齿轮传动 课件.ppt
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1、第9章 齿轮传动,9-1 齿轮传动概述,9-2 齿轮传动的失效形式及常用材料,9-3 圆柱齿轮传动的计算载荷,9-4 直齿圆柱齿轮传动的受力分析和强度计算,9-5 圆柱齿轮传动设计参数和许用应力,9-6 斜齿圆柱齿轮传动的受力分析和强度计算,9-7 直齿锥齿轮传动的受力分析和强度计算,9-8 齿轮的结构设计,9-9 典型例题,齿轮传动概述1,一、齿轮传动的主要特点:,传动效率高可达99。在常用的机械传动中,齿轮传动的效率为最高;,结构紧凑与带传动、链传动相比,在同样的使用条件下,齿轮传动所需 的空间一般较小;,与各类传动相比,齿轮传动工作可靠,寿命长;,传动比稳定无论是平均值还是瞬时值。这也是
2、齿轮传动获得广泛应用的 原因之一;,与带传动、链传动相比,齿轮的制造及安装精度要求高,价格较贵。不适用于传动距离过大的场合。,齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一,型式多样,应用广泛,传递功率从很小到很大(可高达数万千瓦),圆周速度可达300m/s。,9-1 齿轮传动概述,齿轮传动概述2,二、齿轮传动的分类,按齿轮类型分:直齿圆柱齿轮传动斜齿圆柱齿轮传动锥齿轮传动人字齿轮传动,按装置形式分:开式传动、半开式传动、闭式传动。,按使用情况分:动力齿轮以动力传输为主,常为高速重载或低速重载传动。传动齿轮以运动准确为主,一般为轻载高精度传动。,9-1 齿轮传动概述,齿轮按齿面硬度可以分为软齿面齿轮和硬
3、齿面齿轮。齿轮工作齿面的硬度小于或等于350HBW或38HRC称为软齿面齿轮;齿轮工作齿面的硬度大于350HBW或38HRC称为硬齿面齿轮。,齿轮传动的失效形式及设计准则,9-2 齿轮传动的失效形式及常用材料,一、齿轮的主要失效形式,齿轮传动的失效主要是指轮齿的失效。常见的失效形式有:轮齿折断、齿面磨损、齿面点蚀、齿面胶合和塑性变形。,由于齿轮其它部分(齿圈、轮辐、轮毂等)通常是经验设计的,其尺寸对于强度和刚度而言均较富裕,实践中也极少失效。,1、轮齿折断,根据齿轮所受载荷性质的不同,轮齿折断可分为疲劳折断和过载折断。,在正常工况下出现的轮齿折断主要是齿根弯曲疲劳折断。,齿轮传动的失效形式及设
4、计准则,提高轮齿抗疲劳折断能力的措施主要有:,1)适当增大齿根过度圆角半径,消除齿轮切削刀痕 ;,2)适当加大齿轮的模数;,3)增大轴及轴支承的刚度;,4)小齿轮采用正变位,增大小齿轮齿根厚度,提高轮齿的抗弯能力;,5)采用适当的热处理方法,使轮齿芯部材料具有足够的韧性;,6)采用喷丸、滚压等工艺措施对齿根表层进行强化处理。,在轮齿受到短期过载或冲击过载时,也可能出现轮齿的突然折断,这种轮齿折断称为过载折断。,在开式齿轮传动中,轮齿由于磨损严重,齿厚过分减薄时,也会在正常载荷作用下发生轮齿折断。,9-2 齿轮传动的失效形式及常用材料,齿轮传动的失效形式及设计准则,齿轮在工作过程中,轮齿齿面受到
5、变化的接触应力的反复作用,导致齿面金属呈片状剥落,齿面出现众多麻点状凹坑,这种现象称为齿面点蚀。,2、齿面点蚀,齿面点蚀通常首先出现在靠近节点附近的齿根面上,然后逐渐向齿根和齿顶方向扩展。,点蚀是润滑良好的闭式齿轮传动常见的失效形式,齿面出现较严重的点蚀后,将影响齿轮传动的平稳性并产生振动和噪音。,9-2 齿轮传动的失效形式及常用材料,齿轮传动的失效形式及设计准则,提高齿面抗疲劳点蚀能力的主要措施有:,1)提高齿面材料的硬度,以便提高齿面材料的接触疲劳极限;,2)改善齿轮润滑条件可以减小摩擦,延缓点蚀的出现;,3)适当增大齿轮的分度圆直径,以减少齿面接触应力;,4)适当选用粘度较高的润滑油,以
6、避免润滑油挤入疲劳裂纹,加速裂纹扩展。,在开式齿轮传动中,由于齿面磨损较快,很少出现点蚀现象。,当啮合齿面间落入磨料性物质时,齿面即被逐渐磨损而致报废。,3、齿面磨损,齿面磨损是开式齿轮传动的主要失效形式之一。,提高齿面抗磨损能力的主要措施有:1)提高齿面材料的硬度;2)采用闭式齿轮传动,改善润滑条件;3)尽量为齿轮传动保持清洁的工作环境。,9-2 齿轮传动的失效形式及常用材料,由于相互啮合的轮齿齿面间未能形成润滑油膜,导致金属表面直接接触,而后又因相对滑动,粘连的金属被撕开,在金属表面沿相对滑动方向形成一条条沟痕,这种现象称为齿面胶合。,高速重载条件下工作的齿轮,由于其相对滑动速度大,因摩擦
7、导致局部温度上升,润滑油膜破裂而产生的胶合,称为热胶合。,提高齿面抗胶合能力的主要措施有:1)提高齿面材料的硬度;2)适当减小模数,降低齿高以减小滑动速度;3)降低齿面粗糙度值,采用抗胶合能力强的齿轮材料;4)在润滑油中加入极压添加剂。,4、齿面胶合,低速重载的齿轮传动,由于齿面间压力很高,导致油膜遭到破坏,也会使金属发生粘着产生胶合,称为冷胶合。,9-2 齿轮传动的失效形式及常用材料,由于接触应力过大,较软的齿面材料在摩擦力作用下,发生塑性变形,导致齿面形状破坏而失效,这种现象称为齿面塑性变形。,提高轮齿齿面硬度,采用高黏度的或加有极压添加剂的润滑油,均有助于减缓或防止轮齿产生塑性变形。,5
8、、齿面塑性变形,在主动齿轮齿面上,摩擦力的方向是背离节线,齿面金属的塑性流动导致节线处下凹而形成凹沟;在从动齿轮齿面上,摩擦力的方向是指向节线,齿面金属的塑性流动导致节线处凸起而形成凸脊。,9-2 齿轮传动的失效形式及常用材料,对一般工况下的齿轮传动,通常采用的设计准则是:1)保证足够的齿根弯曲疲劳强度,以免发生齿根折断;2)保证足够的齿面接触疲劳强度,以免发生齿面点蚀;3)对高速重载齿轮传动,除以上两设计准则外,还应按齿面抗胶合能力的准则进行设计。,闭式软齿面齿轮传动,以保证齿面接触疲劳强度为主;闭式硬齿面齿轮传动,以保证齿根弯曲疲劳强度为主;对开式齿轮传动,目前仅以保证齿根弯曲疲劳强度作为
9、设计准则,但为了延长开式齿轮传动的寿命,可将所得的模数适当增大。,二、设计准则,9-2 齿轮传动的失效形式及常用材料,齿轮的材料及其选择原则,1、对齿轮材料性能的要求,齿轮的齿体应有较高的抗折断能力,齿面应有较强的抗点蚀、抗磨损和较高的抗胶合能力,即要求:齿面硬、芯部韧。,2、常用的齿轮材料,钢:许多钢材经适当的热处理或表面处理,可以成为常用的齿轮材料;,铸铁:常作为低速、轻载、不太重要的场合的齿轮材料;,非金属材料:适用于高速、轻载、且要求降低噪声的场合。,3、齿轮材料选用的基本原则,齿轮材料必须满足工作条件的要求,如强度、寿命、可靠性、经济性等;,应考虑齿轮尺寸大小,毛坯成型方法及热处理和
10、制造工艺;,钢制软齿面齿轮,其配对两轮齿面的硬度差应保持在3050HBW或更多。,常用材料,三、常用齿轮材料,9-2 齿轮传动的失效形式及常用材料,齿轮传动的计算载荷,9-3 圆柱齿轮传动的计算载荷,根据齿轮所传递的功率和扭矩确定的作用在轮齿上的法向载荷Fn称为名义载荷。在进行齿轮强度计算时,应将名义载荷适当加大,并称之为计算载荷Fca,K为载荷系数,其值为:KKA Kv K K,式中:KA 使用系数,Kv 动载系数,K齿间载荷分配系数,K齿向载荷分布系数,Fca=KFn,直齿圆柱齿轮强度计算1,9-4 直齿圆柱齿轮传动受力分析和强度计算,一、轮齿的受力分析,以节点 P 处的啮合力为分析对象,
11、并不计啮合轮齿间的摩擦力,可得:,主动轮圆周力Ft1的方向与节点圆周速度方向相反,从动轮圆周力Ft2的方向与节点圆周速度方向相同;外齿轮的径向力方向由节点分别指向各自轮心。,直齿圆柱齿轮强度计算2,二、齿根弯曲疲劳强度计算,中等精度齿轮传动的弯曲疲劳强度计算的力学模型如下图所示。,根据该力学模型可得齿根理论弯曲应力,计入齿根应力校正系数Ysa后,强度条件式为:,引入齿宽系数后 ,可得设计公式:,YFa为齿形系数,是仅与齿形有关而与模数m无关的系数,其值可根据齿数查表获得。,YFa与Ysa表,其中,9-4 直齿圆柱齿轮传动受力分析和强度计算,直齿圆柱齿轮强度计算2,影响齿根弯曲疲劳强度的主要因素
12、有:,1)模数m。模数m越大,齿根危险截面的弯曲应力 越小,齿轮的弯曲疲劳强度越高。,3)齿数z。在其它参数不变的情况下,齿数z越多,YFa Ysa 越小,齿根危险截面的弯曲应力 越小,齿轮的弯曲疲劳强度越高。,2)齿宽b。齿宽b越大,齿宽系数d也越大,齿根危险截面的弯曲应力 越小,齿轮的弯曲疲劳强度越高,但应注意b增加时会使KF加大,因此,齿宽不宜过大。,4)齿轮材料、热处理方法及加工精度。改善齿轮材料、选择合适的热处理方法、提高加工精度均有利于提高齿轮的许用应力 ,从而提高齿轮的弯 曲疲劳强度。,9-4 直齿圆柱齿轮传动受力分析和强度计算,直齿圆柱齿轮强度计算3,三、齿面接触疲劳强度计算,
13、基本公式赫兹应力计算公式,即:,在节点啮合时,接触应力较大,故以节点为接触应力计算点。,齿面接触疲劳强度的校核式:,齿面接触疲劳强度的设计式:,节点处的综合曲率半径为:,上述式中:u齿数比,u=z2/z1;ZE 弹性影响系数;ZH 区域系数;Z 接触疲劳强度计算的重合度系数;KH载荷系数,KHKA Kv KH KH,9-4 直齿圆柱齿轮传动受力分析和强度计算,直齿圆柱齿轮强度计算2,影响齿面接触强度的主要因素有:,1)小齿轮分度圆直径d1。 d1越大,齿面节点处接触应力越小,齿轮的接触强度越高。,2)齿宽b。齿宽b越大,齿宽系数d也越大,齿面节点处接触应力越小,齿轮的齿面接触强度越高,但应注意
14、b增加时会使KH加大,因此,齿宽不宜过大。,3)齿轮材料、热处理方法及加工精度。改善齿轮材料、选择合适的热处理方法、提高加工精度均有利于提高齿轮的许用应力 ,从而提高齿轮的齿面接触强度。,9-4 直齿圆柱齿轮传动受力分析和强度计算,齿轮传动的设计参数1,一、齿轮传动设计参数的选择,9-5 圆柱齿轮传动的设计参数和许用应力,1压力角a的选择,2齿数的选择,一般情况下,闭式齿轮传动: z1=2040 (对软齿面齿轮,z1取多些较好;对硬齿面齿轮,z1取少些较好)。 开式齿轮传动: z1=1720 z2=uz1,3齿宽系数fd的选择,当d1已按接触疲劳强度确定时,,z1,m,重合度e,传动平稳,抗弯
15、曲疲劳强度降低,齿高h ,减小切削量、减小滑动率,因此,在保证弯曲疲劳强度的前提下,齿数选得多一些好!,fd 齿宽b 有利于提高强度,但fd过大将导致K,一般情况下取a =20,fd的选取可参考齿宽系数表,齿轮传动的设计参数2,二、齿轮传动的许用应力,式中:KN为寿命系数,是应力循环次数N对疲劳极限的影响系数;,弯曲强度计算时: S= S F=1.251.50; limFlim接触强度计算时: S= S H=1.0; limHlim,三、齿轮精度的选择,lim为齿轮的疲劳极限, S为安全系数。,齿轮精度共分13级,0级精度最高,第12级精度最低。精度选择是以传动的用途,使用条件,传递功率,圆周
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