機(jī)械設(shè)計課件PPT第三章-齒輪傳動-(上)

第三章齒輪傳動齒輪傳動(按工作條件分)閉式傳動封閉在箱體內(nèi)，潤滑條件好開式傳動外露，潤滑較差，易磨損半開式傳動介于上兩者之間,有防護(hù)罩效率高、結(jié)構(gòu)緊湊工作壽命長傳動比穩(wěn)定、準(zhǔn)確制造精度要求高，費用高精度低時振動和噪聲大不宜用于軸間距離較大的傳動

特點出土：公元前二世紀(jì)西漢初年的金屬鑄造齒輪1.平行軸圓柱齒輪傳動內(nèi)嚙合直齒輪外嚙合直齒輪斜齒圓柱齒輪直齒輪與齒條人字齒圓柱齒輪齒輪傳動的類型2.相交軸圓錐齒輪傳動直齒圓錐齒輪傳動3.交錯軸的齒輪傳動交錯軸螺旋齒輪傳動蝸桿傳動(1)傳動比準(zhǔn)確、傳動平穩(wěn)一對齒嚙合：齒廓曲線的問題正確嚙合條件：連續(xù)傳動條件：瞬時傳動比i=常數(shù)且旋向相反保證傳動平穩(wěn)正確的幾何尺寸計算加工制造精度(2)強(qiáng)度要足夠傳遞一定的功率P或一、齒輪設(shè)計的根本問題(一)失效形式疲勞折斷現(xiàn)象：齒根處產(chǎn)生裂紋擴(kuò)展斷齒原因：根部應(yīng)力集中、材料較脆輪齒折斷

根部受交變彎曲應(yīng)力作用彎曲疲勞極限過載折斷(靜強(qiáng)度問題)原因：脆性材料、突然過載或沖擊二、齒輪傳動的失效形式及設(shè)計準(zhǔn)那么Fn措施：增大齒根圓角半徑、提高齒面精度、正變位、增大模數(shù)〔主要方法〕等全齒折斷—常發(fā)生于齒寬較小的齒輪局部折斷—常發(fā)生于斜齒輪或齒寬較大的直齒輪齒面點蝕現(xiàn)象：齒面產(chǎn)生裂紋油的擠壓金屬剝落靠近節(jié)線的齒根面上出現(xiàn)麻點原因：有潤滑油存在的閉式傳動齒面較軟、硬度≤350HBS齒面受交變接觸應(yīng)力作用接觸疲勞極限措施：提高齒面硬度和齒面質(zhì)量、增大直徑〔主要方法〕現(xiàn)象：齒面上沿相對滑動方向形成傷痕原因：(熱膠合)高速重載高溫失油(冷膠合)低速重載不易形成油膜兩齒面金屬直接接觸并粘接齒面間相對滑動較軟齒面沿滑動方向被撕下一條條傷痕齒面膠合

措施：采用異種金屬、降低齒高、提高齒面硬度等齒面磨料磨損

現(xiàn)象：齒面磨損、齒形變瘦原因：兩齒面間有相對滑動鐵屑、灰塵進(jìn)入常發(fā)生于潤滑不良的開式齒輪傳動齒面塑性變形

現(xiàn)象：齒面失去正常齒形原因：齒面較軟重載齒面形成凹溝、凸棱主動輪上摩擦力分別朝向齒頂和齒根——形成凹溝從動輪上摩擦力由齒頂和齒根朝向中間——形成凸棱措施：改善潤滑和密封條件措施：提高齒面硬度，采用油性好的潤滑油彎曲折斷點蝕膠合磨損塑性變形齒輪的失效形式現(xiàn)象與原因？改進(jìn)措施？。。。。。。。。。。(二)設(shè)計準(zhǔn)那么齒面間的接觸疲勞點蝕輪齒的彎曲疲勞折斷齒面接觸疲勞強(qiáng)度條件輪齒彎曲疲勞強(qiáng)度條件失效形式設(shè)計準(zhǔn)則膠合、磨損、塑性變形等失效運用上述準(zhǔn)則，并作相應(yīng)考慮具體工作條件下，如何運用上述準(zhǔn)則閉式傳動軟齒面(硬度≤350HBS)按齒面接觸疲勞強(qiáng)度條件設(shè)計按輪齒彎曲疲勞強(qiáng)度條件校核硬齒面(硬度>350HBS)按輪齒彎曲疲勞強(qiáng)度條件設(shè)計按齒面接觸疲勞強(qiáng)度條件校核開式傳動按輪齒彎曲疲勞強(qiáng)度條件設(shè)計工作條件設(shè)計準(zhǔn)則a)調(diào)質(zhì)鋼齒輪b)外表硬化鋼齒輪兩種齒輪失效區(qū)域圖三、齒輪材料及許用應(yīng)力根本要求：齒面要硬、齒芯要韌；具有良好的機(jī)加工性能和熱處理性能功能要求：功率、可靠度、質(zhì)量、環(huán)境工藝要求：毛坯選擇；熱處理方式硬度選擇：軟齒面硬度350HBS；軟齒面齒輪HBS1-HBS230～50防止膠合提高硬度金屬材料45鋼中碳合金鋼鑄鋼低碳合金鋼最常用，經(jīng)濟(jì)、貨源充足鑄鐵35SiMn、40MnB、40Cr等20Cr、20CrMnTi等ZG310-570、ZG340-640等HT350、QT600-3等非金屬材料塑料、夾布膠木等選材時考慮：工作條件、載荷性質(zhì)、經(jīng)濟(jì)性、制造方法等齒輪毛坯鍛造—選可鍛材料；鑄造—選可鑄材料1.齒輪材料2、熱處理方法調(diào)質(zhì)正火外表淬火滲碳淬火外表氮化軟齒面。改善機(jī)械性能，增大強(qiáng)度和韌性硬齒面。強(qiáng)度高、耐磨性好、可抗沖擊假設(shè)配對齒輪均采用軟齒面：小齒輪受載次數(shù)多，故材料應(yīng)選好些，熱處理硬度稍高于大齒輪〔約30~40HBS〕，以保證大、小齒輪的強(qiáng)度接近相等〔HBS≤350〕〔HBS>350〕切削性能好需磨齒，工藝較復(fù)雜〔HRC≥40〕齒輪技術(shù)和傳動裝置開展的總趨勢是高速化、小型化、高性能化。第Ⅰ公差組－反映運動精度，即運動的準(zhǔn)確性；第Ⅱ公差組－反映工作平穩(wěn)性精度；第Ⅲ公差組－反映接觸精度，影響載荷分布的均勻性。GB10095-1988將齒輪精度分為三個公差組：每個公差組有12個精度等級，1級最高，12級最低。精度標(biāo)注例如：常用6～9級。且三個公差組可取不同等級。8－8－7－FLⅠⅡⅢ齒厚上偏差代號齒厚下偏差代號假設(shè)三項精度相同，那么記為：8－FL按表選取精度等級3、齒輪傳動的精度等級(1)許用接觸疲勞應(yīng)力試驗齒輪的接觸疲勞極限接觸強(qiáng)度計算的壽命系數(shù)接觸強(qiáng)度計算的最小平安系數(shù)查表3-2接觸疲勞極限4.許用應(yīng)力ML：齒輪材料和熱處理質(zhì)量到達(dá)最低要求時的取值MQ：齒輪材料和熱處理質(zhì)量到達(dá)中等要求時的取值ME：齒輪材料和熱處理質(zhì)量

很高時的取值壽命系數(shù)是按無限壽命試驗所得，若為有限壽命則疲勞極限值應(yīng)提高有限壽命一轉(zhuǎn)中輪齒同側(cè)齒面嚙合的次數(shù)轉(zhuǎn)速r/min總工作時間h單側(cè)受載，σF為脈動循環(huán)雙側(cè)受載，σF為對稱循環(huán)主動a=2a=1問題：一個齒輪與多個齒輪嚙合時，a如何確定？a=1a=1主動1－碳鋼正火或調(diào)質(zhì)、球墨鑄鐵、外表硬化鋼，允許出現(xiàn)少量點蝕；2－碳鋼正火或調(diào)質(zhì)、球墨鑄鐵、外表硬化鋼，不允許出現(xiàn)點蝕；3－碳鋼調(diào)質(zhì)后氣體氮化，氮化鋼氣體氮化，灰鑄鐵；4－碳鋼調(diào)質(zhì)后液體氮化壽命系數(shù)(2)許用彎曲疲勞應(yīng)力試驗齒輪的彎曲疲勞極限彎曲強(qiáng)度計算的壽命系數(shù)彎曲強(qiáng)度計算的最小平安系數(shù)圖中數(shù)據(jù)是脈動循環(huán)變應(yīng)力下試驗所得，假設(shè)為對稱循環(huán)變應(yīng)力應(yīng)將σFlim減小30%那么圖示數(shù)乘0.7應(yīng)力修正系數(shù)，取彎曲疲勞極限開式齒輪傳動，考慮磨損，應(yīng)將σFlim減小20%，即圖示數(shù)乘0.8條件：標(biāo)準(zhǔn)齒輪并忽略齒面間的摩擦力法向力：圓周力—1、輪齒受力分析小齒輪基圓直徑〔mm〕小齒輪轉(zhuǎn)矩〔N.mm〕徑向力—法向力—小齒輪分度圓直徑分度圓壓力角注意：下標(biāo)“1〞表示主動輪下標(biāo)“2〞表示從動輪FtFrFnα四、直齒圓柱齒輪傳動的強(qiáng)度條件cbaFn

Fr

T1Pd1αFt

bacFt

Fr

Fn

T1Pd1α21各力關(guān)系：各力方向：Ft1與主動輪回轉(zhuǎn)方向相反〔阻力〕Ft2與從動輪回轉(zhuǎn)方向相同〔驅(qū)動力〕Fr1、Fr2分別指向各自齒輪的輪心例：n2n1Fr2Fr1Ft

1Ft

2n1n2cbaFn

Fr

T1Pd1αFt

n1n2Ft2

Ft1

Fr1

Fr2

注意：各力應(yīng)畫在嚙合點上！2.計算載荷名義載荷(理論載荷)計算載荷(考慮實際因素的載荷)載荷系數(shù)斜齒、速度低、精度高、齒寬小、對稱布置

取小值③制造與安裝誤差，對于同時參與嚙合的兩對輪齒①原動機(jī)與工作機(jī)的工作特性②齒輪制造誤差、兩基節(jié)不等④齒輪非對稱布置、軸的變形振動、沖擊附加動載荷載荷集中載荷分配不等原動機(jī)工作機(jī)械的載荷特性均勻中等沖擊較大沖擊電動機(jī)1.0～1.21.2～1.61.6～1.8多缸內(nèi)燃機(jī)1.2～1.61.6～1.81.9～2.1單缸內(nèi)燃機(jī)1.6～1.81.8～2.02.2～2.43、齒輪傳動疲勞強(qiáng)度計算標(biāo)準(zhǔn)、依據(jù)齒輪承載能力計算標(biāo)準(zhǔn)：英國國家標(biāo)準(zhǔn)BS436德國國家標(biāo)準(zhǔn)DIN3990美國齒輪制造者協(xié)會AGMA標(biāo)準(zhǔn)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO齒輪標(biāo)準(zhǔn)中國齒輪承載能力計算國家標(biāo)準(zhǔn)3480-1983根本理論：齒面接觸疲勞強(qiáng)度—以赫茲〔Hertz〕公式為依據(jù)齒根彎曲疲勞強(qiáng)度—以路易士〔Lewis〕公式為依據(jù)接觸應(yīng)力兩圓柱體接觸、施加壓力Fn產(chǎn)生接觸應(yīng)力接觸應(yīng)力的特點：外表的局部的兩接觸外表的接觸應(yīng)力相等赫茲公式4.齒面接觸疲勞強(qiáng)度條件σHσH接觸應(yīng)力FF平均應(yīng)力2a內(nèi)接觸μ1、μ2－兩圓柱體材料的泊松比E1、E2－兩圓柱體材料的彈性模量“－〞號用于內(nèi)接觸用ρ1、ρ2表示接觸處的曲率半徑。但漸開線齒廓各接觸點的曲率半徑不等，故輪齒嚙合時各點的σH是變化的。因節(jié)點處通常只有單對齒嚙合，節(jié)點處的曲率半徑：d1'、d2'－兩輪的節(jié)圓直徑，標(biāo)準(zhǔn)齒輪那么為分度圓直徑A1A2B1B2基圓●●●●可將Hertz公式推廣到其他曲面接觸公式中的參數(shù)在節(jié)點C處易于表示,故以節(jié)點C

處的接觸應(yīng)力為計算依據(jù)。所以點蝕常發(fā)生于節(jié)線附近，α'－嚙合角，標(biāo)準(zhǔn)齒輪那么為分度圓壓力角αρ2ρ1接觸線長度L：b－齒寬齒數(shù)比：節(jié)圓直徑：那么：計算載荷Fnc

：將上述參數(shù)代入赫茲公式，得節(jié)點處的接觸應(yīng)力：

材料彈性系數(shù)ZE

節(jié)點區(qū)域系數(shù)ZH“＋〞用于外嚙合齒輪傳動“－〞用于內(nèi)嚙合齒輪傳動〔校核式〕討論齒面接觸疲勞強(qiáng)度主要取決于分度圓直徑dd越大，接觸強(qiáng)度越高σH越小,齒寬b的大小應(yīng)適當(dāng)，b過大會引起偏載為限制齒寬，令：那么b=ψdd1(Fn

減小;齒廓平直)模數(shù)m的大小對接觸強(qiáng)度無直接影響d1＝mz1兩齒輪的接觸應(yīng)力相等，σH1＝σH2—齒寬系數(shù)齒面接觸疲勞強(qiáng)度條件根據(jù)具體情況選取因σH1=σH2，而σHP1≠σHP2〔設(shè)計式〕故，設(shè)計時應(yīng)取σHP=min{σHP1,σHP2}求出d1→選擇z1

→計算m=d1/z1→計算a=m(z1+z2)/2將b=ψd

d1代入校核式，整理后得設(shè)計式：模數(shù)m應(yīng)向大的方向靠標(biāo)準(zhǔn)值，且m≥1.5；按標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)反算d1、d2，至少精確到小數(shù)點后兩位；中心距a應(yīng)為整數(shù)，便于箱體座孔的加工測量，σHP越小，強(qiáng)度越低，應(yīng)按強(qiáng)度低的齒輪設(shè)計，假設(shè)a不是整數(shù)，那么將其圓整，并對齒輪進(jìn)行變位。為降低裝配精度要求，取b1=b2+(5~10)mmb1=b2b1>b2b2=b=ψd

d11212提高齒面接觸疲勞強(qiáng)度的主要措施●增大齒輪直徑d或中心距a；●適當(dāng)增大齒寬b；●提高齒輪精度等級、降低齒面粗糙度值

；●改用機(jī)械性能更好的齒輪材料；●改變熱處理方法，提高齒面硬度。減小接觸應(yīng)力增大許用應(yīng)力齒寬應(yīng)圓整不能全齒嚙合保證全齒嚙合——防止輪齒發(fā)生疲勞折斷5、直齒圓柱齒輪傳動的齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計算輪齒受載后，相當(dāng)于懸臂梁。故齒根局部彎曲應(yīng)力最大，是危險截面。Fn為防止輪齒疲勞折斷，必須保證：σF

≤σFP危險截面的具體位置在哪？σF＝？1、力學(xué)模型危險截面彎曲應(yīng)力許用彎曲應(yīng)力載荷Fn作用點在哪時σF最大？為簡化計算，假設(shè)：作用于齒頂時彎曲應(yīng)力最大用30°切線法確定危險截面位置σF

σF

Fn30°2、齒根彎曲應(yīng)力計算Fn作用于齒頂時的受力分析：切向分力—F1=FncosαF徑向分力—F2=FnsinαF齒頂載荷作用角F1引起彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力F2引起壓應(yīng)力只計算F1引起的彎曲應(yīng)力σF，將Fn在輪齒對稱中線上分解彎曲力臂為hF，齒根厚度為SF疲勞裂紋首先出現(xiàn)在受拉側(cè)，故按受拉側(cè)的彎曲應(yīng)力為計算依據(jù)。用修正系數(shù)考慮剪應(yīng)力和壓應(yīng)力的影響。σFσcτ齒根彎曲應(yīng)力：彎矩：M=

F1·hF=FncosαF·hFK抗彎剖面系數(shù)：W=b·SF2/6〔矩形截面〕齒寬Fn=Ft

/cosα

令其為齒形系數(shù)—YFa分子、分母同除以m2σF齒形系數(shù)：

λ、γ—與齒形有關(guān)的比例常數(shù)所以，YFa與模數(shù)m的大小無關(guān)，只取決于輪齒的形狀。當(dāng)齒廓的根本參數(shù)已定時，YFa取決于齒數(shù)z和變位系數(shù)χ。標(biāo)準(zhǔn)齒輪：z越多，那么YFa越小，σF越小。z↑、χ↑齒根越厚模數(shù)

m

不變與齒數(shù)z及變位系數(shù)x有關(guān)應(yīng)力修正系數(shù)齒形系數(shù)另外，考慮齒根應(yīng)力集中、剪應(yīng)力和壓應(yīng)力的影響，引入應(yīng)力修正系數(shù)

YSa；z越多，YSa越大(因齒根圓角越小)∵Ft＝2T1/d1校核式：

3、齒根彎曲疲勞強(qiáng)度條件引入齒寬系數(shù)并代入d1=mz1，那么：設(shè)計式：討論影響齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的主要參數(shù)是模數(shù)mm↑→彎曲強(qiáng)度↑→齒厚SF→截面積↑→σF↓↑配對大、小齒輪的