機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課件

第十二章齒輪傳動(dòng)§1、齒輪傳動(dòng)的應(yīng)用和種類§2、齒輪的材料§3、輪齒的失效形式及計(jì)算準(zhǔn)則§4、齒輪的構(gòu)造§5、齒輪的潤(rùn)滑§1齒輪傳動(dòng)的應(yīng)用和種類一、齒輪傳動(dòng)的應(yīng)用齒輪傳動(dòng)用于傳遞空間任意兩軸之間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，是機(jī)械中應(yīng)用最廣泛的傳動(dòng)形式之一。和其他傳動(dòng)形式相比，它具有下列優(yōu)點(diǎn)：1）能保證傳動(dòng)比恒定不變；2）適用的載荷與速度范圍廣，傳遞的功率范圍大，圓周速度可達(dá)150m/s；3）結(jié)構(gòu)緊湊；4）效率高；5）工作可靠且壽命長(zhǎng)。其主要缺點(diǎn)是：1）對(duì)制造及安裝精度要求較高；2）當(dāng)兩軸距離較大時(shí)，采用齒輪傳動(dòng)較笨重。二、齒輪的分類（一）按照兩齒輪軸線的相對(duì)位置可以分為：1、平行軸齒輪傳動(dòng)abc圖9-1外嚙合直齒輪傳動(dòng)（圖9-1a）外嚙合斜齒輪傳動(dòng)（圖9-1b）人字形齒輪傳動(dòng)（圖9-1c）de內(nèi)嚙合直齒輪傳動(dòng)（圖9-1e）直齒輪齒條傳動(dòng)（圖9-1d）2、相交軸齒輪傳動(dòng)圖9-2圖9-3直齒錐齒傳動(dòng)（圖9-2）曲齒錐齒傳動(dòng)（圖9-3）3、交錯(cuò)軸齒輪傳動(dòng)圖9-4圖9-5交錯(cuò)軸斜齒輪傳動(dòng)（圖9-4）交錯(cuò)軸蝸桿傳動(dòng)（圖9-5）齒輪傳動(dòng)的類型圖9-6（二）按照齒輪傳動(dòng)的工作情況可以分為：1、開式齒輪傳動(dòng)齒輪是外露的。多用于低速傳動(dòng)。2、閉式齒輪傳動(dòng)齒輪全裝在潤(rùn)滑良好的密封剛性箱體內(nèi)。多用于重要的傳動(dòng)。（三）按照齒輪的圓周速度可以分為：1、低速傳動(dòng)，圓周速度v〈3m/s；2、中速傳動(dòng)，v=3~15m/s；3、高速傳動(dòng)，v〉15m/s。（四）按齒面硬度可分為：1、軟齒面齒輪傳動(dòng)，≤350HBS2、硬齒面齒輪傳動(dòng)，＞350HBS（五）按齒廓曲線分漸開線齒輪(1765年)、擺線齒輪(1650年)、圓弧齒輪(1950年)、拋物線齒輪(近年)

§2齒輪材料及選用原則一、常用的齒輪材料及選擇原則對(duì)齒輪材料性能的基本要求：齒面要硬、齒芯要韌。1、常用材料（1）鋼：45、40Cr、40CrNi、ZG310─570、ZG340—640等。按照加工技術(shù)及承載能力，鋼齒輪可以分為兩類：1.輪齒工作表面硬度≤350HBS的齒輪。軟齒面2.輪齒工作表面硬度＞350HBS的齒輪。硬齒面（2）鑄鐵：HT250、HT300、HT350、QT500—5、QT600—2、ZG310-570（3）非金屬材料：例如夾布塑膠、尼龍等。2、齒輪材料的選擇原則①必須滿足工作要求；②應(yīng)考慮齒輪尺寸的大小、毛坯成型方法及熱處理和制造工藝；③經(jīng)濟(jì)性要求。二、齒輪熱處理

①一般齒輪傳動(dòng)：正火和調(diào)質(zhì)②重要齒輪傳動(dòng)（高速、重載、精密傳動(dòng)：表面淬火、滲碳淬火③為使一對(duì)齒輪的承載能力與壽命接近，應(yīng)保持一對(duì)齒面的硬度差。對(duì)軟齒面齒輪：HBS1-HBS2=30～50（小齒輪為HBS1）；對(duì)一硬一軟（HBS1>350，HBS2<350）：HBS1-HBS2>50；小齒輪齒根強(qiáng)度較弱;小齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)較多;當(dāng)大小齒輪有較大硬度差時(shí),較硬的小齒輪會(huì)對(duì)較軟的大齒輪齒面產(chǎn)生冷作硬化的作用,可提高大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度.

對(duì)均為硬齒面：兩齒面不必有硬度差?！?齒輪傳動(dòng)的失效形式及計(jì)算準(zhǔn)則一、齒輪傳動(dòng)的失效形式齒輪傳動(dòng)從工作條件來說，有開式、閉式之分；就使用情況來說，有低速、高速及輕載、重載之別，再加上齒輪材料的性能及熱處理工藝的不同，輪齒有較脆或較韌，齒面有較硬或較軟的差別等，因而齒輪傳動(dòng)有不同的失效形式。一般齒輪傳動(dòng)的失效主要是輪齒的失效。通常有輪齒折斷和工作齒面磨損、點(diǎn)蝕、膠合及塑性變形1、輪齒折斷一般發(fā)生在齒根處，疲勞折斷、嚴(yán)重過載突然斷裂、局部折斷。1）疲勞折斷產(chǎn)生原因：①齒根處彎曲應(yīng)力較大；②齒根處過渡圓弧處有應(yīng)力集中，當(dāng)輪齒重復(fù)受載后，齒根處產(chǎn)生疲勞裂紋，并逐步擴(kuò)展，致使輪齒疲勞折斷。防止措施：①增大齒根圓角半徑，x↑，齒面精度↑，以降低應(yīng)力集中②采用熱處理提高材料的沖擊韌性；③從設(shè)計(jì)上，σF≤[σF]。潘存云教授研制.輪齒折斷2）過載折斷（或剪斷）產(chǎn)生原因：①突然過載或者強(qiáng)烈沖擊；②模數(shù)太小，齒根厚度太小，材料太脆。防止措施：①仔細(xì)操作；②適當(dāng)增大模數(shù)；③采用熱處理提高材料的沖擊韌性。3）局部折斷在斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)中，輪齒工作面上的接觸線為一斜線，輪齒受載后，如有載荷集中時(shí)，就會(huì)發(fā)生局部折斷。若制造及安裝不良或軸的彎曲變形過大，輪齒局部受載過大時(shí)，即使是直齒圓柱齒輪，也會(huì)發(fā)生局部折斷。局部折斷2、齒面磨損磨料磨損和跑合磨損磨料磨損是開式齒輪傳動(dòng)的主要失效形式。產(chǎn)生原因：砂粒、金屬微粒進(jìn)入嚙合齒面，產(chǎn)生磨料磨損。防止或改善措施：①增大齒面硬度；②采用閉式傳動(dòng)或加防護(hù)罩；③改善潤(rùn)滑條件。潘存云教授研制齒面磨損3、齒面點(diǎn)蝕在閉式齒輪傳動(dòng)中，常發(fā)生點(diǎn)蝕。軟齒面閉式齒輪傳動(dòng)常因點(diǎn)蝕而失效。開式齒輪傳動(dòng)不易發(fā)生。點(diǎn)蝕：齒面材料在變化著的接觸應(yīng)力作用下，由于疲勞而產(chǎn)生的麻點(diǎn)狀損傷現(xiàn)象。齒產(chǎn)生原因：①齒面接觸應(yīng)力太大；②當(dāng)出現(xiàn)裂紋時(shí)，油滲入裂紋產(chǎn)生楔裂作用。防止措施：①提高齒面硬度；②增大齒廓曲率半徑ρ（減小接觸應(yīng)力）；③增大油的粘度（有利于油膜的形成，使兩齒面隔開，粘度高的油不易滲入裂紋）。潘存云教授研制潘存云教授研制齒面接觸疲勞齒面點(diǎn)蝕4、齒面膠合膠合：相嚙合齒面的金屬，在一定壓力下直接接觸而相互粘連。當(dāng)齒面相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，較軟的齒面沿滑動(dòng)方向被撕下而形成溝紋。產(chǎn)生原因：溫度過高，引起油膜破裂熱膠合：高速重載，齒面間摩擦力，發(fā)熱量大；冷膠合：低速重載，速度過低，不易產(chǎn)生油膜。防止或改善措施：①對(duì)于低速重載，可提高油的粘度②對(duì)高速重載，可采用抗膠合能力強(qiáng)的油；③采用抗膠合能力強(qiáng)的材料及合理配對(duì)齒輪；④提高齒面硬度。潘存云教授研制.齒面膠合5、塑性變形塑性變形：齒面材料因屈服產(chǎn)生塑性流動(dòng)而形成齒面塑性變形。產(chǎn)生原因：①齒面太軟；②載荷太大。防止措施：①提高齒面硬度；②提高油的粘度。潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制表面凸出表面凹陷塑性變形小結(jié)：一對(duì)實(shí)際嚙合齒輪不可能同時(shí)產(chǎn)生以上5種失效形式，在具體工作條件下，主要以以上5種失效形式的一種或兩種。主要失效形式：開式傳動(dòng)：齒面磨損、輪齒折斷；閉式傳動(dòng)：軟齒面（HBS≤350）鋼齒，點(diǎn)蝕；硬齒面鋼齒或鑄鐵，輪齒折斷。高速重載：膠合重載軟齒：塑性變形二、輪齒傳動(dòng)的計(jì)算準(zhǔn)則1、計(jì)算準(zhǔn)則防止點(diǎn)蝕：接觸疲勞強(qiáng)度準(zhǔn)則，σH≤[σH]；防止折斷：齒根彎曲疲勞強(qiáng)度準(zhǔn)則，σF≤[σF]。2、計(jì)算特點(diǎn)（1）閉式軟齒面鋼齒：以接觸疲勞強(qiáng)度準(zhǔn)則為主；（2）閉式硬齒面鋼齒或鑄鐵：以彎曲疲勞強(qiáng)度準(zhǔn)則為主；（3）開式傳動(dòng)：以彎曲疲勞強(qiáng)度準(zhǔn)則為主，考慮磨損的影響適當(dāng)增大模數(shù)。（10～15%）（4）特殊情況（高速重載等）3、計(jì)算理論彎曲疲勞強(qiáng)度：懸臂梁理論接觸疲勞強(qiáng)度：Hertz（赫芝）理論2）方向Ft1對(duì)主動(dòng)輪來說是阻力，與嚙合點(diǎn)圓周速度方向相反；Ft2對(duì)從動(dòng)輪來說是驅(qū)動(dòng)力。Fr的方向?yàn)檫^嚙合點(diǎn)的徑向線，指向輪心。三、直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的受力分析1）大小轉(zhuǎn)距T1由主動(dòng)齒輪1傳給從動(dòng)齒輪2.輪齒上的法向力Fn在節(jié)點(diǎn)C沿著嚙合線方向作用于齒面.在分度圓上,法向力Fn可分解為兩個(gè)互相垂直的分力:切于分度圓上的圓周力Ft和沿半徑方向上的徑向力Fr.Ft=2T1/d1,T1=955x106P1/n1N.mmFr=FttanαFn=Ft/cosα

式中T1小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩；d1小齒輪的分度圓直徑；α嚙合角，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)齒輪α=200。四、斜齒圓柱齒輪的受力分析1、力的大小式中β為節(jié)圓螺旋角，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)斜齒輪即為分度圓螺旋角；βb嚙合平面的螺旋角，即基圓螺旋角，αn法向壓力角，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)斜齒輪，αn=200，αt為端面壓力角。2、方向的確定圓周力徑向力軸向力：左右手法則Fa1Fa2Fr2Fr1Ft1Ft2三、圓錐齒輪的受力分析1、力的大小式中Fr1與Fa2及Fa1與Fr2大小相等、方向相反。

2、力的方向

Ft與直齒輪相同；Fr1、Fr2垂直指向齒輪軸線；Fa1、Fa2平行齒輪軸線，指向錐齒輪大端。例

Fa1Fa2Fr2Fr1Ft1Ft2n2n1設(shè)計(jì)：潘存云§4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)把齒輪和軸分開制造。1.齒輪軸2.實(shí)心齒輪設(shè)計(jì)：潘存云dh=1.6ds;lh=(1.2.~1.5)ds,并使lh

≥b

c=0.3b;δ=(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)可不開孔3.腹板式齒輪設(shè)計(jì)：潘存云dd0bdsdhda斜度1:10lhδc3.腹板式齒輪dh=1.6ds;lh=(1.2.~1.5)ds,并使lh

≥b

c=0.3b;δ=(2.5.~4)mn,但不小于8mmd0和d按結(jié)構(gòu)取定。設(shè)計(jì)：潘存云bdsdhda斜度1:10lhδc設(shè)計(jì)：潘存云錐齒輪的構(gòu)造如圖9-２９及圖9-３0所示，其輪輻橫截面常為T字型。圖９－２９圖９－３０§5齒輪的潤(rùn)滑一、齒輪傳動(dòng)的潤(rùn)滑方式開式及半開式