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第十二章齒輪傳動§1、齒輪傳動的應(yīng)用和種類§2、齒輪的材料§3、輪齒的失效形式及計算準則§4、齒輪的構(gòu)造§5、齒輪的潤滑§1齒輪傳動的應(yīng)用和種類一、齒輪傳動的應(yīng)用齒輪傳動用于傳遞空間任意兩軸之間的運動和動力,是機械中應(yīng)用最廣泛的傳動形式之一。和其他傳動形式相比,它具有下列優(yōu)點:1)能保證傳動比恒定不變;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150m/s;3)結(jié)構(gòu)緊湊;4)效率高;5)工作可靠且壽命長。其主要缺點是:1)對制造及安裝精度要求較高;2)當兩軸距離較大時,采用齒輪傳動較笨重。二、齒輪的分類(一)按照兩齒輪軸線的相對位置可以分為:1、平行軸齒輪傳動abc圖9-1外嚙合直齒輪傳動(圖9-1a)外嚙合斜齒輪傳動(圖9-1b)人字形齒輪傳動(圖9-1c)de內(nèi)嚙合直齒輪傳動(圖9-1e)直齒輪齒條傳動(圖9-1d)2、相交軸齒輪傳動圖9-2圖9-3直齒錐齒傳動(圖9-2)曲齒錐齒傳動(圖9-3)3、交錯軸齒輪傳動圖9-4圖9-5交錯軸斜齒輪傳動(圖9-4)交錯軸蝸桿傳動(圖9-5)齒輪傳動的類型圖9-6(二)按照齒輪傳動的工作情況可以分為:1、開式齒輪傳動齒輪是外露的。多用于低速傳動。2、閉式齒輪傳動齒輪全裝在潤滑良好的密封剛性箱體內(nèi)。多用于重要的傳動。(三)按照齒輪的圓周速度可以分為:1、低速傳動,圓周速度v〈3m/s;2、中速傳動,v=3~15m/s;3、高速傳動,v〉15m/s。(四)按齒面硬度可分為:1、軟齒面齒輪傳動,≤350HBS2、硬齒面齒輪傳動,>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)濟性要求。二、齒輪熱處理
①一般齒輪傳動:正火和調(diào)質(zhì)②重要齒輪傳動(高速、重載、精密傳動:表面淬火、滲碳淬火③為使一對齒輪的承載能力與壽命接近,應(yīng)保持一對齒面的硬度差。對軟齒面齒輪:HBS1-HBS2=30~50(小齒輪為HBS1);對一硬一軟(HBS1>350,HBS2<350):HBS1-HBS2>50;小齒輪齒根強度較弱;小齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)較多;當大小齒輪有較大硬度差時,較硬的小齒輪會對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度.
對均為硬齒面:兩齒面不必有硬度差?!?齒輪傳動的失效形式及計算準則一、齒輪傳動的失效形式齒輪傳動從工作條件來說,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,因而齒輪傳動有不同的失效形式。一般齒輪傳動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,當輪齒重復(fù)受載后,齒根處產(chǎn)生疲勞裂紋,并逐步擴展,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仔細操作;②適當增大模數(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,就會發(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,即使是直齒圓柱齒輪,也會發(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的主要失效形式。產(chǎn)生原因:砂粒、金屬微粒進入嚙合齒面,產(chǎn)生磨料磨損。防止或改善措施:①增大齒面硬度;②采用閉式傳動或加防護罩;③改善潤滑條件。潘存云教授研制齒面磨損3、齒面點蝕在閉式齒輪傳動中,常發(fā)生點蝕。軟齒面閉式齒輪傳動常因點蝕而失效。開式齒輪傳動不易發(fā)生。點蝕:齒面材料在變化著的接觸應(yīng)力作用下,由于疲勞而產(chǎn)生的麻點狀損傷現(xiàn)象。齒產(chǎn)生原因:①齒面接觸應(yīng)力太大;②當出現(xiàn)裂紋時,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。當齒面相對滑動時,較軟的齒面沿滑動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對于低速重載,可提高油的粘度②對高速重載,可采用抗膠合能力強的油;③采用抗膠合能力強的材料及合理配對齒輪;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):一對實際嚙合齒輪不可能同時產(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:齒面磨損、輪齒折斷;閉式傳動:軟齒面(HBS≤350)鋼齒,點蝕;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、輪齒傳動的計算準則1、計算準則防止點蝕:接觸疲勞強度準則,σH≤[σH];防止折斷:齒根彎曲疲勞強度準則,σF≤[σF]。2、計算特點(1)閉式軟齒面鋼齒:以接觸疲勞強度準則為主;(2)閉式硬齒面鋼齒或鑄鐵:以彎曲疲勞強度準則為主;(3)開式傳動:以彎曲疲勞強度準則為主,考慮磨損的影響適當增大模數(shù)。(10~15%)(4)特殊情況(高速重載等)3、計算理論彎曲疲勞強度:懸臂梁理論接觸疲勞強度:Hertz(赫芝)理論2)方向Ft1對主動輪來說是阻力,與嚙合點圓周速度方向相反;Ft2對從動輪來說是驅(qū)動力。Fr的方向為過嚙合點的徑向線,指向輪心。三、直齒圓柱齒輪傳動的受力分析1)大小轉(zhuǎn)距T1由主動齒輪1傳給從動齒輪2.輪齒上的法向力Fn在節(jié)點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,對標準齒輪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,對標準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,對標準斜齒輪,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:潘存云§4齒輪的構(gòu)造直徑較小的鋼質(zhì)齒輪,當齒根圓直徑與軸徑接近時,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.實心齒輪設(shè)計: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d較小時可不開孔3.腹板式齒輪設(shè)計: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:潘存云bdsdhda斜度1:10lhδc設(shè)計: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齒輪的潤滑一、齒輪傳動的潤滑方式開式及半開式
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