第11章齿轮传动资料优秀PPT.ppt

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1、第第11章章 齿轮传动齿轮传动11-1 轮齿的失效形式轮齿的失效形式11-2 齿轮材料及热处理齿轮材料及热处理11-3 齿轮传动的精度齿轮传动的精度11-4 直齿圆柱齿轮传动的作用力及计算载荷直齿圆柱齿轮传动的作用力及计算载荷11-5 直齿圆柱齿轮传动的齿面接触强度计算直齿圆柱齿轮传动的齿面接触强度计算11-6 直齿圆柱齿轮传动的弯曲强度计算直齿圆柱齿轮传动的弯曲强度计算11-7 斜齿圆柱齿轮传动斜齿圆柱齿轮传动11-8 直齿圆锥齿轮传动直齿圆锥齿轮传动11-9 齿轮的构造齿轮的构造11-10 齿轮传动的润滑和效率齿轮传动的润滑和效率第第11章章 齿轮传动齿轮传动作用：作用：不仅用来传递运动、

2、而且还要传递动力。不仅用来传递运动、而且还要传递动力。要求：要求：运转平稳、足够的承载实力。运转平稳、足够的承载实力。分类分类开式传动开式传动 闭式传动闭式传动 -润滑良好、适于重要应用；润滑良好、适于重要应用；-袒露、灰尘、易磨损，适于袒露、灰尘、易磨损，适于低速传动。低速传动。软齿面软齿面-硬齿面硬齿面-11-1 轮齿的失效形式轮齿的失效形式轮齿折断轮齿折断失效形式失效形式一般发生在齿根处，严峻过载突然断裂、疲惫折断。11-1 轮齿的失效形式轮齿的失效形式轮齿折断轮齿折断失效形式失效形式齿面接触应力按脉动循环变更当超过疲惫极限时，表面产生微裂纹、高压油挤压使裂纹扩展、微粒剥落。点蚀首先出现

3、在节线处，齿面越硬，抗点蚀实力越强。软齿面闭式齿轮传动常因点蚀而失效。齿面点蚀齿面点蚀11-1 轮齿的失效形式轮齿的失效形式轮齿折断轮齿折断失效形式失效形式齿面点蚀齿面点蚀齿面胶合齿面胶合高速重载传动中，常因啮合区温度上升而引起润滑失效，致使齿面金属干脆接触而相互粘连。当齿面相对滑动时，较软的齿面沿滑动方向被撕下而形成沟纹。措施：措施：1.提高齿面硬度提高齿面硬度2.减小齿面粗糙度减小齿面粗糙度3.增加润滑油粘度增加润滑油粘度低速4.加抗胶合添加剂加抗胶合添加剂高速11-1 轮齿的失效形式轮齿的失效形式轮齿折断轮齿折断失效形式失效形式齿面点蚀齿面点蚀齿面胶合齿面胶合齿面磨损齿面磨损措施：措施：

4、1.减小齿面粗糙度减小齿面粗糙度2.改善润滑条件改善润滑条件磨粒磨损磨粒磨损跑合磨损跑合磨损跑合磨损、磨粒磨损。11-1 轮齿的失效形式轮齿的失效形式轮齿折断轮齿折断失效形式失效形式齿面点蚀齿面点蚀齿面胶合齿面胶合齿面磨损齿面磨损从动齿从动齿主动齿主动齿齿面塑性变形齿面塑性变形从动齿从动齿主动齿主动齿从动齿从动齿主动齿主动齿从动齿从动齿主动齿主动齿11-2 齿轮材料及热处理齿轮材料及热处理常用常用齿轮材料齿轮材料优质碳素钢优质碳素钢合金结构钢合金结构钢铸钢铸钢铸铁铸铁热处理方法热处理方法表面淬火表面淬火渗碳淬火渗碳淬火调质调质正火正火渗氮渗氮一般用于中碳钢和中碳合金钢，如一般用于中碳钢和中碳合

5、金钢，如45、40Cr等。表面等。表面淬火后轮齿变形小，可不磨齿，硬度可达淬火后轮齿变形小，可不磨齿，硬度可达5256HRC，面硬芯软，能承受确定冲击载荷。面硬芯软，能承受确定冲击载荷。1.1.表面淬火表面淬火-高频淬火、火焰淬火高频淬火、火焰淬火2.2.渗碳淬火渗碳淬火渗碳钢为含碳量渗碳钢为含碳量0.150.25%的低碳钢和低碳合金钢，的低碳钢和低碳合金钢，如如20、20Cr等。齿面硬度达等。齿面硬度达5662HRC，齿面接触强，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。重要传动。通常渗碳淬火后要磨齿

6、。调质一般用于中碳钢和中碳合金钢，如调质一般用于中碳钢和中碳合金钢，如4545、40Cr40Cr、35SiMn35SiMn等。调质处理后齿面硬度为：等。调质处理后齿面硬度为：220260HBS 220260HBS。因为硬度不高，故可在热处理后精。因为硬度不高，故可在热处理后精切齿形，且在运用中易于跑合。切齿形，且在运用中易于跑合。3.3.调质调质4.正火正火正火能消退内应力、细化晶粒、改善力学性能和切削正火能消退内应力、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。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。大直径的齿轮可用铸钢正

7、火处理。渗氮是一种化学处理。渗氮后齿面硬度可达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，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：如内齿轮。材料为：38CrMoAlA.5.渗氮渗氮特点及应用：特点及应用：调质、正火处理后的硬度低，调质、正火处理后的硬度低，HBS 350HBS 350，属软齿面，属软齿面，工艺简洁、用于一般传动。当大小齿轮都是软齿面时，工艺简洁、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，因小轮齿根薄，弯曲强度低，故在选材和热处理时，小轮比大轮硬度高小

8、轮比大轮硬度高:2050HBS:2050HBS表面淬火、渗碳淬火、渗氮处理后齿面硬度高，属硬表面淬火、渗碳淬火、渗氮处理后齿面硬度高，属硬齿面。其承载实力高，但一般须要磨齿。常用于结构齿面。其承载实力高，但一般须要磨齿。常用于结构紧凑的场合。紧凑的场合。表表11-1 常用的齿轮材料常用的齿轮材料优质碳素钢优质碳素钢类类 别别牌牌 号号热热 处处 理理硬度（硬度（HBS或或HRC）合金结构钢合金结构钢铸铸 钢钢灰铸铁灰铸铁球墨铸铁球墨铸铁35正火150180 HBS调质表面淬火180210 HBS4045 HRC正火170210 HBS45调质表面淬火210230 HBS4348 HRC5040

9、Cr调质表面淬火240285 HBS5256 HRC35SiMn调质200260 HBS表面淬火4045 HRC正火调质240280 HBS40MnBZG270-500正火140170 HBSHT200170230 HBSQT500-5147241 HBS180220 HBS具体数据见P161或机械设计手册11-3 齿轮传动的精度等级齿轮传动的精度等级制造和安装齿轮传动装置时，不行避开会产生齿形误差、齿距误差、齿向误差、两轴线不平行误差等。.误差的影响：误差的影响：1.1.转角与理论不一样，影响运动的不精确性；转角与理论不一样，影响运动的不精确性；2.2.瞬时传动比不恒定，出现速度波动，引起振

10、动、瞬时传动比不恒定，出现速度波动，引起振动、冲击和噪音影响运动平稳性；冲击和噪音影响运动平稳性；3.3.齿向误差导致轮齿上的载荷分布不匀整，使轮齿提齿向误差导致轮齿上的载荷分布不匀整，使轮齿提 前损坏，影响载荷分布的不匀整性。前损坏，影响载荷分布的不匀整性。国标国标GB10095GB10095.1.1-20082008给齿轮副规定了给齿轮副规定了1 13 3个精度等级。个精度等级。其中其中0 0级最高，级最高，1212级最低，级最低，常用的为常用的为6 69级精度级精度。依据误差的特性及它们对传动性能的主要影响，将齿轮依据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

11、映传递运动的精确性，传的各项公差分成三组，分别反映传递运动的精确性，传动的平稳性和载荷分布的匀整性。动的平稳性和载荷分布的匀整性。表表11-2 齿轮传动精度等级的选择及其应用齿轮传动精度等级的选择及其应用精度等级精度等级直齿圆直齿圆柱齿轮柱齿轮9级级斜齿圆斜齿圆柱齿轮柱齿轮直齿圆直齿圆锥齿轮锥齿轮圆周速度圆周速度 v(m/s)8级级7级级6级级 15 10 5 3 25 17 10 3.5 9 6 3 2.5应应 用用高速重载齿轮传动，如飞机、汽高速重载齿轮传动，如飞机、汽车和机床中的重要齿轮；分度机车和机床中的重要齿轮；分度机构的齿轮传动。构的齿轮传动。高速中载或低速重载齿轮传动，高速中载或

12、低速重载齿轮传动，如飞机、汽车和机床中的重要齿如飞机、汽车和机床中的重要齿轮；分度机构的齿轮传动。轮；分度机构的齿轮传动。机械制造中对精度无特殊要求的机械制造中对精度无特殊要求的齿轮。齿轮。低速及对精度要求低的齿轮低速及对精度要求低的齿轮O2O1tt1（主动）（主动）N1N2c d12 FnT111-4 11-4 直齿圆柱齿轮传动的作用力及计算载荷直齿圆柱齿轮传动的作用力及计算载荷一、一、轮齿上的作用力及计算载荷轮齿上的作用力及计算载荷圆周力：圆周力：径向力：径向力：法向力：法向力：小齿轮上的转矩：小齿轮上的转矩：P P为传递的功率（为传递的功率（KWKW）1 1-小齿轮上的角速度，小齿轮上的

13、角速度，n n1 1-小齿轮上的转速小齿轮上的转速d d1 1-小齿轮上的分度圆直径，小齿轮上的分度圆直径，-压力角压力角各作用力的方向如图各作用力的方向如图O22（从动）（从动）O1N1N2tt1（主动）（主动）T1c d12d22 FtFrFnFn为了计算轮齿强度，设计轴和轴承，有必要分析轮齿上的作用力。如图要使如图要使II轴轴向力相互抵消，画出各齿轮受力方向、转向、旋向轴轴向力相互抵消，画出各齿轮受力方向、转向、旋向二、二、计算载荷计算载荷上述法向力为名义载荷，理论上沿齿宽匀整分布，但由于轴和轴承的变形，传动装置制造和安装误差等缘由载荷并不是匀整分布，出现载荷集中的现象。图示轴和轴承的刚

14、度越小，齿宽b越宽，载荷集中越严峻。F Fn n-名义载荷名义载荷受力变形受力变形制造误差制造误差安装误差安装误差附加动载荷附加动载荷此外轮齿变形和误差还会引起附加动载荷，且精度越低，圆周速度越高，动载荷越大。载荷集中载荷集中用计算载荷用计算载荷KFKFn n代替名义载荷代替名义载荷F Fn n以考虑载荷集中和附加以考虑载荷集中和附加动载荷的影响，动载荷的影响，K-载荷系数载荷系数表表11-3 载荷系数载荷系数K原动机原动机电动机电动机多缸内燃机多缸内燃机单缸内燃机单缸内燃机均均 匀匀中等冲击中等冲击大的冲击大的冲击工作机械的载荷特性工作机械的载荷特性1.11.21.21.61.61.81.8

15、2.01.11.21.61.81.61.81.92.12.22.4Fnb()maxFnb()min齿轮强度计算是依据齿轮可能出现的失效形式来进行的。在一般闭式齿轮传动中，轮齿的失效主要是齿面接触疲惫点蚀和轮齿弯曲疲惫折断。齿面疲惫点蚀与齿面接触应力的大小有关，而齿面的最大接触应力可近似用赫兹公式进行计算。11-5 直齿圆柱齿轮传动的齿面接触强度计算直齿圆柱齿轮传动的齿面接触强度计算赫兹公式：赫兹公式：“+”用于外啮合，用于外啮合，“-”用于内啮合用于内啮合 试验表明：齿根部分靠近节点处最简洁发生点蚀，故取节点处的应力作为计算依据。节圆处齿廓曲率半径：节圆处齿廓曲率半径：齿数比齿数比:u=z2/

16、z1=d2/d1 得得:O22（从动）（从动）O1N1N2tt1（主动）（主动）T1c d12d22 C12在节点处，载荷由一对轮齿来担当：在节点处，载荷由一对轮齿来担当：令ZE、ZH分别为弹性系数。表11-4、区域系数标准齿轮为2.5代入赫兹公式得：代入赫兹公式得：引入齿宽系数：引入齿宽系数：d=b/d1得设计公式：得设计公式：H取两齿轮的较小值为：取两齿轮的较小值为：H=HLim/SH,以KFt取代Ft且Ft=2T1/d1b为齿宽分查表11-1、11-5rbO30 30 11-6 直齿圆柱齿轮传动的弯曲强度计算直齿圆柱齿轮传动的弯曲强度计算假定载荷仅由一对轮齿担当，按悬臂梁计算。齿顶啮合假

17、定载荷仅由一对轮齿担当，按悬臂梁计算。齿顶啮合时，弯矩达最大值。时，弯矩达最大值。hFFnF2F1SFF 重量F2产生压缩应力可忽视不计，弯曲力矩：弯曲力矩：M=KFnhFcosF 危急界面的弯曲截面系数：危急界面的弯曲截面系数：弯曲应力：弯曲应力：危急截面：齿根圆角危急截面：齿根圆角30 切线两切点连线处。切线两切点连线处。齿顶受力：齿顶受力：Fn，可分解成两个分力：，可分解成两个分力：F1=Fn cosF F2=Fn sinF-产生弯曲应力；产生弯曲应力；-压应力，小而忽视。压应力，小而忽视。Fn因为因为h h和和S S与模数与模数m相关相关，轮齿弯曲强度计算公式：轮齿弯曲强度计算公式：故

18、故YFa与模数与模数m无关。无关。弯曲应力弯曲应力对于标准齿轮对于标准齿轮,YFa仅取决于齿数仅取决于齿数z，取值见，取值见图图11-8。YFa 齿形系数齿形系数F0理论弯曲应力，考虑齿根处应力集中的影响：理论弯曲应力，考虑齿根处应力集中的影响：轮齿弯曲强度计算公式：轮齿弯曲强度计算公式：弯曲应力：弯曲应力：对于标准齿轮对于标准齿轮,YFa（齿形系数）（齿形系数）仅取决于齿数仅取决于齿数Z，取，取值见图值见图11-8。YSa应力集中系数应力集中系数，图，图11-9。YFa 齿形系数齿形系数计算时取：计算时取：较大者，计算结果应圆整较大者，计算结果应圆整,且且m 1.5一般一般YF1 YF2，F

19、1 F2 引入齿宽系数：引入齿宽系数：d=b/d1得设计公式：得设计公式：3.73.63.53.43.33.23.13.02.92.82.72.62.52.42.32.22.12.01.91.81.73.73.63.53.43.33.23.13.02.92.82.72.62.52.42.32.22.12.01.91.81.711 12 13 14 15 16 18 20 25 30 40 50 100 400齿形系数齿形系数YF计算根切极限计算根切极限实际根切极限实际根切极限标准齿轮标准齿轮许用弯曲应力：许用弯曲应力：弯曲疲惫极限弯曲疲惫极限Flim由表由表11-1确定。确定。SF为平安系数，

20、查表为平安系数，查表11-5确定。确定。11-7 齿轮材料和主要参数的选取齿轮材料和主要参数的选取、材料：、材料：、参数：、参数：齿数比、齿数、齿宽系数齿数比、齿数、齿宽系数齿轮传动设计时，按主要失效形式进行强度计算，确齿轮传动设计时，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。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：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：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：硬齿面闭式齿轮传动：按弯曲强度进行设计，按接触强度校核按弯曲强度进行设计，按接触强度校核:开式齿轮传动：开式齿

21、轮传动：按弯曲强度设计。按弯曲强度设计。例例11-1d12FFF11-8 斜齿圆柱齿轮传动斜齿圆柱齿轮传动一、一、轮齿上的作用力轮齿上的作用力1 1T T1 1圆周力：圆周力：径向力：径向力：轴向力：轴向力：轮齿所受总法向力轮齿所受总法向力Fn可分解为三个分力可分解为三个分力:圆周力Ft的方向在主动轮上与运动方向相反，在从动论上与运动方向相同；径向力指向各自的轴心；轴向力的方向由螺旋方向和轮齿工作面而定。FrFtFt长方体底面长方体对角面即轮齿法面F=Ft /cos Fr=F tann nFrFnFnFnc cFaFa作用于主、从动轮上的各对力大小相等，作用于主、从动轮上的各对力大小相等，方向

22、相反。圆周力方向相反。圆周力Ft和径向力和径向力Fr方向的方向的推断同直齿轮。轴向力推断同直齿轮。轴向力Fa的方向取决于的方向取决于三个因素；主动轮或从动轮、轮的转向、三个因素；主动轮或从动轮、轮的转向、齿的旋向。齿的旋向。具体方向的推断可用主动轮左（右）手具体方向的推断可用主动轮左（右）手定则，对主动轮，齿的旋向为右旋，则定则，对主动轮，齿的旋向为右旋，则用右手握住轮的轴线，四指的方向沿着用右手握住轮的轴线，四指的方向沿着轮的转向，此时母指指向即为轴向力的轮的转向，此时母指指向即为轴向力的方向。从动轮上方向。从动轮上Fa的方向与其相反。的方向与其相反。当齿轮当齿轮1和齿轮和齿轮2分别为主动件

23、时，画出齿轮上各力方向分别为主动件时，画出齿轮上各力方向斜齿圆柱齿轮传动的强度计算是按轮齿的法面进行的，其基本原理与直齿轮相同。但是，斜齿轮的重合度大，同时啮合的轮齿较多，轮齿的接触线是倾斜的，在法面内斜齿轮的当量齿轮的分度圆半径较大，因此斜齿轮的接触强度和弯曲强度较直齿轮低。二、二、强度计算强度计算一对钢制标准斜齿轮传动的接触应力及强度条件为：一对钢制标准斜齿轮传动的接触应力及强度条件为：得设计公式：得设计公式：Z ZE E、Z ZH H、Z Z分别为材料弹性系数，表分别为材料弹性系数，表11-411-4；节点区域系；节点区域系数为数为2.52.5；螺旋角系数为：；螺旋角系数为：引入齿宽系数

24、：引入齿宽系数：d=b/d轮齿弯曲强度计算公式：轮齿弯曲强度计算公式：YFa齿形修正系数，图11-8 其中ZV当量齿数ZVZ/cos3YSa应力修正系数图11-9例11-2dm2d2b1 12 211-9 直齿圆锥齿轮传动直齿圆锥齿轮传动一、一、轮齿上的作用力轮齿上的作用力小齿轮齿宽中点分度圆直径：小齿轮齿宽中点分度圆直径：dm12Fnc c假设力集中作用在假设力集中作用在轮齿中点分度圆处。轮齿中点分度圆处。d1b/2b/2dm1d1AB=(b/2)sinAB=(b/2)sin1 1d dm1m1=d=d1 1-2AB-2ABdm11 1A AB B=d=d1 1-bsin-bsin1 1 F

25、t的方向在主动轮上与运动方向相反，在从动论上与运动方向相同；dm12圆周力：圆周力：径向力：径向力：轴向力：轴向力：轴向力Fa的方向对两个齿轮都是背着锥顶。轮齿所受总法向力轮齿所受总法向力Fn可分解为三个分力可分解为三个分力:1 1T T1 1FtFaFrFFnFtFFrFasinsin1 1=cos=cos2 2coscos1 1=sin=sin2 2径向力指向各自的轴心；当当1 1+2 2=90=90 时，有：时，有：Fr1=Fa2Fa1=Fr2于是有：于是有：c cFn 2 21 1dm1dm2d2d1Rebo2o1可以近似认为，一对直齿可以近似认为，一对直齿圆锥齿轮传动和位于齿宽圆锥齿

26、轮传动和位于齿宽中点的一对当量圆柱齿轮中点的一对当量圆柱齿轮传动的强度相等。传动的强度相等。强调当量齿轮的求法二、二、强度计算强度计算Re-0.5bo1o2Fna1 12 2dmv1小齿轮平均直径处的当量齿轮直径；uv为大小当量齿轮齿数比R齿宽系数b/Re；Re为锥距，R0.250.3,锥齿轮接触疲惫强度设计公式：锥齿轮弯曲疲惫强度设计公式：M大端模数；YF、YS查图11-8、11-9；ZvZ/cos11-10 齿轮的构造齿轮的构造 直径较小的钢质齿轮，当齿根圆直径较小的钢质齿轮，当齿根圆直径与轴径接近时，可以将齿轮与直径与轴径接近时，可以将齿轮与轴做成一体，称为轴做成一体，称为齿轮轴齿轮轴。

27、否则可。否则可能引起能引起轮缘断裂。轮缘断裂。(2-2.5)m1.齿轮轴齿轮轴 直径较小的钢质齿轮，当齿根圆直径与轴径接近时，可以将齿轮与轴做成一体，称为齿轮轴。假如齿轮的直径比轴径大得多，则应把齿轮和轴分开制造。2.实心齿轮实心齿轮Da200mm时Da400时，时，dh=1.6 ds(铸钢铸钢);dh=1.6 ds(铸铁铸铁)lh=(1.2.1.5)ds,并使并使lh b c=0.2b;但不小于但不小于10 mm =(2.5.4)mn,但不小于但不小于8 mm h1=0.8 ds;h2=0.8 h1;s=1.5 h1;但不小于但不小于10 mm e=0.8 ds;h2=0.8 h1 bdsd

28、hda斜度斜度1:20clhh1eeh2s4.轮辐式齿轮轮辐式齿轮dh=1.6 ds;lh=(1.2.1.5)ds c=(0.20.3)b;=(2.54)me;但不小于但不小于10 mm d0 和和 d 按结构取定按结构取定dd0Rbdsdhdalh斜度斜度1:10 d0d Rbdsdhdalh斜度斜度1:20dh=(1.61.8)ds;lh=(1.2.1.5)ds c=(0.20.3)b;s=0.8c;=(2.54)me;但不小于但不小于10 mm d0 和和 d 按结构取定按结构取定油池润滑油池润滑接受惰轮的油池润滑接受惰轮的油池润滑喷油润滑喷油润滑11-11 齿轮传动的润滑和效率齿轮传动

29、的润滑和效率开式齿轮常接受人工定期润滑。可用润滑油或润滑脂。开式齿轮常接受人工定期润滑。可用润滑油或润滑脂。闭式闭式齿轮齿轮传动的润滑方式由圆周速度传动的润滑方式由圆周速度v确定。确定。当当v 12 m/sv 12 m/s时，接受油池润滑。时，接受油池润滑。当当v 12 m/sv 12 m/s时，接受油泵喷油润滑。时，接受油泵喷油润滑。适用于多级齿轮，且大小不等的场合。理由：理由：1)v1)v过高，油被甩走，不能进入啮合区；过高，油被甩走，不能进入啮合区；2)2)搅油过于激烈，使油温上升，降低润滑性能；搅油过于激烈，使油温上升，降低润滑性能；3)3)搅起箱底沉淀的杂质，加剧轮齿的磨损。搅起箱底沉淀的杂质，加剧轮齿的磨损。表表11-5 齿轮传动润滑油粘度荐用值齿轮传动润滑油粘度荐用值塑料、铸塑料、铸铁、青铜铁、青铜齿轮材料齿轮材料 强度极限强度极限圆周速度圆周速度 v (m/s)运动粘度运动粘度 v/cSt（40）渗碳或表渗碳或表面淬火钢面淬火钢钢钢350512.5 12.5 25252.5512.50.51YF2 (2)YF1YF2 (3)YF1=YF2