哈工大王黎欽機(jī)械設(shè)計(jì)課件-第7、8、9次課-第八章-齒輪傳動(dòng)-劉星斯維提收集

小結(jié):前一次課的內(nèi)容撓性件傳動(dòng)(Flexibledrive)中的帶傳動(dòng)(Beltsdrive)和鏈傳動(dòng)(Chaindrive)，優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)、設(shè)計(jì)過(guò)程和結(jié)構(gòu)等布置第三次大作業(yè)：帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)（注意保存數(shù)據(jù)）下面課的內(nèi)容嚙合傳動(dòng)：失效分析、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、承載能力計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第八章齒輪傳動(dòng)Chapter8Gears8.1概述(Introduction)Summary:Typesofgears1)平行軸齒輪傳動(dòng)（Parallel-axisgears）:

直齒輪(spurgears),斜齒輪(helicalgears)2)平面相交軸齒輪傳動(dòng)(Nonparallel,coplanargears)

錐齒輪(Bevelgears)，螺旋齒輪(Spiralgears)3)空間交錯(cuò)軸齒輪傳動(dòng)(Nonpara…Noncopl…)：

蝸桿傳動(dòng)（wormgeardrive）齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)（Features）：1)瞬時(shí)傳動(dòng)比恒定(constantvelocityratio)

2)傳動(dòng)效率高(0.98~0.99),highefficiency

3)工作可靠,壽命長(zhǎng)(reliableandendurable)

4)結(jié)構(gòu)緊湊(dmin=200μminMEMS)

5)適應(yīng)范圍大

Vmax=340(200)m/s,Pmax=100000kWd=200μm~5m

6)專用機(jī)床和刀具，制造及安裝精度要求高，成本高；7)精度低時(shí)噪音大；8)不適合用于軸間距過(guò)大的傳動(dòng)重型汽車柴油機(jī)齒輪輪系船用減速器齒輪輪系50m1)按齒輪的工作條件（workingconditions）：

開式：齒輪完全裸露，定期潤(rùn)滑閉式：齒輪密封在箱體內(nèi)，連續(xù)潤(rùn)滑半開式：防護(hù)罩，齒輪浸油2)按齒面硬度(Tooth-surfacehardness)：

軟齒面(<350HBS)，正火、調(diào)質(zhì)處理

硬齒面(≥350HBS)，淬火、表面淬火、滲碳**國(guó)標(biāo)中規(guī)定的模數(shù)系列（Moduleseries）P122（優(yōu)先選用第一系列）齒輪傳動(dòng)分類（Classification）8.2齒輪傳動(dòng)的失效形式和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

Failuremodesanddesigncriterion8.2.1齒輪傳動(dòng)的主要失效形式1、輪齒的折斷，Toothbreakage原因：疲勞、過(guò)載、沖擊

(Byfatigue,overloadorimpactorshock)位置：attherootoftheteeth后果：輪廓不完整預(yù)防措施：加大模數(shù)2、齒面疲勞點(diǎn)蝕（閉式軟齒面）

Pittingandspallingonthetoothsurfaces原因：交變的σH反復(fù)作用，cycliccontactstress位置：小齒輪（pinion）齒根面靠近節(jié)線處

(nearthepitchline)后果：齒面不完整，噪聲預(yù)防措施：提高硬度、潤(rùn)滑油黏度降低Ra齒面疲勞點(diǎn)蝕3、齒面過(guò)量磨損

(Severewearonthetoothsurfaces)原因：接觸處硬質(zhì)顆粒污染→磨料磨損→齒形破壞→齒根減薄（根部嚴(yán)重）→斷齒位置：齒面后果：幾何輪廓破壞，彎曲強(qiáng)度降低預(yù)防措施：加大m;提高硬度；改閉式4、齒面膠合（Scuffingonthesurfaces）形式：高速輕載或低速重載原因：壓力大、溫度高→潤(rùn)滑失效→表面粘連→沿運(yùn)動(dòng)方向撕裂位置：齒面后果：幾何輪廓破壞預(yù)防措施：降低速度；改善潤(rùn)滑；降低應(yīng)力5、輪齒塑性變形

(Plasticdeformationon…)形式：如圖（重載傳動(dòng)）原因：應(yīng)力過(guò)大→材料屈服→塑性流動(dòng)→齒面變形位置：齒面/輪齒整體后果：幾何輪廓破壞8.2.2齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則1、軟齒面閉式齒輪傳動(dòng)：常因齒面點(diǎn)蝕而失效，故通常先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。2、硬齒面閉式齒輪傳動(dòng)：其齒面接觸承載能力較高，故通常先按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后校核齒面接觸疲勞強(qiáng)度。3、高速重載齒輪傳動(dòng)：除出現(xiàn)點(diǎn)蝕或彎斷外，還可能出現(xiàn)齒面膠合，故還需校核齒面膠合強(qiáng)度。4、開式齒輪傳動(dòng)：主要失效形式是齒面磨損，而且在輪齒磨薄后往往會(huì)發(fā)生輪齒折斷。故目前多是按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，并考慮磨損的影響將模數(shù)適當(dāng)增大8.2.2齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則8.3齒輪材料及其熱處理

Gearmaterialsandheattreatment8.3.1齒輪材料及選擇原則選擇齒輪材料時(shí)應(yīng)綜合考慮如下基本要求：齒面要硬；輪芯要韌；強(qiáng)度足夠；良好的加工性能和熱處理性；價(jià)格低。常用齒輪材料1、鋼：⑴鍛鋼——鋼材經(jīng)鍛造,性能提高→最常用

45、35SiMn、42SiMn、40Cr、35CrMo(2)鑄鋼——齒輪較大(d≥400)時(shí)采用

ZG310-570、ZG340-6402、鑄鐵：用于開式、低速無(wú)沖擊齒輪

HT300、HT350、QT500-5、QT600-2

3、非金屬材料：高速、輕載、低噪音

1、材料要與合適的熱處理匹配

2、HB1=HB2+30～50HBS3、軟齒面：正火、調(diào)質(zhì)

兩輪材料相同時(shí)，采用不同的熱處理4、硬齒面：低碳鋼－滲碳＋淬火中碳鋼－表面淬火見(jiàn)表8.2(P126)8.3.2熱處理方法表8.2齒輪常用材料的機(jī)械性能及應(yīng)用范圍續(xù)表8.2載荷系數(shù)：8.4齒輪傳動(dòng)的計(jì)算載荷(Loadactingontooth)名義載荷F：由齒輪傳動(dòng)的額定功率計(jì)算計(jì)算載荷FC：考慮由于齒輪嚙合外部因素引起附加動(dòng)載荷的影響，主要是原動(dòng)機(jī)和工作機(jī)的工作特性原動(dòng)機(jī)越平穩(wěn)、工作機(jī)載荷越平穩(wěn)，使用系數(shù)越小(注意表8.3下的小字)8.4.1使用系數(shù)KA

(Applicationfactor)影響KV的主要因素是由基節(jié)和齒形誤差產(chǎn)生的傳動(dòng)誤差、節(jié)線速度和輪齒嚙合剛度等?？紤]由于制造精度、運(yùn)轉(zhuǎn)速度等輪齒內(nèi)部因素引起的附加動(dòng)載荷8.4.2動(dòng)載系數(shù)KV

(Dynamicfactor)

按工作平穩(wěn)性精度等級(jí)查圖齒輪的精度：7-7-8-GBXXX運(yùn)動(dòng)精度、工作平穩(wěn)性精度和接觸精度當(dāng)瞬時(shí)傳動(dòng)比這種情況稱為換齒沖擊當(dāng)瞬時(shí)傳動(dòng)比這種情況稱為嚙入沖擊8.4.3齒向載荷分布系數(shù)K

(Loaddistributionfactor)考慮沿齒寬方向載荷分布不均勻?qū)嘄X應(yīng)力的影響影響K

的主要因素有：1、齒面硬度；2、齒輪在軸上相對(duì)于軸承的布置形式3、制造和安裝誤差，輪齒、軸系及機(jī)體的剛度4、輪齒的寬度8.4.4齒間載荷分配系數(shù)K

(loadallocationfactor)齒間載荷分配系數(shù)K

是考慮同時(shí)嚙合的各對(duì)輪齒載荷分配不均勻?qū)嘄X應(yīng)力的影響系數(shù)影響K

的主要因素有：1、輪齒制造誤差（工作平穩(wěn)性精度，II組）2、輪齒硬度3、輪齒的嚙合剛度，重合度和跑合情況等表8.4齒間載荷分配系數(shù)K

8.10齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（Structure）1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)的關(guān)系2）經(jīng)驗(yàn)公式和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)系3）輪轂和輪緣可以不一樣寬1、齒輪軸如果圓柱齒輪齒根圓到鍵槽底面的徑向距離e2.5m(或mn),則可將齒輪與軸做成一體稱為齒輪軸.2、實(shí)心式齒輪當(dāng)e>2.5m(mn)且

da

200mm,可做成實(shí)心式3、腹板式齒輪當(dāng)da

500mm時(shí),可采用腹板式結(jié)構(gòu)4、輪輻式齒輪da=400～1000mm,多采用輪輻式的鑄造結(jié)構(gòu)5、鑲套式齒輪大直徑的齒輪,為節(jié)省材料,可采用鑲套式齒圈6、焊接式齒輪單件生產(chǎn)，尺寸過(guò)大，不能鑄造,可用焊接結(jié)構(gòu)8.11齒輪傳動(dòng)的潤(rùn)滑(Lubricationforgeardrives)1、存在VS和σH2、潤(rùn)滑目的：減小摩擦和發(fā)熱，帶走熱量開式、半開式齒輪傳動(dòng)：速度低，人工定期加油或在齒面涂抹潤(rùn)滑脂8.11.1齒輪傳動(dòng)的潤(rùn)滑方式閉式齒輪傳動(dòng)，潤(rùn)滑方式與齒輪的圓周速度V關(guān)聯(lián)當(dāng)V10m/s時(shí)，浸油潤(rùn)滑浸油高度？當(dāng)>10m/s時(shí)，噴油潤(rùn)滑中速<25m/s，單側(cè)噴油高速>25m/s，雙側(cè)噴油8.11.2潤(rùn)滑劑（lubricants）的選擇考慮速度、載荷、溫度1、低速重載：高黏度油，易形成油膜2、高速輕載：低黏度油，攪油損失少3、高溫：選高黏度油推薦用油黏度值：表8.8（P162）//8.5標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算Strengthcalculationforspurgeartransmission8.5.1輪齒受力分析圓周力：(Circumferentialforce)徑向力：(Radialforce)法向力：(Normalforce)Given:P1,n1,T1=?作用于主(下標(biāo)1)、從動(dòng)輪(下標(biāo)2)上各力的方向判斷:1、作用于主、從動(dòng)輪上的各對(duì)力均大小相等，方向相反；2、Ft:在主動(dòng)輪上與運(yùn)動(dòng)方向相反，在從動(dòng)輪上與運(yùn)動(dòng)方向相同；3、Fr:的方向與嚙合方式有關(guān)，對(duì)于外嚙合，主、從動(dòng)輪上的徑向力分別指向各自的輪心8.5.2齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算(控制齒面疲勞)強(qiáng)度條件式:齒面接觸應(yīng)力(Hertzian

contactstress)理論上沿齒高方向變化，計(jì)算時(shí)簡(jiǎn)化：節(jié)點(diǎn)接觸應(yīng)力法向計(jì)算載荷：綜合曲率：EffectiveCurvature：令(Speedratio)代入上式得：節(jié)點(diǎn)C處的參數(shù)(Parametersonthepitchpoint)：將上述參數(shù)代入，有效接觸線長(zhǎng)度(考慮重合度影響)：令可得到齒面接觸強(qiáng)度校核公式：取或,和代入校核式整理，得齒面接觸疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式:或mmmm式中:u---齒數(shù)比（speedratio）討論：1)

2)

3)σH與d直接相關(guān)，與m無(wú)直接關(guān)系ZE---材料彈性系數(shù),表8.5材料彈性系數(shù)ZEZH---節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù),反映了節(jié)點(diǎn)齒廓形狀對(duì)接觸應(yīng)力的影響,按圖8.14(直齒輪、斜齒輪、變位齒輪公用)查取，或Zε---重合度系數(shù),是考慮重合度對(duì)齒面接觸應(yīng)力影響的系數(shù)由圖8.15查取---齒寬系數(shù),按表8.6選取d1---小齒輪分度圓直徑,mmb---齒寬,mma---傳遞中心距,mmT1---小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩,N.mm8.5.3齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算強(qiáng)度條件式整理得，齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核公式：彎曲應(yīng)力Bendingstress:同樣,將齒寬系數(shù)等代入上式,整理得:齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式,mm式中：YF---齒形系數(shù)，反映了輪齒幾何形狀對(duì)齒根彎曲應(yīng)力

F

的影響對(duì)符合基準(zhǔn)齒形的圓柱外齒輪，YF可按圖8.19查取Ys--應(yīng)力修正系數(shù)，用以考慮齒輪過(guò)渡圓角處的應(yīng)力集中和除彎曲應(yīng)力以外的其它應(yīng)力對(duì)齒根應(yīng)力的影響，其值查圖8.20.請(qǐng)分析它隨齒數(shù)的變化規(guī)律---重合度系數(shù)，是將全部載荷作用于齒頂時(shí)的齒根應(yīng)力折算為載荷作用于單對(duì)齒嚙合區(qū)上界點(diǎn)時(shí)的齒根應(yīng)力系數(shù)值也可查圖8.21對(duì)齒輪進(jìn)行彎曲強(qiáng)度校核時(shí)，大小齒輪應(yīng)分別進(jìn)行（簡(jiǎn)單判斷，誰(shuí)大誰(shuí)??？）按式8.12設(shè)計(jì)求模數(shù)時(shí),式中8.6標(biāo)準(zhǔn)斜齒輪圓柱齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算8.6.1輪齒的受力分析圓周力：徑向力：軸向力：法向力：式中：d1---小齒輪分度圓直徑，mm

T1---小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩，N.mm

n---分度圓柱上的法面壓力角

n=20

t---分度圓柱上的端面壓力角

b---基圓柱上的螺旋角

---分度圓柱上的螺旋角作用于主、從動(dòng)輪上各力的方向判斷:1、Ft、Fr的方向與直齒輪相同2、Fa的方向判斷：1）力分析的方法2）主動(dòng)輪左（右）手法則判斷：對(duì)主動(dòng)輪，齒的旋向若為右旋，則用右手（左旋用左手）握住齒輪軸線，并使四指的方向順著輪的轉(zhuǎn)向方向，此時(shí)拇指的指向即為軸向力方向8.6.2齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的原理和方法與直齒輪相同，仍按齒輪節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行計(jì)算。不同的是：斜齒輪嚙合點(diǎn)的曲率半徑應(yīng)按法面計(jì)算；接觸線總長(zhǎng)度比直齒輪大。節(jié)點(diǎn)處的有關(guān)參數(shù)：法向計(jì)算載荷：綜合曲率：法面內(nèi)節(jié)點(diǎn)的曲率半徑為：其中：接觸線長(zhǎng)度L：MPa式中：ZH查圖8.14齒面接觸強(qiáng)度的校核公式為:則齒面接觸疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式:取或式中:Z

--螺旋角系數(shù)，查圖8.24，或者8.6.3齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的計(jì)算斜齒圓柱齒輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算式：?。海饼X圓柱齒輪輪齒受載及斷齒情況齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)式：，mm式中涉及到Z的系數(shù)用Zv查取Zv=Z/cos3β//8.7圓柱齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)8.7.1齒輪傳動(dòng)主要參數(shù)的選擇1、模數(shù)m和齒數(shù)Z1

初?。簃=(0.01~0.02)a,

z1=18~30(閉式)，17~20（開式）2、齒寬系數(shù)

d、a一般

a=0.1~1.2閉式傳動(dòng)

a=0.3~0.6,通用減速器取

a=0.4開式傳動(dòng)

a=0.1~0.3b=a×

a,b2=int(b),b1=b2+5~10如果用

d參考表8.6，其中3、分度圓壓力角

（一般=20°，航空齒輪25°）4、齒數(shù)比u（一般u=3~7）5、螺旋角(初取8~20°,人字齒25~30°)8.7.2齒輪傳動(dòng)的許用應(yīng)力1、許用接觸應(yīng)力[

]H，MPa

Hlim---試驗(yàn)齒輪的齒面接觸疲勞極限，MPaSH見(jiàn)P145表8.7詳見(jiàn)P143ZN---接觸強(qiáng)度計(jì)算的壽命系數(shù)查圖(注意圖下小字說(shuō)明)式中:應(yīng)力循環(huán)基數(shù)N0和疲勞曲線指數(shù)m與材料及熱處理方法有關(guān)：n--齒輪轉(zhuǎn)速，r/min；a--齒輪轉(zhuǎn)一周，同一側(cè)齒面嚙合的次數(shù)(見(jiàn)下一張slide)Lh--齒輪的工作壽命，小時(shí)若輪1主動(dòng)：輪2雙齒側(cè)工作，嚙合次數(shù)為1a=1若輪2主動(dòng)：輪2單齒側(cè)工作，嚙合次數(shù)為2a=2---計(jì)入了齒根應(yīng)力修正系數(shù)之后,試驗(yàn)齒輪的齒根彎曲疲勞極限應(yīng)力，P143

SF見(jiàn)P145表8.72、許用彎曲應(yīng)力YN--彎曲強(qiáng)度計(jì)算的壽命系數(shù)查圖8.30(注意圖下小字說(shuō)明)式中:N0、m’由試驗(yàn)獲得，隨材料而異.改錯(cuò)，P144為什么SF>SH?算例：P139調(diào)整中心距a的方法；圓整；有效