齒輪傳動與蝸桿傳動輔導

1、齒輪傳動與蝸桿傳動輔導一、失效分析和設計準則1輪齒的失效分析齒輪傳動的失效發(fā)生在輪齒表面或齒體，主要失效形式有輪齒折斷、齒面點蝕、齒面磨損、齒面膠合和齒面塑性變形。討論這些失效的目的是為了研究對策，建立相應的設計準則。在學習中應注意掌握這五種失效形式的概念，弄清發(fā)生失效的條件、原因和失效發(fā)生的部位，了解為避免發(fā)生失效而采取的相應措施。2設計準則一般閉式齒輪的主要失效形式是齒面點蝕和齒根彎曲疲勞折斷，設計時應以齒面接觸疲勞強度和齒根彎曲疲勞強度作為其承載能力的計算依據(jù)。開式齒輪的主要失效形式是齒面磨損和輪齒折斷，不會發(fā)生點蝕。由于當前尚無較成熟的磨損計算方法，因此只進行齒根彎曲疲勞強度計算，把求

2、得的模數(shù)增大1020，以考慮輪齒磨薄的影響。二、齒輪材料及熱處理1齒輪材料的選用原理對齒輪材料的基本要求是：材料具有足夠的強度，齒面要硬、齒芯要韌，以抵抗各種齒面失效和齒根的折斷。選擇材料及熱處理方法應根據(jù)齒輪的載荷、精度、傳動方式以及其他工作條件的要求。為使兩輪壽命接近，還應合理選擇材料配對，通常令小齒輪硬度略高于大齒輪。2常用材料及熱處理齒輪的常用材料是鍛鋼，其次為鑄鋼、鑄鐵及非金屬材料。（1）鍛鋼和鑄鋼對于一般工作要求和加工條件，可采用軟齒面（硬度350HBS）齒輪，通常由中碳鋼或中碳合金鋼正火或調(diào)質(zhì)處理后切齒。在工作要求較高、加工條件較好時，應采用硬齒面齒輪，常用方法是低碳鋼滲碳淬火或

3、中碳鋼表面淬火，但熱處理后需要磨齒。鑄鋼常用于制造高強度的大型齒輪，齒坯一般都應經(jīng)正火處理，其機械性能低于鍛鋼。（2）鑄鐵用于制造齒輪的鑄鐵有灰鑄鐵和球墨鑄鐵，灰鑄鐵機械性能較差，多用于開式齒輪傳動；球墨鑄鐵的機械性能接近于鑄鋼，有時可作為代用材料使用。（3）非金屬材料用于制造齒輪的非金屬材料主要有尼龍、夾布膠木等工程塑料。這些材料制成的齒輪噪聲小、重量輕、耐腐蝕。但由于強度低，多用于高速輕載的場合。三、圓柱齒輪的受力分析齒輪傳動的受力分析為進行齒輪強度計算提供計算載荷，同時也為軸和軸承的設計提供原始數(shù)據(jù)。圓柱齒輪傳動的受力分析是要求熟練掌握的重點內(nèi)容，應結(jié)合圖8-27、8-29熟記各力的計算

4、公式。各分力方向的判斷是有規(guī)律的。圓周力：作用于主動輪上的圓周力與齒輪轉(zhuǎn)向相反，而從動輪上的圓周力與齒輪轉(zhuǎn)向相同。徑向力：不論主、從動輪，其徑向力均由作用點指向各自輪心。斜齒輪軸向力的方向為沿軸向指向受力齒面，受力齒面是兩輪傳力時的接觸齒面，由齒輪轉(zhuǎn)向和主從動輪確定。具體判斷方法見教材144頁所述“左、右手法則”。四、圓柱齒輪的強度計算本節(jié)學習重點是直齒圓柱齒輪接觸強度和彎曲強度的計算。計算公式不要求記憶，但應做到：（1）了解建立公式的力學模型、計算依據(jù)；（2）掌握公式中各參數(shù)的意義、單位；（3）能正確運用公式進行強度計算和齒輪強度分析。1計算載荷齒輪工作時，原動機和工作機的載荷波動將引起動載

5、荷，齒輪本身的嚙合誤差也會引起附加動載荷。同時，若齒輪所在軸系剛度不足，齒輪制造和安裝誤差較大，還可能引起偏載和局部載荷集中。在設計齒輪傳動時，應按實際工作條件對名義載荷Fn進行修正，采用計算載荷Fnc。通常，用載荷系數(shù)K綜合考慮動載和偏載的影響，齒輪的計算載荷為Fnc=KFn。2齒面接觸疲勞強度計算齒輪嚙合傳動時，齒面接觸處相當于一對平行圓柱體接觸傳力。當輪齒在節(jié)點接觸時，多為一對齒傳力，接觸應力大而易發(fā)生點蝕。所以設計時以節(jié)點處的接觸應力為計算依據(jù)，限制其接觸應力HH。一對齒輪嚙合，接觸應力由兩個齒輪的參數(shù)共同決定，H1=H2。但由于材料及熱處理條件不同，兩個齒輪的許用接觸應力也不相同，H

6、值小則接觸強度弱，是危險齒輪。因此計算中應取較小的H值。由齒面接觸強度的校核公式可知，一定載荷條件下提高齒輪接觸強度的措施是加大中心距、增大齒寬或選強度較高的材料。3齒根彎曲疲勞強度計算輪齒彎曲強度計算的力學模型有如懸臂梁，受載后齒根部產(chǎn)生最大彎曲應力，是彎曲疲勞的危險點。當力作用在齒頂時，齒根危險截面上有最大彎距。因此，彎曲強度的計算依據(jù)是按力作用于齒頂?shù)臈l件，限制齒根危險截面上的彎曲應力FF。一對齒輪嚙合，其大小齒輪的齒數(shù)不同，齒形系數(shù)YFS也不相同。小輪齒數(shù)少而YFS1值較大，YFS1YFS2。因而小齒輪的計算應力較大，F(xiàn)1F2。但考慮到大小齒輪在工作條件上的差別，小齒輪的材料強度和硬度

7、一般要高于大齒輪，F(xiàn)1 F2。因此，應綜合比較兩個齒輪的YFS/F的值，此值大者則彎曲強度弱，在設計公式中應代入大值進行計算。由校核公式可知，加大模數(shù)、齒寬和齒數(shù)都能夠降低應力而提高彎曲疲勞強度。其中，加大模數(shù)的效果最明顯。在閉式齒輪傳動中，軟齒面齒輪最易發(fā)生疲勞點蝕，在設計時先按接觸疲勞強度求出中心距，再進行彎曲疲勞強度校核；而硬齒面齒輪則易發(fā)生輪齒折斷，一般可先按彎曲疲勞強度求出模數(shù)m，然后再校核齒面接觸強度。開式齒輪主要失效形式是磨損，但目前尚無成熟的計算方法，一般按齒根彎曲疲勞強度計算，把求得的模數(shù)增大1020，以考慮輪齒磨薄的影響。 五、直齒圓柱齒輪傳動的設計1設計內(nèi)容（1）選擇齒輪

8、材料及熱處理；（2）選定齒輪的傳動精度；（3）選定齒輪的傳動參數(shù)。主要參數(shù)有：模數(shù)m，齒數(shù)Z1、Z2，中心距a，齒寬b。（4）確定齒輪的結(jié)構(gòu)型式和尺寸；（5）選擇齒輪的潤滑方式和潤滑劑。2設計思路由于齒輪傳動的工作各不相同，設計齒輪首先應進行失效分析、確定設計準則，在此基礎上再選材和確定參數(shù)。齒輪的傳動參數(shù)可用經(jīng)驗法、類比法或計算法確定，設計結(jié)果應滿足運動關(guān)系、幾何關(guān)系和強度條件。3設計步驟（1）初定參數(shù)Z1、Z2，按齒面接觸疲勞強度設計a，b，再校核齒根彎曲疲勞強度，F(xiàn)F（2）初定參數(shù)Z1、Z2，按齒根接觸疲勞強度設計m，再校核齒面接觸疲勞強度，HH。在設計時，可根據(jù)原始條件、失效分析選定一

9、種設計方法，并擬定設計步驟。4參數(shù)選擇齒輪設計參數(shù)的選取與齒輪傳動的工作條件和設計要求有關(guān)，設計者應考慮上述條件并參照齒輪設計參數(shù)的一般選擇原則來確定它們。下面是齒輪主要設計參數(shù)的推薦使用范圍，供設計時參考：（1）齒數(shù)比u u5（2）齒數(shù)Z1 閉式齒輪 Z11825 開式齒輪 Z11720（3）模數(shù)m 動力傳動m1.5mm，常用m=28mm（4）齒寬系數(shù)a 減速器齒輪 a=0.30.4； 變速器齒輪 a=0.10.2 開式齒輪 a=0.10.3六、齒輪的結(jié)構(gòu)與潤滑1輪體的結(jié)構(gòu)齒輪輪體的結(jié)構(gòu)型式取決于齒輪的材料、尺寸、齒坯工藝及使用條件等因素，通常采用經(jīng)驗設計方法完成。常用的結(jié)構(gòu)型式有齒輪軸、盤

10、式齒輪、輻板式及輻條式齒輪、雙聯(lián)齒輪等。教材中給出了各種結(jié)構(gòu)型式齒輪的參考尺寸范圍、結(jié)構(gòu)圖及經(jīng)驗公式，對此內(nèi)容應有一大致了解，以便在結(jié)構(gòu)設計時查閱、選用。2齒輪的潤滑合理潤滑是保證齒輪正常運轉(zhuǎn)的必要條件，如果齒輪潤滑不良，將引起發(fā)熱、齒面磨損或膠合，使齒輪很快失效。潤滑設計的內(nèi)容是選定潤滑方式和潤滑劑。開式齒輪速度低，常用定期人工加油潤滑；潤滑劑常選用粘度高的瀝青質(zhì)開式齒輪油，也可使用潤滑脂。閉式齒輪的潤滑方式取決于齒輪的圓周速度，一般閉式齒輪常采用油浴潤滑。七、蝸桿傳動1蝸桿傳動的受力分析蝸桿傳動受力分析類似于斜齒輪，但由于齒面滑動摩擦大，不能忽略嚙合摩擦損失；又因蝸桿與蝸輪兩軸交錯，各分力

11、的對應關(guān)系與斜齒輪也不同，如圖9-5所示。受力關(guān)系式中，T1、T2分別為蝸桿和蝸輪的轉(zhuǎn)矩，由T2=T1·i·可知，計入嚙合效率即表示在受力分析中已經(jīng)計入了齒面摩擦力。判斷蝸桿蝸輪受力方向的方法類似斜齒輪傳動，蝸桿軸向力Fa1的指向可利用教材158頁所述“左、右手法則”。2失效分析和設計準則蝸桿傳動的失效形式與齒輪傳動相似，但傳動過程中齒面滑動摩擦大，其主要失效形勢是膠合和磨損。蝸桿傳動的強度取決于蝸輪輪齒，由于膠合與磨損尚無成熟計算方法，當前仍沿用齒輪輪齒的計算方法。（1）開式蝸桿傳動輪齒易磨損，按蝸輪齒根彎曲疲勞強度設計時，應適當考慮磨損對輪齒強度的影響。（2）閉式蝸桿傳

12、動則按齒面接觸強度計算，限制齒面接觸應力以避免膠合和點蝕。3蝸桿蝸輪常用材料蝸桿蝸輪材料的一般選用原則是：材料在滿足一定強度條件下，具備良好的減摩性、耐磨性和抗膠合性。蝸桿常用材料為優(yōu)質(zhì)碳素鋼或合金鋼，可用表面淬火或調(diào)質(zhì)等熱處理方法提高性能。蝸輪材料有鑄鐵、鋁青銅、錫青銅等，可根據(jù)滑動速度來選擇。4蝸桿傳動的效率和熱平衡計算（1）蝸桿傳動的效率在計算蝸桿傳動的效率時應考慮嚙合摩擦、軸承摩擦和攪油油阻三部分功率損耗。通常，軸承摩擦效率和攪油油阻效率取為0.950.97；嚙合效率可按螺旋傳動的效率公式計算。（2）熱平衡的計算連續(xù)工作的閉式蝸桿傳動，如果摩擦所產(chǎn)生的熱量不能及時散發(fā)，將引起油溫上升而導致膠合，因此要進行熱平衡計算以控制油的溫度。所謂熱平衡就是在蝸桿傳動工作一段時間后，傳動中單位時間的發(fā)熱量與傳動裝置通過介質(zhì)在單位時間內(nèi)散熱量逐漸接近而達到平衡，此時油溫不再繼續(xù)上升。由熱平衡條件，可得蝸桿