机械设计基础第七章齿轮传动.ppt

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1、第七章第七章 齿轮传动齿轮传动2021/9/231 7-1 7-1 齿轮传动的失效形式和齿轮传动的失效形式和设计准则设计准则一、失效形式一、失效形式1.轮齿折断：齿根弯曲强度不够轮齿折断：齿根弯曲强度不够2.齿面点蚀：齿面分度圆附近出现点状齿面点蚀：齿面分度圆附近出现点状凹坑凹坑(齿面接触强度不够齿面接触强度不够)3.齿面胶合齿面胶合4.齿面磨损齿面磨损5.齿面塑性变形齿面塑性变形2021/9/232二、设计计算准则二、设计计算准则根据齿轮传动的失效形式而定。根据齿轮传动的失效形式而定。1.一般齿轮传动为一般齿轮传动为闭式闭式、软齿面。、软齿面。主要失效形式：齿面点蚀。主要失效形式：齿面点蚀。

2、设计准则：按齿面接触强度设计，按齿根弯曲强度校设计准则：按齿面接触强度设计，按齿根弯曲强度校核。核。2.开式；硬齿面传动：开式；硬齿面传动：失效形式：齿根折断。失效形式：齿根折断。设计准则：按齿根弯曲强度设计，按齿面接触强度校设计准则：按齿根弯曲强度设计，按齿面接触强度校核。核。2021/9/2337-2 7-2 齿轮常用材料和热处理齿轮常用材料和热处理 齿轮材料的基本要求齿轮材料的基本要求齿面要硬，齿芯要韧齿面要硬，齿芯要韧 2021/9/234一、齿轮常用材料一、齿轮常用材料1、钢、钢最常用，可通过热处理改善机械性能最常用，可通过热处理改善机械性能（1）锻钢）锻钢软齿面齿轮（软齿面齿轮（H

3、B350）如如45、35 热处理，正火调质，加工方法，热处理，正火调质，加工方法，热处理后精切齿形热处理后精切齿形8、7级，级，适合于对精度、强度和速度要求不高的齿轮适合于对精度、强度和速度要求不高的齿轮传动传动硬齿面齿轮（硬齿面齿轮（HB350）（是发展趋势）（是发展趋势）20Cr，20CrMnTi，40Cr，表面淬火，渗碳，表面淬火，渗碳淬火，氮化和氰化，先切齿淬火，氮化和氰化，先切齿表面硬化表面硬化磨磨齿精切齿形齿精切齿形5、6级级 适合于高速、重载及精密机械（如精密机床、适合于高速、重载及精密机械（如精密机床、航空发动机等）航空发动机等）2021/9/235（2）铸钢）铸钢 用于尺寸较

4、大齿轮，需正火和退火以消除用于尺寸较大齿轮，需正火和退火以消除 铸造应力。铸造应力。强度稍低强度稍低。2021/9/2362、铸铁、铸铁 脆、机械强度，抗冲击和耐磨性较差，脆、机械强度，抗冲击和耐磨性较差，但抗胶合和点蚀能力较强，用于工作平但抗胶合和点蚀能力较强，用于工作平稳、低速和小功率场合。稳、低速和小功率场合。常用铸铁：灰铸铁；球墨铸铁（有较好常用铸铁：灰铸铁；球墨铸铁（有较好 的机械性能和耐磨性的机械性能和耐磨性）2021/9/2373、非金属材料、非金属材料工程塑料（工程塑料（ABS、尼、尼龙）、夹布胶木龙）、夹布胶木适于高速、轻载和精度不高的传动中，适于高速、轻载和精度不高的传动中

5、，特点是噪音较低，无需润滑；特点是噪音较低，无需润滑；在某些低速和仪器仪表中还用铜合金和在某些低速和仪器仪表中还用铜合金和铝合金作齿轮（具有耐腐蚀、自润滑等铝合金作齿轮（具有耐腐蚀、自润滑等特性）特性）2021/9/238二、许用应力二、许用应力1、安全系数、安全系数 S 接触疲劳造成的点蚀只引起噪声、振动，而弯接触疲劳造成的点蚀只引起噪声、振动，而弯曲疲劳产生的断齿则导致传动不能继续工作。曲疲劳产生的断齿则导致传动不能继续工作。因此齿根弯曲疲劳系数应大于齿面接触疲劳安因此齿根弯曲疲劳系数应大于齿面接触疲劳安全系数。全系数。表表7-22021/9/239查图查图7-6 7-72、许用应力、许用

6、应力2021/9/23107-3 7-3 齿轮传动精度齿轮传动精度国家标准规定齿轮精度为国家标准规定齿轮精度为12级，级，1级最高，级最高，12级最低。级最低。常用精度等级常用精度等级7、8、9级。级。按按GB10095-88（圆柱齿轮）和（圆柱齿轮）和GB11365-89（圆锥齿（圆锥齿轮）规定：轮）规定：精度等级：精度等级：高高 低低 1，2，3，5，6，7，8，9，10，11，12精度规范：运动精度规范精度规范：运动精度规范第第公差组；公差组；工作平稳性精度规范工作平稳性精度规范第第公差组；公差组；接触精度规范接触精度规范第第公差组；齿轮副侧隙；齿坯公公差组；齿轮副侧隙；齿坯公差差精度等

7、级选择，按用途、工作条件、传动功率和圆周精度等级选择，按用途、工作条件、传动功率和圆周速度速度V来确定。来确定。2021/9/23117-4 7-4 直齿圆柱齿轮强度计算直齿圆柱齿轮强度计算一、轮齿的受力分析和计算载荷一、轮齿的受力分析和计算载荷1、受力分析、受力分析 齿轮啮合时，受到法向力作用，方向沿啮合线齿轮啮合时，受到法向力作用，方向沿啮合线方向。方向。圆周力方向：主动轮：与线速度方向相反圆周力方向：主动轮：与线速度方向相反 从动轮：与线速度方向相从动轮：与线速度方向相径向力方向：主动轮：指向轮心径向力方向：主动轮：指向轮心 从动轮：指向轮心。从动轮：指向轮心。2021/9/2312力力

8、的的方方向向圆周力圆周力 Ft=2000T/d1径向力径向力 Fr=Ft tg法向力法向力Fn力的大小力的大小 Fn=Ft/cos 2021/9/2313Ft1=-Ft2 Fr1=-Fr2 大小相等，方向相反2021/9/2314K:载荷系数，表载荷系数，表7-32、计算载荷、计算载荷2021/9/23152021/9/2316二、齿面接触疲劳强度计算二、齿面接触疲劳强度计算 接触应力接触应力 两圆柱体接触赫兹公式两圆柱体接触赫兹公式 啮合点齿廓综合曲率半径啮合点齿廓综合曲率半径 材料弹性系数材料弹性系数 fnca 材料弹性系数材料弹性系数 2021/9/2317接触强度校核公式钢制齿轮钢制齿

9、轮2021/9/2318引入齿宽系数引入齿宽系数 接触强度设计公式接触强度设计公式钢制齿轮钢制齿轮接触强度计算公式中接触强度计算公式中，2021/9/2319三、齿根弯曲疲劳强度计算三、齿根弯曲疲劳强度计算 校核公式：校核公式：设计公式：设计公式：再取再取标标准准值值 2021/9/2320弯曲强度校核时，应将弯曲强度校核时，应将 中中较大较大者代入计算。者代入计算。2021/9/23217-5 直齿圆柱齿轮传动的设计计算直齿圆柱齿轮传动的设计计算一、齿轮强度计算中的参数选择一、齿轮强度计算中的参数选择1、齿数和模数、齿数和模数a不变不变Z1传动平稳性传动平稳性。到。到mh（加工量减小（加工量

10、减小生产率生产率）齿面滑运速度齿面滑运速度VS减小磨损减小磨损胶合胶合,但齿厚但齿厚S弯曲强度弯曲强度闭式软齿面齿轮（点蚀）闭式软齿面齿轮（点蚀）Z1可取多一些（可取多一些（2040）增加传动平稳性，减小冲击增加传动平稳性，减小冲击2、齿宽和齿宽系数、齿宽和齿宽系数承载能力承载能力d1但易偏载（载荷分布不均匀），但易偏载（载荷分布不均匀），表表7-6一般软齿面，支承对称布置精度高，可取大一些。一般软齿面，支承对称布置精度高，可取大一些。3、齿数比（小于、齿数比（小于6）2021/9/2322二、齿轮强度计算的一般顺序二、齿轮强度计算的一般顺序1 闭式齿轮闭式齿轮软齿面：用接触强度设计公式确定分

11、度圆直径，软齿面：用接触强度设计公式确定分度圆直径，然后选择齿数、模数，最后，校核齿根弯曲强然后选择齿数、模数，最后，校核齿根弯曲强度。度。硬齿面：用弯曲强度设计公式确定摸数，然后硬齿面：用弯曲强度设计公式确定摸数，然后选择齿数，最后，校核齿面接触强度。选择齿数，最后，校核齿面接触强度。2 开式齿轮开式齿轮按弯曲强度设计公式计算模数，最后，将计算按弯曲强度设计公式计算模数，最后，将计算模数增大模数增大10%-20%作为设计结果。作为设计结果。2021/9/232376 76 斜齿圆柱齿轮传动的强度计算斜齿圆柱齿轮传动的强度计算 一、轮齿的受力分析一、轮齿的受力分析圆周力圆周力FtFt主反从同主

12、反从同 径向力径向力FrFr指向的轮心指向的轮心 轴向力轴向力FaFa 主动轮主动轮的的左右左右手定则手定则 根据根据主动轮主动轮左旋或左旋或右旋伸左手或右手，右旋伸左手或右手，四指沿着转向握住轴四指沿着转向握住轴线，大拇指所指即为线，大拇指所指即为主动轮主动轮所受的所受的Fa1Fa1的的方向，方向，Fa2Fa2与与Fa1Fa1方向相反方向相反。2021/9/23242021/9/23252021/9/2326二、强度计算二、强度计算 一对斜齿轮相当于一对当量直齿圆柱齿轮传一对斜齿轮相当于一对当量直齿圆柱齿轮传动，因此斜齿轮的强度计算用当量直齿轮代动，因此斜齿轮的强度计算用当量直齿轮代替。替。

13、1 1 基本公式基本公式7-7-1313：接触强度：接触强度2 2 设计公式设计公式7-7-1414：满足接触强度要求，设计分：满足接触强度要求，设计分度圆直径。度圆直径。3 3 校核公式校核公式7-7-1515：在指定参数下，计算万曲强：在指定参数下，计算万曲强度是否符合要求。度是否符合要求。4 4 设计公式设计公式7-7-1616：满足接触强度要求，设计法：满足接触强度要求，设计法面模数，标准值按照表面模数，标准值按照表5-15-1选。选。2021/9/23277-7 7-7 直齿圆锥齿轮传动的强度计直齿圆锥齿轮传动的强度计算算一、一、直齿圆锥齿轮传直齿圆锥齿轮传动的受力分析动的受力分析方

14、向：方向：FtFt主反从同主反从同 Fr指向各自的轴线指向各自的轴线 FaFa指向大端指向大端 Ft1=-Ft22021/9/23282021/9/2329二、强度计算二、强度计算1、齿面接触强度的计算、齿面接触强度的计算2、齿根弯曲强度的计算、齿根弯曲强度的计算P1202021/9/23307-8 蜗杆传动强度计算蜗杆传动强度计算一、蜗杆传动的失效形式、设计准则及常用材料一、蜗杆传动的失效形式、设计准则及常用材料1、蜗杆传动的失效形式、蜗杆传动的失效形式 蜗轮蜗轮：胶合、点蚀、磨损：胶合、点蚀、磨损2、强度计算准则（对蜗轮）、强度计算准则（对蜗轮）按齿面接触疲劳强度设计按齿面接触疲劳强度设计

15、 按齿根弯曲强度校核按齿根弯曲强度校核3、常用材料、常用材料蜗杆：蜗杆：4040、4545、40Cr40Cr 蜗轮：蜗轮：青铜青铜要求：要求：1 1）足够的强度）足够的强度 2 2）良好的减摩、耐磨性）良好的减摩、耐磨性 3 3）良好的抗胶合性）良好的抗胶合性2021/9/2331二、蜗杆传动受力分析二、蜗杆传动受力分析1、圆周力、圆周力Ft2、径向力、径向力Fr3、轴向力、轴向力Fa2021/9/23322021/9/2333Ft主反从同主反从同 力的方向和蜗轮转向的判别力的方向和蜗轮转向的判别 Fr指向各自指向各自的轴线的轴线 Fa1蜗杆左右蜗杆左右手螺旋定则手螺旋定则 轴向力 径向力圆周

16、力 蜗轮转向的判别蜗轮转向的判别 ：Fa1的反向即为蜗轮的角速度的反向即为蜗轮的角速度w2方向方向2021/9/2334三、蜗杆传动强度计算三、蜗杆传动强度计算1 1、蜗轮齿面接触强度的计算、蜗轮齿面接触强度的计算2 2、蜗轮齿根弯曲强度的计算、蜗轮齿根弯曲强度的计算四、蜗杆传动热平衡计算四、蜗杆传动热平衡计算1 1、原因原因 效率低，发热大，温升高，润滑油粘度效率低，发热大，温升高，润滑油粘度下降润滑油在齿面间被稀释，加剧磨损下降润滑油在齿面间被稀释，加剧磨损和胶合。和胶合。2 2、冷却措施冷却措施 加散热片以增大散热面积；加散热片以增大散热面积；风扇；风扇；冷却水管；循环油冷却冷却水管；循环油冷却2021/9/23352021/9/23367-9 7-9 齿轮、蜗杆和蜗轮的构造齿轮、蜗杆和蜗轮的构造一、结构一、结构1、齿轮轴、齿轮轴2、实体式、实体式3、辐板式、辐板式(孔板式孔板式)4、轮辐式、轮辐式5、镶圈齿轮、镶圈齿轮2021/9/23372021/9/23382021/9/23392021/9/2340二、润滑方式二、润滑方式 1 1、V12m/s喷油润滑喷油润滑 2021/9/23412021/9/23422021/9/23432021/9/2344