機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第六版第11章齒輪傳動(dòng)ppt課件

自用盤(pán)編號(hào)JJ321002,精選,1,機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第十一章齒輪傳動(dòng),精選,2,第11章齒輪傳動(dòng),11-1輪齒的失效形式,11-2齒輪材料及熱處理,11-3齒輪傳動(dòng)的精度,11-4直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的作用力及計(jì)算載荷,11-5直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算,11-6直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的彎曲強(qiáng)度計(jì)算,11-7斜齒圓柱齒輪傳動(dòng),11-8直齒圓錐齒輪傳動(dòng),11-9齒輪的構(gòu)造,11-10齒輪傳動(dòng)的潤(rùn)滑和效率,精選,3,第11章齒輪傳動(dòng),作用：不僅用來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)、而且還要傳遞動(dòng)力。,要求：運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、足夠的承載能力。,分類(lèi),開(kāi)式傳動(dòng)閉式傳動(dòng),-潤(rùn)滑良好、適于重要應(yīng)用；,-裸露、灰塵、易磨損，適于低速傳動(dòng)。,精選,4,11-1輪齒的失效形式,輪齒折斷,失效形式,一般發(fā)生在齒根處，嚴(yán)重過(guò)載突然斷裂、疲勞折斷。,精選,5,11-1輪齒的失效形式,輪齒折斷,失效形式,齒面接觸應(yīng)力按脈動(dòng)循環(huán)變化當(dāng)超過(guò)疲勞極限時(shí)，表面產(chǎn)生微裂紋、高壓油擠壓使裂紋擴(kuò)展、微粒剝落。點(diǎn)蝕首先出現(xiàn)在節(jié)線處，齒面越硬，抗點(diǎn)蝕能力越強(qiáng)。軟齒面閉式齒輪傳動(dòng)常因點(diǎn)蝕而失效。,齒面點(diǎn)蝕,精選,6,11-1輪齒的失效形式,輪齒折斷,失效形式,齒面點(diǎn)蝕,齒面膠合,高速重載傳動(dòng)中，常因嚙合區(qū)溫度升高而引起潤(rùn)滑失效，致使齒面金屬直接接觸而相互粘連。當(dāng)齒面向?qū)瑒?dòng)時(shí)，較軟的齒面沿滑動(dòng)方向被撕下而形成溝紋。,措施：1.提高齒面硬度,2.減小齒面粗糙度,3.增加潤(rùn)滑油粘度低速,4.加抗膠合添加劑高速,精選,7,11-1輪齒的失效形式,輪齒折斷,失效形式,齒面點(diǎn)蝕,齒面膠合,齒面磨損,措施：1.減小齒面粗糙度,2.改善潤(rùn)滑條件,磨粒磨損,跑合磨損,跑合磨損、磨粒磨損。,精選,8,11-1輪齒的失效形式,輪齒折斷,失效形式,齒面點(diǎn)蝕,齒面膠合,齒面磨損,齒面塑性變形,精選,9,11-2齒輪材料及熱處理,常用齒輪材料,優(yōu)質(zhì)碳素鋼,合金結(jié)構(gòu)鋼,鑄鋼,鑄鐵,熱處理方法,表面淬火,滲碳淬火,調(diào)質(zhì),正火,滲氮,一般用于中碳鋼和中碳合金鋼，如45、40Cr等。表面淬火后輪齒變形小，可不磨齒，硬度可達(dá)5256HRC，面硬芯軟，能承受一定沖擊載荷。,1.表面淬火,-高頻淬火、火焰淬火,精選,10,2.滲碳淬火,滲碳鋼為含碳量0.150.25%的低碳鋼和低碳合金鋼，如20、20Cr等。齒面硬度達(dá)5662HRC，齒面接觸強(qiáng)度高，耐磨性好，齒芯韌性高。常用于受沖擊載荷的重要傳動(dòng)。通常滲碳淬火后要磨齒。,調(diào)質(zhì)一般用于中碳鋼和中碳合金鋼，如45、40Cr、35SiMn等。調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度為：220260HBS。因?yàn)橛捕炔桓?，故可在熱處理后精切齒形，且在使用中易于跑合。,3.調(diào)質(zhì),精選,11,4.正火,正火能消除內(nèi)應(yīng)力、細(xì)化晶粒、改善力學(xué)性能和切削性能。機(jī)械強(qiáng)度要求不高的齒輪可用中碳鋼正火處理。大直徑的齒輪可用鑄鋼正火處理。,滲氮是一種化學(xué)處理。滲氮后齒面硬度可達(dá)6062HRC。氮化處理溫度低，輪齒變形小，適用于難以磨齒的場(chǎng)合，如內(nèi)齒輪。材料為：38CrMoAlA.,5.滲氮,精選,12,特點(diǎn)及應(yīng)用：調(diào)質(zhì)、正火處理后的硬度低，HBS350，屬軟齒面，工藝簡(jiǎn)單、用于一般傳動(dòng)。當(dāng)大小齒輪都是軟齒面時(shí)，因小輪齒根薄，彎曲強(qiáng)度低，故在選材和熱處理時(shí)，小輪比大輪硬度高:2050HBS,表面淬火、滲碳淬火、滲氮處理后齒面硬度高，屬硬齒面。其承載能力高，但一般需要磨齒。常用于結(jié)構(gòu)緊湊的場(chǎng)合。,精選,13,詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)P171或機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè),精選,14,11-3齒輪傳動(dòng)的精度等級(jí),誤差的影響：,1.轉(zhuǎn)角與理論不一致，影響運(yùn)動(dòng)的不準(zhǔn)確性；,2.瞬時(shí)傳動(dòng)比不恒定，出現(xiàn)速度波動(dòng)，引起震動(dòng)、沖擊和噪音影響運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性；,3.齒向誤差導(dǎo)致輪齒上的載荷分布不均勻，使輪齒提前損壞，影響載荷分布的不均勻性。,國(guó)標(biāo)GB10095給齒輪副規(guī)定了13個(gè)精度等級(jí)。其中0級(jí)最高，12級(jí)最低，常用的為69級(jí)精度。,按照誤差的特性及它們對(duì)傳動(dòng)性能的主要影響，將齒輪的各項(xiàng)公差分成三組，分別反映傳遞運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性，傳動(dòng)的平穩(wěn)性和載荷分布的均勻性。,精選,15,精選,16,11-4直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的作用力及計(jì)算載荷,一、輪齒上的作用力及計(jì)算載荷,圓周力：,徑向力：,法向力：,小齒輪上的轉(zhuǎn)矩：,P為傳遞的功率（kW）,1-小齒輪上的角速度，,n1-小齒輪上的轉(zhuǎn)速,d1-小齒輪上的分度圓直徑，,-壓力角,各作用力的方向如圖（忽略摩擦）,精選,17,二、計(jì)算載荷,Fn-名義載荷,受力變形,制造誤差,安裝誤差,附加動(dòng)載荷,載荷集中,計(jì)算齒輪強(qiáng)度時(shí)，采用,用計(jì)算載荷KFn代替名義載荷Fn以考慮載荷集中和附加動(dòng)載荷的影響，K-載荷系數(shù),精選,18,齒輪強(qiáng)度計(jì)算是根據(jù)齒輪可能出現(xiàn)的失效形式來(lái)進(jìn)行的。在一般閉式齒輪傳動(dòng)中，輪齒的失效主要是齒面接觸疲勞點(diǎn)蝕和輪齒彎曲疲勞折斷。齒面疲勞點(diǎn)蝕與齒面接觸應(yīng)力的大小有關(guān)，而齒面的最大接觸應(yīng)力可近似用赫茲公式進(jìn)行計(jì)算。,11-5直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算,赫茲公式：,“+”用于外嚙合，“-”用于內(nèi)嚙合,實(shí)驗(yàn)表明：齒根部分靠近節(jié)點(diǎn)處最容易發(fā)生點(diǎn)蝕，故取節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力作為計(jì)算依據(jù)。,節(jié)圓處齒廓曲率半徑：,齒數(shù)比:u=z2/z1=d2/d11,得:,中心距:a=(d2d1)/2,或:d1=2a/(u1),=d1(u1)/2,精選,19,在節(jié)點(diǎn)處，載荷由一對(duì)輪齒來(lái)承擔(dān)：,令：,稱為彈性系數(shù)，由表11-4選取,令,稱為區(qū)域系數(shù)，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)齒輪,得,引入載荷系數(shù)K，以KFt取代Ft，且,精選,20,令,代入上式，得,取配對(duì)齒輪中較小的許用接觸應(yīng)力,由表11-1選取,安全系數(shù)，由表11-5選取,得,接觸強(qiáng)度計(jì)算公式,式中：b為齒的寬度，T1的單位為Nmm，b、d單位為mm,精選,21,齒輪的接觸疲勞極限Hlim,精選,22,齒輪的接觸疲勞極限Hlim,精選,23,11-6直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的彎曲強(qiáng)度計(jì)算,假定載荷僅由一對(duì)輪齒承擔(dān)，按懸臂梁計(jì)算。齒頂嚙合時(shí)，彎矩達(dá)最大值。,分量F2產(chǎn)生壓縮應(yīng)力可忽略不計(jì)，,彎曲力矩：M=KFnhFcosF,危險(xiǎn)界面的彎曲截面系數(shù)：,彎曲應(yīng)力：,危險(xiǎn)截面：齒根圓角30切線兩切點(diǎn)連線處。,齒頂受力：Fn，可分解成兩個(gè)分力：,F1=FncosFF2=FnsinF,-產(chǎn)生彎曲應(yīng)力；,-壓應(yīng)力，小而忽略。,精選,24,hF和SF成正比，,輪齒彎曲強(qiáng)度計(jì)算公式：,故YF與模數(shù)m無(wú)關(guān)。,彎曲應(yīng)力：,對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)齒輪,YF僅取決于齒數(shù)Z，取值見(jiàn)后圖。,YF齒形系數(shù),精選,25,計(jì)算根切極限,實(shí)際根切極限,標(biāo)準(zhǔn)齒輪,精選,26,引入齒寬系數(shù)：d=b/d1,考慮齒根部有應(yīng)力集中，引入應(yīng)力集中系數(shù)YSa得輪齒彎曲強(qiáng)度的驗(yàn)算公式,式中：許用彎曲應(yīng)力為,齒根彎曲疲勞極限值，由表11-1查取，若輪齒兩面工作，應(yīng)將表中數(shù)值0.7,安全系數(shù)，由表11-5查取,因彎曲疲勞造成的輪齒折斷可能造成重大事故，而疲勞點(diǎn)蝕只影響壽命，故：SFSH,精選,27,1、通常兩齒輪的齒形系數(shù)YFa1和YFa2并不相同，兩齒輪材料的許用彎曲應(yīng)力F1和F2也不相同，因此應(yīng)分別驗(yàn)算兩個(gè)齒輪的彎曲強(qiáng)度。2、m值是必須的最小值，還必須按表4-1圓整。傳遞動(dòng)力的齒輪，其模數(shù)不宜小于1.5mm。對(duì)于開(kāi)式齒輪傳動(dòng)，須將算得的m值加大10%15%。,注意,精選,28,齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)，按主要失效形式進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，確定主要尺寸，然后按其它失效形式進(jìn)行必要的校核。,軟齒面閉式齒輪傳動(dòng)：按接觸強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，按彎曲強(qiáng)度校核：,硬齒面閉式齒輪傳動(dòng)：按彎曲強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，按接觸強(qiáng)度校核:,開(kāi)式齒輪傳動(dòng)：按彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)。,其失效形式為磨損，點(diǎn)蝕形成之前齒面已磨掉。,精選,29,齒輪的彎曲疲勞極限Hlim,精選,30,輪齒折斷、齒面點(diǎn)蝕、齒面膠合、齒面磨損、齒面塑性變形,輪齒失效形式,常用齒輪材料,優(yōu)質(zhì)碳素鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、鑄鋼、鑄鐵,熱處理方法,表面淬火、滲碳淬火、調(diào)質(zhì)、正火、滲氮,直齒圓柱齒輪傳動(dòng)主要校核的強(qiáng)度有哪些？,齒面接觸強(qiáng)度、輪齒彎曲強(qiáng)度,輪齒彎曲強(qiáng)度校核時(shí)如何判定危險(xiǎn)截面,齒根圓角30切線兩切點(diǎn)連線處。,課堂練習(xí),自用盤(pán)編號(hào)JJ321002,精選,31,K表示什么？為什么引入K?與什么相關(guān)？,輪齒接觸強(qiáng)度計(jì)算公式,輪齒彎曲強(qiáng)度計(jì)算公式,載荷系數(shù),用計(jì)算載荷KFn代替名義載荷Fn，以考慮載荷集中和附加動(dòng)載荷的影響,與原動(dòng)機(jī)類(lèi)型（電機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等）、工作機(jī)的沖擊大小相關(guān),自用盤(pán)編號(hào)JJ321002,精選,32,11-7設(shè)計(jì)圓柱齒輪時(shí)材料和參數(shù)的選取,一、材料,1、碳素結(jié)構(gòu)鋼，轉(zhuǎn)矩不大的齒輪2、合金結(jié)構(gòu)鋼，齒輪直徑可較大3、輪齒進(jìn)行表面熱處理，可提高接觸疲勞強(qiáng)度，但須進(jìn)行磨齒4、滲氮處理，齒形變化小，不用磨齒5、鑄鋼，尺寸較大，批量小時(shí)可鍛造6、鑄鐵，較小轉(zhuǎn)矩7、夾布塑料，可減小傳動(dòng)噪聲,自用盤(pán)編號(hào)JJ321002,精選,33,二、設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇,齒數(shù)選擇軟齒面閉式齒輪傳動(dòng)：z12040；硬齒面閉式齒輪傳動(dòng)：z11720。為使輪齒避免根切，對(duì)于=20的標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪，應(yīng)取z117。,3.齒數(shù)比一般直齒圓柱齒輪傳動(dòng)，取u7。齒數(shù)比超過(guò)8時(shí)，宜采用二級(jí)或多級(jí)傳動(dòng)。,2、齒寬系數(shù)選擇圓柱齒輪齒寬系數(shù)d的薦用值查表11-6齒寬由b=dd1求得并圓整；小齒輪的齒寬b1=b2+（510）mm，b2是大齒輪,自用盤(pán)編號(hào)JJ321002,精選,34,三、設(shè)計(jì)計(jì)算,軟齒面閉式齒輪傳動(dòng)：,按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)確定a,選擇Z1和m,校核輪齒彎曲疲勞強(qiáng)度,硬齒面閉式齒輪傳動(dòng)：,按輪齒彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì),校核齒面接觸疲勞強(qiáng)度,開(kāi)式齒輪傳動(dòng)：,按輪齒彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算?？紤]磨損對(duì)齒厚的影響，將F降低2550,精選,35,例111設(shè)計(jì)一螺旋輸送機(jī)傳動(dòng)裝置中單級(jí)齒輪減速器的直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。已知：小齒輪（電動(dòng)機(jī)）轉(zhuǎn)速為970r/min,大齒輪轉(zhuǎn)速為240r/min，工作時(shí)電動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出功率為9kW,工作壽命為5年（設(shè)每年工作300天），單班制工作（每班8h）。,解：（1）選取齒輪材料參考表111，一般用途減速器，無(wú)特殊要求，選取大、小齒輪均用45鋼。（2）選擇熱處理及齒面硬度考慮生產(chǎn)批量小，為便于加工，采用軟齒面。熱處理及硬度選取參閱表111有：小齒輪調(diào)質(zhì)，229286HBS,大齒輪正火，169217HBS。（3）小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩齒數(shù)比。,（4）初取載荷系數(shù)K因齒輪參數(shù)尚未確定，載荷系數(shù)K無(wú)法準(zhǔn)確確定，需預(yù)選。一般可在K1.71.9范圍內(nèi)選取。在確定齒輪參數(shù)后，再進(jìn)行校核。初取K1.8。,精選,36,（5）選取齒寬系數(shù)a參考表11-6，齒輪相對(duì)于軸承對(duì)稱布置，取按式（6-36），得a=0.4。,（6）初取重合度系數(shù)一般直齒輪傳動(dòng)a在1.11.9之間。這里初取a=1.8。,（7）確定許用接觸疲勞應(yīng)力H接觸應(yīng)力變化總次數(shù)（按每年300個(gè)工作日計(jì)）：,壽命系數(shù)（設(shè)計(jì)手冊(cè)），彈性系數(shù)（表114），接觸疲勞極限應(yīng)力（設(shè)計(jì)手冊(cè)），（設(shè)計(jì)手冊(cè)），最小安全系數(shù)，表115，失效概率低于1/100，許用接觸疲勞應(yīng)力按式（11-3）有：,精選,37,精選,38,第七節(jié)設(shè)計(jì)圓柱齒輪時(shí)材料和參數(shù)的選取,精選,39,第七節(jié)設(shè)計(jì)圓柱齒輪時(shí)材料和參數(shù)的選取,精選,40,第七節(jié)設(shè)計(jì)圓柱齒輪時(shí)材料和參數(shù)的選取,精選,41,（16）設(shè)計(jì)結(jié)果中心距a162mm；模數(shù)m2；齒數(shù)；分度圓直徑；齒寬；齒輪精度8級(jí)；齒輪材料：小齒輪45鋼，調(diào)質(zhì)，229286HBS，大齒輪45鋼，正火，169217HBS。,第七節(jié)設(shè)計(jì)圓柱齒輪時(shí)材料和參數(shù)的選取,精選,42,11-8斜齒圓柱齒輪傳動(dòng),一、輪齒上的作用力,圓周力：,徑向力：,軸向力：,輪齒所受總法向力Fn可分解為三個(gè)分力:,圓周力Ft的方向在主動(dòng)輪上與運(yùn)動(dòng)方向相反，在從動(dòng)論上與運(yùn)動(dòng)方向相同；徑向力指向各自的軸心；軸向力的方向由螺旋方向和輪齒工作面而定。,長(zhǎng)方體底面,長(zhǎng)方體對(duì)角面即輪齒法面,F=Ft/cos,Fr=Ftgn,通常螺旋角:=820,精選,43,二、強(qiáng)度計(jì)算,一對(duì)鋼制標(biāo)準(zhǔn)斜齒輪傳動(dòng)的接觸應(yīng)力及強(qiáng)度條件為,式中：ZE為材料彈性系數(shù)（表11-4）,齒根彎曲疲勞強(qiáng)度條件為,螺旋角系數(shù),校核式,設(shè)計(jì)式,校核式,精選,44,模數(shù)mn為法面模數(shù)YSa為應(yīng)力修正系數(shù)（圖11-8），按當(dāng)量齒數(shù)ZV,式中：YFa為齒形系數(shù)（圖11-8），按當(dāng)量齒數(shù)ZV,設(shè)計(jì)式,精選,45,11-9直齒圓錐齒輪傳動(dòng)（自學(xué)）,一、輪齒上的作用力,小齒輪齒寬中點(diǎn)分度圓直徑：,假設(shè)力集中作用在輪齒中點(diǎn)分度圓處。,AB=(b/2)sin1,dm1=d1-2AB,=d1-bsin1,精選,46,Ft的方向在主動(dòng)輪上與運(yùn)動(dòng)方向相反，在從動(dòng)論上與運(yùn)動(dòng)方向相同；,圓周力：,徑向力：,軸向力：,軸向力Fa的方向?qū)蓚€(gè)齒輪都是背著錐頂。,輪齒所受總法向力Fn可分解為三個(gè)分力:,sin1=cos2,cos1=sin2,徑向力指向各自的軸心；,當(dāng)1+2=90時(shí)，有：,Fr1=Fa2,Fa1=Fr2,于是有：,c,精選,47,可以近似認(rèn)為，一對(duì)直齒圓錐齒輪傳動(dòng)和位于齒寬中點(diǎn)的一對(duì)當(dāng)量圓柱齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度相等。強(qiáng)調(diào)當(dāng)量齒輪的求法,二、強(qiáng)度計(jì)算,當(dāng)量圓柱齒輪傳動(dòng)的中心距：,精選,48,一對(duì)90的鋼制直齒圓錐齒輪傳動(dòng)的齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算公式為：,得設(shè)計(jì)公式：,引入齒寬系數(shù):R=b/Re,一般?。簎=15,R=0.250.3,精選,49,計(jì)算所得模數(shù)me,應(yīng)圓整為標(biāo)準(zhǔn)值。,確定齒數(shù):z112,z2=uz1,確定模數(shù)me:,求得：,精選,50,得設(shè)計(jì)公式：,齒根彎曲應(yīng)力及強(qiáng)度條件：,mm為平均模數(shù)，YF按當(dāng)量齒數(shù)選取：zv=z1/cos1。,平均模數(shù)mm與大端模數(shù)me有下列關(guān)系：,引入齒寬系數(shù):R=b/Re,精選,51,11-10齒輪的構(gòu)造,直徑較小的鋼質(zhì)齒輪，當(dāng)齒根圓直徑與軸徑接近時(shí)，可以將齒輪與軸做成一體，稱為齒輪軸。如果齒輪的直徑比軸徑大得多，則應(yīng)把齒輪和軸分開(kāi)制造。,1.齒輪軸,2.實(shí)心齒輪,精選,52,dh=1.6ds;lh=(1.2.1.5)ds,并使lhbc=0.3b;=(2.5.4)mn,但不小于8mmd0和d按結(jié)構(gòu)取定，當(dāng)d較小時(shí)可不開(kāi)孔,3.腹板式齒輪,精選,53,3.腹板式齒輪,dh=1.6ds;lh=(1.2.1.5)ds,并使lhbc=0.3b;=(2.5.4)mn,但不小于8mmd0和d按結(jié)構(gòu)取定。,精選,54,dh=1.6ds(鑄鋼);dh=1.6ds(鑄鐵)lh=(1.2.1.5)ds,并使lhbc=0.2b;但不小于10mm=(2.5.4)mn,但不小于8mmh1=0.8ds;h2=0.8h1;s=1.5h1;但不小于10mme=0.8ds;h2=0.8h1,4.輪輻式齒輪,精選,55,dh=1.6ds;lh=(1.2.1.5)dsc=(0.20.3)b;=(2.54)me;但不小于10mmd0和d按結(jié)構(gòu)取定,精選,56,dh=(1.61.8)ds;lh=(1.