精密機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 第8講 齒輪機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì)

1、精精 密密 機(jī)機(jī) 械械 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì)南京信息工程大學(xué)南京信息工程大學(xué)齒輪機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì)內(nèi) 容 提 示p齒輪傳動(dòng)的失效形式及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則齒輪傳動(dòng)的失效形式及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則p齒輪材料及其熱處理工藝齒輪材料及其熱處理工藝p直齒圓柱齒輪傳動(dòng)計(jì)算載荷與受力分析直齒圓柱齒輪傳動(dòng)計(jì)算載荷與受力分析p齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算p齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算8-1 8-1 齒輪傳動(dòng)的失效形式及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則齒輪傳動(dòng)的失效形式及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則齒輪傳動(dòng)的失效形式1 1、輪齒折斷、輪齒折斷 齒輪傳動(dòng)的失效主要發(fā)生在輪齒部分，其常見失效形式有：齒輪傳動(dòng)的失效主要發(fā)生在輪齒部分，其常見失效形式有：輪齒折斷、齒面點(diǎn)蝕、齒面

2、磨損、齒面膠合和塑性變形等輪齒折斷、齒面點(diǎn)蝕、齒面磨損、齒面膠合和塑性變形等五種五種 輪齒在工作過程中，齒根部受較大的交變彎曲應(yīng)力，并且輪齒在工作過程中，齒根部受較大的交變彎曲應(yīng)力，并且齒根圓角及切削刀痕產(chǎn)生應(yīng)力集中。當(dāng)齒根彎曲應(yīng)力超過材齒根圓角及切削刀痕產(chǎn)生應(yīng)力集中。當(dāng)齒根彎曲應(yīng)力超過材料的彎曲疲勞極限時(shí)，輪齒在受拉一側(cè)將產(chǎn)生疲勞裂紋，隨料的彎曲疲勞極限時(shí)，輪齒在受拉一側(cè)將產(chǎn)生疲勞裂紋，隨著裂紋的逐漸擴(kuò)展，導(dǎo)致輪齒疲勞折斷。著裂紋的逐漸擴(kuò)展，導(dǎo)致輪齒疲勞折斷。局部折斷和整體折斷8-1 8-1 齒輪傳動(dòng)的失效形式及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則齒輪傳動(dòng)的失效形式及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則d d一定時(shí)，一定時(shí)，zz，mm，增加齒厚，

3、提高抗彎強(qiáng)，增加齒厚，提高抗彎強(qiáng)度；增大齒根過渡圓角半徑；提高齒輪制造精度；增大齒根過渡圓角半徑；提高齒輪制造精度和安裝精度；采用表面強(qiáng)化處理（如噴丸、度和安裝精度；采用表面強(qiáng)化處理（如噴丸、碾壓）等；都可以提高輪齒的抗折斷能力。碾壓）等；都可以提高輪齒的抗折斷能力。 措施:8-1 8-1 齒輪傳動(dòng)的失效形式及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則齒輪傳動(dòng)的失效形式及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則2 2、齒面點(diǎn)蝕、齒面點(diǎn)蝕 齒面接觸疲勞磨損齒面接觸疲勞磨損 齒輪工作時(shí)，在循環(huán)變化的接齒輪工作時(shí)，在循環(huán)變化的接觸應(yīng)力、齒面摩擦力及潤滑劑的反觸應(yīng)力、齒面摩擦力及潤滑劑的反復(fù)作用下，輪齒表面或次表層出現(xiàn)復(fù)作用下，輪齒表面或次表層出現(xiàn)疲勞裂紋，裂紋逐漸

4、擴(kuò)展，導(dǎo)致齒疲勞裂紋，裂紋逐漸擴(kuò)展，導(dǎo)致齒面金屬剝落形成麻點(diǎn)狀凹坑。面金屬剝落形成麻點(diǎn)狀凹坑。 齒面疲勞點(diǎn)蝕首先出現(xiàn)在齒面節(jié)齒面疲勞點(diǎn)蝕首先出現(xiàn)在齒面節(jié)線偏齒根側(cè)。這是因?yàn)楣?jié)線附近齒面線偏齒根側(cè)。這是因?yàn)楣?jié)線附近齒面相對(duì)滑動(dòng)速度小，油膜不宜形成，摩相對(duì)滑動(dòng)速度小，油膜不宜形成，摩擦力較大；且節(jié)線處同時(shí)參與嚙合的擦力較大；且節(jié)線處同時(shí)參與嚙合的輪齒對(duì)數(shù)少，接觸應(yīng)力大。點(diǎn)蝕的發(fā)輪齒對(duì)數(shù)少，接觸應(yīng)力大。點(diǎn)蝕的發(fā)展，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，以至不能正展，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，以至不能正常工作而失效。常工作而失效。 8-1 8-1 齒輪傳動(dòng)的失效形式及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則齒輪傳動(dòng)的失效形式及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則提高齒面硬度，降低齒面粗糙

5、度值，合理選擇提高齒面硬度，降低齒面粗糙度值，合理選擇潤滑油的粘度及采用正變位齒輪傳動(dòng)等潤滑油的粘度及采用正變位齒輪傳動(dòng)等 點(diǎn)蝕實(shí)例措施:8-1 8-1 齒輪傳動(dòng)的失效形式及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則齒輪傳動(dòng)的失效形式及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則3 3、齒面磨損、齒面磨損 由于粗糙齒面的摩擦或有由于粗糙齒面的摩擦或有砂粒、金屬屑等磨料落入齒面砂粒、金屬屑等磨料落入齒面之間，都會(huì)引起齒面磨損。磨之間，都會(huì)引起齒面磨損。磨損引起齒廓變形和齒厚減薄，損引起齒廓變形和齒厚減薄，產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，甚至因輪齒產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，甚至因輪齒過薄而斷裂失效。過薄而斷裂失效。 磨損是開式齒輪傳動(dòng)的主要失效形式。采用閉式齒磨損是開式齒輪傳動(dòng)的主要失效形式

6、。采用閉式齒輪傳動(dòng)，提高齒面硬度，降低齒面粗糙度值，注意輪傳動(dòng)，提高齒面硬度，降低齒面粗糙度值，注意保持潤滑油清潔等，都有利于減輕齒面磨損保持潤滑油清潔等，都有利于減輕齒面磨損 措施:8-1 8-1 齒輪傳動(dòng)的失效形式及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則齒輪傳動(dòng)的失效形式及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則4 4、齒面膠合、齒面膠合 高速重載齒輪傳動(dòng)，因齒面間壓力大、相對(duì)滑動(dòng)速度高速重載齒輪傳動(dòng)，因齒面間壓力大、相對(duì)滑動(dòng)速度大，在嚙合處摩擦發(fā)熱多，產(chǎn)生瞬間高溫，使油膜破裂，大，在嚙合處摩擦發(fā)熱多，產(chǎn)生瞬間高溫，使油膜破裂，造成齒面金屬直接接觸并相互粘著，而后隨齒面相對(duì)運(yùn)動(dòng)，造成齒面金屬直接接觸并相互粘著，而后隨齒面相對(duì)運(yùn)動(dòng)，又將粘接金屬撕落，使

7、齒面形成條狀溝痕，產(chǎn)生又將粘接金屬撕落，使齒面形成條狀溝痕，產(chǎn)生齒面熱膠齒面熱膠合合。低速重載齒輪傳動(dòng)（。低速重載齒輪傳動(dòng)（v4m/s v4m/s ），由于嚙合處局部壓），由于嚙合處局部壓力很高齒，使油膜破裂而粘著，產(chǎn)生力很高齒，使油膜破裂而粘著，產(chǎn)生齒面冷膠合齒面冷膠合。齒面膠。齒面膠合會(huì)引起振動(dòng)和噪聲，導(dǎo)致失效。合會(huì)引起振動(dòng)和噪聲，導(dǎo)致失效。采用正變位齒輪、減小模數(shù)及降低齒高采用正變位齒輪、減小模數(shù)及降低齒高以減小滑動(dòng)速度，提高齒面硬度，降低以減小滑動(dòng)速度，提高齒面硬度，降低齒面粗糙度值，采用抗膠合能力強(qiáng)的齒齒面粗糙度值，采用抗膠合能力強(qiáng)的齒輪材料，在潤滑油中加入極壓添加劑輪材料，在潤滑油

8、中加入極壓添加劑措施:8-1 8-1 齒輪傳動(dòng)的失效形式及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則齒輪傳動(dòng)的失效形式及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則5 5、齒面塑性變形、齒面塑性變形 用較軟齒面材料制造的齒輪，在承受重載的傳動(dòng)中，由用較軟齒面材料制造的齒輪，在承受重載的傳動(dòng)中，由于摩擦力的作用，齒面表層材料沿摩擦力的方向發(fā)生塑于摩擦力的作用，齒面表層材料沿摩擦力的方向發(fā)生塑性變形。主動(dòng)輪齒面節(jié)線處產(chǎn)生凹坑，從動(dòng)輪齒面節(jié)線性變形。主動(dòng)輪齒面節(jié)線處產(chǎn)生凹坑，從動(dòng)輪齒面節(jié)線處產(chǎn)生凸起。提高齒面硬度和潤滑油粘度，可以減輕或處產(chǎn)生凸起。提高齒面硬度和潤滑油粘度，可以減輕或防止齒面塑性變形的產(chǎn)生。防止齒面塑性變形的產(chǎn)生。 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 8-1 8-1 齒

9、輪傳動(dòng)的失效形式及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則齒輪傳動(dòng)的失效形式及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 設(shè)計(jì)齒輪傳動(dòng)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況條件，分析主要失效形設(shè)計(jì)齒輪傳動(dòng)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況條件，分析主要失效形式，確定相應(yīng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。式，確定相應(yīng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。 對(duì)于閉式齒輪傳動(dòng)，主要失效形式是齒面疲勞點(diǎn)蝕、彎對(duì)于閉式齒輪傳動(dòng)，主要失效形式是齒面疲勞點(diǎn)蝕、彎曲疲勞折斷及膠合。目前一般齒輪傳動(dòng)，只按曲疲勞折斷及膠合。目前一般齒輪傳動(dòng)，只按齒面接觸疲勞齒面接觸疲勞強(qiáng)度強(qiáng)度和和齒根彎曲疲勞強(qiáng)度齒根彎曲疲勞強(qiáng)度兩準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。對(duì)于高速大兩準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。對(duì)于高速大功率的齒輪傳動(dòng)，還應(yīng)按齒面抗膠合能力的準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算。功率的齒輪

10、傳動(dòng)，還應(yīng)按齒面抗膠合能力的準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算。 開式齒輪傳動(dòng)的主要失效形式是磨損及彎曲疲勞折斷，開式齒輪傳動(dòng)的主要失效形式是磨損及彎曲疲勞折斷，目前對(duì)磨損尚無成熟的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，故通常按齒根彎曲疲目前對(duì)磨損尚無成熟的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，故通常按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，并將模數(shù)增大勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，并將模數(shù)增大10%-20%10%-20%，以考慮磨損，以考慮磨損的影響。的影響。8-2 8-2 齒輪材料及其熱處理工藝齒輪材料及其熱處理工藝 齒輪材料對(duì)齒輪的承載能力和結(jié)構(gòu)尺寸影響很齒輪材料對(duì)齒輪的承載能力和結(jié)構(gòu)尺寸影響很大，合理選擇齒輪材料是設(shè)計(jì)重要內(nèi)容之一。選擇大，合理選擇齒輪材料是設(shè)計(jì)重要內(nèi)容之一

11、。選擇齒輪材料應(yīng)考慮如下要求：齒面應(yīng)有足夠的硬度，齒輪材料應(yīng)考慮如下要求：齒面應(yīng)有足夠的硬度，保證齒面抗點(diǎn)蝕、抗磨損、抗膠合和抗塑性變形的保證齒面抗點(diǎn)蝕、抗磨損、抗膠合和抗塑性變形的能力；輪齒芯部應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和韌性，保證齒根能力；輪齒芯部應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和韌性，保證齒根抗彎曲能力；此外，還應(yīng)具有良好的機(jī)械加工和熱抗彎曲能力；此外，還應(yīng)具有良好的機(jī)械加工和熱處理工藝性；以及經(jīng)濟(jì)性等要求。處理工藝性；以及經(jīng)濟(jì)性等要求。 齒輪材料的選擇要求齒輪材料的選擇要求8-2 8-2 齒輪材料及其熱處理工藝齒輪材料及其熱處理工藝制造齒輪材料以鍛鋼（包括軋制鋼材）為主，其次是鑄鋼、制造齒輪材料以鍛鋼（包括軋制鋼材

12、）為主，其次是鑄鋼、鑄鐵，還有有色金屬和非金屬材料等。鑄鐵，還有有色金屬和非金屬材料等。常用齒輪材料及熱處理常用齒輪材料及熱處理鋼制軟齒面齒輪要求小齒輪硬度大于大齒輪鋼制軟齒面齒輪要求小齒輪硬度大于大齒輪30-50 HBS30-50 HBS原因：原因：1 1）小齒輪齒根強(qiáng)度較弱）小齒輪齒根強(qiáng)度較弱 2 2）小齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)較多）小齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)較多 3)3)當(dāng)大小齒輪有較大硬度差時(shí)，較硬的小齒輪會(huì)對(duì)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)度齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度 齒輪材料的選擇原則齒輪

13、材料的選擇原則 8-3 8-3 直齒圓柱齒輪傳動(dòng)計(jì)算載荷與受力分析直齒圓柱齒輪傳動(dòng)計(jì)算載荷與受力分析輪齒的受力分析輪齒的受力分析 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩T T1 1由主動(dòng)齒輪傳給從動(dòng)齒輪。忽略齒面間的摩擦力，輪由主動(dòng)齒輪傳給從動(dòng)齒輪。忽略齒面間的摩擦力，輪齒間法向力齒間法向力F Fn n的方向始終沿嚙合線。法向力的方向始終沿嚙合線。法向力F Fn n在節(jié)點(diǎn)處可分解在節(jié)點(diǎn)處可分解為兩個(gè)相互垂直的分力：切于分度圓的圓周力為兩個(gè)相互垂直的分力：切于分度圓的圓周力F Ft t和沿半徑方和沿半徑方向的徑向力向的徑向力F Fr r。 8-3 8-3 直齒圓柱齒輪傳動(dòng)計(jì)算載荷與受力分析直齒圓柱齒輪傳動(dòng)計(jì)算載荷與受力分析計(jì)

14、算載荷和載荷系數(shù)計(jì)算載荷和載荷系數(shù)名義載荷名義載荷F Fn n是用齒輪傳遞的名義轉(zhuǎn)矩求得的載荷是用齒輪傳遞的名義轉(zhuǎn)矩求得的載荷 計(jì)算載荷計(jì)算載荷由于載荷沿接觸線不是均勻分布的，在某些地由于載荷沿接觸線不是均勻分布的，在某些地方大于、某些地方小于名義載荷，造成所謂載荷集中。常方大于、某些地方小于名義載荷，造成所謂載荷集中。常用載荷集中系數(shù)表示。由于齒輪制造不精確，致使轉(zhuǎn)動(dòng)不用載荷集中系數(shù)表示。由于齒輪制造不精確，致使轉(zhuǎn)動(dòng)不平穩(wěn)，引起附加的動(dòng)載荷，常用動(dòng)載荷系數(shù)表示其影響。平穩(wěn)，引起附加的動(dòng)載荷，常用動(dòng)載荷系數(shù)表示其影響。在計(jì)算齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度時(shí)，用載荷系數(shù)對(duì)名義載荷進(jìn)行修在計(jì)算齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度時(shí)，用

15、載荷系數(shù)對(duì)名義載荷進(jìn)行修正，名義載荷與載荷系數(shù)的乘積稱為計(jì)算載荷。正，名義載荷與載荷系數(shù)的乘積稱為計(jì)算載荷。 K Kv v- -動(dòng)載荷系數(shù)動(dòng)載荷系數(shù)K K- -載荷集中系數(shù)載荷集中系數(shù)112cosncVnVTFK KF K Kd8-3 8-3 直齒圓柱齒輪傳動(dòng)計(jì)算載荷與受力分析直齒圓柱齒輪傳動(dòng)計(jì)算載荷與受力分析動(dòng)載荷系數(shù)動(dòng)載荷系數(shù)K Kv v考慮齒輪副自身嚙合誤差引起的內(nèi)部附加動(dòng)載荷的影響系數(shù)?？紤]齒輪副自身嚙合誤差引起的內(nèi)部附加動(dòng)載荷的影響系數(shù)。 l齒輪制造產(chǎn)生的基節(jié)齒輪制造產(chǎn)生的基節(jié)誤差和齒形誤差；誤差和齒形誤差；l在嚙合傳動(dòng)中，同時(shí)在嚙合傳動(dòng)中，同時(shí)參加嚙合輪齒的對(duì)數(shù)及參加嚙合輪齒的對(duì)數(shù)

16、及位置在循環(huán)變化，輪齒位置在循環(huán)變化，輪齒嚙合剛度也隨之變化；嚙合剛度也隨之變化；l輪齒受載變形；輪齒受載變形；l齒輪支承件的彈性變齒輪支承件的彈性變形等形等8-3 8-3 直齒圓柱齒輪傳動(dòng)計(jì)算載荷與受力分析直齒圓柱齒輪傳動(dòng)計(jì)算載荷與受力分析載荷集中系數(shù)載荷集中系數(shù)K K 考慮沿齒寬方向載荷分布不均勻?qū)X輪強(qiáng)度影響的系數(shù)考慮沿齒寬方向載荷分布不均勻?qū)X輪強(qiáng)度影響的系數(shù) 主要是由于齒輪的制造和安裝誤差；輪齒、軸主要是由于齒輪的制造和安裝誤差；輪齒、軸系部件和箱體的變形；齒寬及齒面硬度等系部件和箱體的變形；齒寬及齒面硬度等 8-4 8-4 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算22 (1)ncH

17、HFEb赫茲公式赫茲公式接觸應(yīng)力接觸應(yīng)力12121 VHHEHTK KuZZZd bu8-4 8-4 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算接觸疲勞強(qiáng)度的校核公接觸疲勞強(qiáng)度的校核公式式 8-4 8-4 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算13121ddHTKudKu22332()/dHEVKZ Z ZKN mm接觸疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式接觸疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式 其中其中l(wèi)imHbHHLHKS8-4 8-4 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算許用接觸應(yīng)力許用接觸應(yīng)力注意注意: : 在進(jìn)行齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，應(yīng)代在進(jìn)行齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，應(yīng)代入較小的值進(jìn)行計(jì)算入較小的值進(jìn)行計(jì)算8-5 8-5 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算基本假設(shè)基本假設(shè)8-5 8