措施：采用异种金属、降低齿高、提高齿面硬度等采用异种金属、降低齿高、提高齿面硬度等原因原因4、齿面磨损、齿面磨损润滑不良，是开式传动的主要失效形式润滑不良，是开式传动的主要失效形式措施措施：改善润滑和密封条件改善润滑和密封条件原因原因5、齿面塑性变形、齿面塑性变形措施：措施：提高齿面硬度，采用油性好的润滑油提高齿面硬度，采用油性好的润滑油措施：措施：由于金属的塑性，轮齿在碾压中变形由于金属的塑性，轮齿在碾压中变形 各力的方向：各力的方向：各力关系：各力关系：作用在主、从作用在主、从动轮动轮上的上的对应对应力等力等值值反向，如反向，如：各各作用作用力方向判断力方向判断Ft1与主动轮回转方向相反与主动轮回转方向相反Ft2与从动轮回转方向相同与从动轮回转方向相同Fr1、Fr2分别指向各自齿轮的轮心分别指向各自齿轮的轮心21例：例：例：例：n2n1Fr2Fr1Ft1Ft2n1n2注意注意：各力应画各力应画在啮合点在啮合点上！上！