江蘇大學機械設計課件10齒輪傳動

2021年 4月 26日機 械 原 理 及 設 計（ ） 第 十 章 齒 輪 傳 動 一工作特點1工作可靠，壽命長2承載能力高 ：數(shù)萬千瓦3傳動比i穩(wěn)定：定傳動比傳動4結構緊湊5傳動效率高6制造、安裝、檢驗要求高 10-1 概 述 2按齒線形狀分直齒、斜齒、曲線齒(人字齒)3按材料硬度分二分類1按潤滑狀況分(1)開式傳動(2)半開式傳動(3)閉式傳動硬齒面350HB(或38HRC)軟齒面350HB(或38HRC) 一失效形式1輪齒折斷原因：疲勞折斷：F為變應力，應力集中。過載折斷：過載沖擊或齒厚變薄。全齒折斷局部折斷F現(xiàn)象：沿齒根部折斷 有兩種形式 10-2 齒 輪 傳 動 的 失 效 形 式 和 設 計 準 則 F為何種變應力？（考慮齒輪是否是惰輪）措施：1用大圓角及消除加工刀痕、提高表面質量 來減小應力集中， 2使輪齒受載均勻，防止過載。 3合理的熱處理措施， 4采用表層強化方法。問題 2齒面接觸疲勞(點蝕)閉式中多見原因： H為脈動循環(huán)變應力。有兩種現(xiàn)象收斂性點蝕擴展性點蝕措施：提高表面硬度，提高表面質量，合適潤滑措施，使用粘度合適的潤滑油 H為何種變應力？如何分析？ 點蝕為什么首先發(fā)生在節(jié)線附近的齒根面上？ 現(xiàn)象：靠近節(jié)線的齒根面產(chǎn)生麻點、麻坑。問題 3齒面膠合閉式中多見現(xiàn)象：沿輪齒面滑動方向形成溝痕，甚至咬死措施：提高表面硬度，提高表面質量，加強潤滑措施，加入極壓添加劑，采用抗膠合的潤滑油。原因： 高速重載下，熱膠合 低速重載下，冷膠合 4齒面磨損開式中多見原因： 跑合磨損（有益） 磨粒磨損（有害）現(xiàn)象：失去漸開線齒形，齒側變大， 嚴重時折斷。措施：提高表面硬度， 提高表面質量， 保持潤滑油清潔， 將開式傳動改為閉式傳動。 a齒面塑性變形：滾壓塑變、錘擊塑變原因：塑性流動現(xiàn)象：失去漸開線齒形主動輪上：節(jié)線處下凹從動輪上：節(jié)線處上凸5塑性變形：齒面或齒體塑性變形滾壓塑變措施：提高表面硬度， 提高表面質量， 使用粘度合適的潤滑油， 加入極壓添加劑。 齒面滾壓塑變流動時，為什么主動輪上發(fā)生節(jié)線處下凹，從動輪上發(fā)生節(jié)線處上凸？（摩擦力方向改變）錘擊塑變：過大的沖擊而在齒面產(chǎn)生的沿接 觸線方向的淺的溝槽。b齒體塑性變形（略）問題總結 二設計準則FF 彎曲疲勞強度HH齒面接觸疲勞強度1開式傳動FF 防折斷增加(10%20%)m(模數(shù))來補償因磨損引起的強度不足（防磨損定性計算）。2閉式傳動FF 防折斷 HH防點蝕 兩個問題： F ? H =? F ? H =?一對齒輪材料的要求“外硬”齒面要硬 抗點蝕、抗磨損、 抗膠合、抗塑性流動“內韌”齒芯要韌抗折斷 10-3 齒 輪 材 料 及 熱 處 理 二常用材料及熱處理1鋼(1)鍛鋼軟齒面(350HB)如：45，40Cr正火或調質 熱處理切齒7級或8級）硬齒面(350HB)如：45，40Cr淬火20Cr20CrMnTi滲碳淬火齒面硬化處理精加工（4級或5級）(2)鑄鋼如：ZG310570（?；幚恚?鑄鐵如：HT200HT350、QT500-5等3非金屬材料 如：夾布膠木、尼龍 三齒面硬度匹配1軟齒面?zhèn)鲃訒r： HB小=HB大+(3050) HB小 HB大對大齒輪冷作硬化2硬齒面?zhèn)鲃訒r： HB小HB大 Fn (法向力) Ft (圓周力)Fr (徑向力)1力的大小(標準安裝時：=20o) P Fr FnFtFt FrFn r2r1mmNnP1055.9T cosFF tgFF dT2F 1161 tn tr 11t 其中 一受力分析(不計摩擦力，取節(jié)點P) 10-4 直 齒 圓 柱 齒 輪 傳 動 的 載 荷 計 算 2力的方向圓周力Ft：主動輪上：Ft1與運動方向相反(阻力) 從動輪上：Ft2與運動方向相同(驅動力)徑向力Fr： Fr1、Fr2均指向各自輪心可見: 2t1t 2r1r FF FF 為什么要進行受力分析？為什么要將Fn分解？若嚙合點不在節(jié)點P時，其受力情況如何？問題 二計算載荷Ftc=KFt式中：K 載荷系數(shù)，且為KK AK vK K 1使用系數(shù)K A：考慮齒輪嚙合時外部因素引起的附加動載荷影響的系數(shù)。 2動載系數(shù)K v（齒輪嚙合誤差，即pb1pb2）制造安裝誤差a pb1 pb2降低K v的方法：a 降低圓周速度 b提高加工精度c采用： p b1 pb2修主動輪嚙合時受力變形 4齒向載荷分配系數(shù)K：齒寬方向分配降低K 的方法合理的齒輪位置合理的齒寬提高齒輪軸、支承的剛度3齒間載荷分配系數(shù)K ：多對齒間分配（分配并不均勻） 1理論依據(jù)危險截面：圖示AB截面FncFnc Fnc假設：全部載荷均 作用于齒頂一齒根彎曲疲勞強度計算（防折斷） 10-5 標 準 直 齒 圓 柱 齒 輪 傳 動 的 強 度 計 算 2強度條件 saFatFtt nccF YYbmKFmSmhbmKF S hbKF bS hFWM coscos6 coscos6 61cos22 2 強度條件 3 FsaFa2 1d 1 FsaFatF YYzKT2m YYbmKF 校核式設計式z=z=25z=10無量綱應力修正系數(shù)無量綱齒形系數(shù)式中 Fs 2FaFaY cosmS cos)mh(6YY Z(、x)(YFa Ysa ) FYFa、Ysa與齒廓形狀(如、Z、x)有關，而與齒的大小(m)無關。 T1、 Z1 、 d1均指小齒輪的，不能用T2、 Z2、 d2代替彎曲強度取決與m、b說明結論分析b 齒寬Z1 小齒輪上的轉矩T1 小齒輪上的轉矩d 齒寬系數(shù) d b/d1m 模數(shù)：應取標準值m(1.52)mmF 齒輪許用彎曲應力 二齒面接觸疲勞強度計算（防點蝕）1理論依據(jù)：以節(jié)點為計算點r1N 1 tt P HH 2 221 21 21caHF BE1E1 11F 赫茲公式 2強度條件r1N1 tt P EH1t E1tH ttcnc 121 12 222 111 ZZu 1ubdKF Zu 1usind 2cosbKF cosKFcosFF u 1usind 21 sin2dPN sin2dPN 強度條件 3 211 1 12 1 HEHd HEHtH ZZuuKTd ZZuubdKF 校核式設計式說明接觸強度取決于齒輪直徑d1(或中心距a)和齒寬b 其它各參數(shù)意義同前齒輪許用接觸應力增速時減速時小齒輪齒數(shù)大齒輪齒數(shù)齒數(shù)比關與兩齒輪材料的匹配有彈性系數(shù)的影響表示節(jié)點處齒廓曲率對時節(jié)點區(qū)域系數(shù)式中 H 12 2 2211 21EE H HoHH i1uiu 1ZZuu E1E1 1ZZ 5.2Z20sincos 2ZZ 三許用應力式中 5.125.1S1SS njL60NNNKK YYs/m10v mm5010b20mm53m: %1 FH hm 0NN STSTlimFF olim 疲勞強度安全系數(shù)壽命系數(shù)為應力校正系數(shù)實驗條件時的齒輪疲勞極限失效概率為 SK limN H limHHNH F FEFNF SK SK 對稱循環(huán)的彎曲應力，其極限值為脈動循環(huán)時的極限應力的70%輪1、2、3的許用彎曲應力如何？7.0 FEFE 脈對 1 2 3主動注意問題 四強度計算說明1彎曲強度公式 SaFa FtSaFa F FSaFatF YYbmKFYY YYbmKF 3 FsaFa21d 1 FsaFatF YYzKT2m YYbmKF 校核式設計式 m YYzzzb YY YY YYYYa YYYY FF FSaFaFF SaFa SaFaFF FSaFaSaFaF SaFaF SaFa F1 ,. ?. 21 )(2)(1 11 2212 222111 應力性質有關應力循環(huán)次數(shù)硬度與材料時求，若已知小者代入計算以大小 2接觸強度公式 1HH H 2H1H d1 , 應力循環(huán)次數(shù)有關硬度與材料小者代入計算以 3 2HEHd 11 HEH1tH ZZu 1uKT2d ZZu 1ubdKF 3設計方法（試算法）初選K t(=1.21.4)求d1(或m)求V查K (K vK K )修正d1(或m) 3 tt 3 tt11 KKmm KKdd 一主要參數(shù)選擇1壓力角：規(guī)定標準壓力角 =20o(YFaYSa)F彎曲強度ZHH接觸強度2齒數(shù)z和模數(shù)mz(m)重合度運轉平穩(wěn)h減少切削用量節(jié)省材料滑動系數(shù)減少磨損和膠合F彎曲強度 10-6直 齒 圓 柱 齒 輪 傳 動 的 主 要 參 數(shù) 選 擇 和 精 度選 擇 閉式宜選齒數(shù)多些，以增加傳動平穩(wěn)性，一般z1=2040開式宜選齒數(shù)少些，以增加抗磨損，抗折斷能力，一般z=1720（模數(shù)m增大，齒厚增大）模數(shù)m對彎曲強度如何影響？對接觸強度又如何？3齒寬系數(shù)dd大b(=dd1)承載能力d過大bK d應合理b= d d1（圓整）b1=b+(510)mmb 2=b問題 二精度選擇精度等級 112精度高低三種精度：運動精度(第組公差)工作平穩(wěn)性精度(第組公差)接觸精度(第組公差)齒側間隙偏差：CS14種例：766GMGB17983 上偏差下偏差組組組 Fn FrF FtFa(軸向力)一受力分析 （不計摩擦力） 標準斜齒輪on 1n1 161 20cos zmd nP1055.9T 其中1力的大小 coscos FF tgFF costgFtgFF dT2F n tn ta ntttr 11t 2力的方向旋向 ：主動輪：左（右） 從動輪：右（左）Ft(同直齒輪)Fr(同直齒輪)Fa主動輪左右手法則從動輪 1a2a FF 左右手法則只適用于，應判斷主動輪作用力的位置應在嚙合點處。注意 如圖，標出各分力方向例題Fr1Fr2Fa1 Fa2 Ft1Ft2 O1O2主動N1Ft2 Ft1N1 二強度計算特點：1按當量直齒圓柱齒輪計算:法向齒形2接觸線為傾斜的：接觸線長bcosbL 彎曲：計入螺旋角系數(shù)Y(1) 2HH 2H1HH 23.1 2 二者取小者3重合度大直齒輪 斜齒輪 r=+接觸： 三強度計算公式1彎曲強度計算公式 設計式校核式斜齒輪直齒輪 FSaFadn FSaFan tF FSaFatF YYYzKTm YYYbmKF YYbmKF 21 21cos2 端面重合度一般軸承受力軸傳動平穩(wěn)性好螺旋角查由螺旋角影響系數(shù)查由應力校正系數(shù) 查由齒形系數(shù)載荷系數(shù) ooa 1dn 3VSa 3VFa VA208 ,F tgz318.0msinbY coszzY coszzY KKKKKK式中： 2接觸強度公式 設計式校核式斜齒輪直齒輪 3 2HEHd 11 H1 tEHH H1tEHH ZZu1uKT2d u1ubdKFZZ u1ubdKFZZ 許用接觸應力區(qū)域系數(shù)式中 H tt bHH cossin cos2ZZ 四小結斜齒輪比直齒輪強度高，傳動平穩(wěn)，常置于斜齒輪幾何參數(shù)與直齒輪之處： cos2 zzma cosmmcos zmd 20m 21n ntn onn 標準值為標準值 一受力分析（不計摩擦力）Fn FtF FrFa 10-8 標 準 圓 錐 齒 輪 傳 動 的 強 度 計 算 1力的大小平均分度圓半徑式中 1mtn ta tr 1m1t dcosFF sintgFF costgFF dT2F 2力的方向Fa ：均沿各自軸線方向指向大端FtFr同直齒輪作用力與反作用力關系 2a12r1a2t1t FFrFFFF 2r2t1t1a 2a2t1t1r o21 FcostgFsintgFF FsintgFcostgFF 90 如圖畫出各齒輪上的分力方向例題N1 1 2Ft1 Fr1 Fr2Ft2Fa2Fa1 二強度計算：按的計算1彎曲強度計算公式 3 FSaFa2212RR 1 FSaFamtF YY1uz5.01 KT4m YYbmKF 3135.025.0 Rb 5.01mmm 1KK5.1K 100060 ndVK KKKKKK RR RR Rmm HbeHF 11mmV FFvA 常用齒寬系數(shù)平均模數(shù)及低一級精度查按載荷系數(shù)式中：查按齒形系數(shù)查按齒形系數(shù)齒數(shù)比錐距標準值大端模數(shù) coszzY coszzY tgtg1ddzzuu 2 1u2dRRm vSa vFa 211221 21 2接觸強度公式 2 HE2RR 11 H312RR 1EHH Zu5.01 KT92.2d ud5.01 KT4ZZ beHHH K5.1K 1K 式中三小結大錐齒輪加工困難，常放于高速級 整體式e2mt 或 e1.6m， 10-9 齒 輪 結 構 設 計套裝式實心體腹板式孔板式輪幅式 一潤滑方式浸油，噴油二潤滑劑選擇高速輕載選粘度小的低速重載選粘度大的 10-10 齒 輪 傳 動 的 潤 滑 本 章 結 束 謝 謝 大 家 ！謝 謝 大 家 ！