齿轮传动设计1ppt培训课件

齿轮传动设计,第 五 章,§-6 齿轮传动的受力分析、失效形式和计算准则 §-7 齿轮材料及许用应力 §-8 直齿圆柱齿轮传动的强度计算 §-9 斜齿圆柱齿轮传动的强度计算 §-10 直齿圆锥齿轮传动的强度计算,齿轮设计的基本问题,减少振动、冲击、噪声,满足齿廓啮合条件（渐开线齿廓）,斜齿轮分度圆上的螺旋角,重合度,一齿轮传动的特点及应用,2. 应用广泛用于对传动比要求严格、高速重载场合，如机床、汽车、拖拉机的变速箱从实现主、从动轴间运动和动力传递。,1 .齿轮机构传动的特点, 制造和安装精度 要求较高；,不适宜用于两轴间距离较大的传动。, 工作可靠性高；, 传动比稳定；, 传动效率高；, 结构紧凑；, 使用寿命长。,§5-1 齿轮传动概述（复习）,1圆柱齿轮传动（直、斜、人字齿、内啮合齿轮 、 齿轮齿条件）用于两平行轴间传动；,2圆锥齿轮传动用于垂直相交轴间传动,3螺旋齿轮传动用于空间交错轴间传动,直齿圆柱齿轮传动,二. 齿轮传动分类,斜齿圆柱齿轮传动,人字齿轮传动,齿轮传动分类,内啮合齿轮传动,齿轮齿条,直齿锥齿轮,螺旋齿轮,齿轮传动分类,齿轮传动分类,闭式齿轮传动:齿轮封闭在箱体内，润滑条件好,开式齿轮传动:齿轮完全暴露在空气中， 易进灰、砂，润滑不良易磨损,半开式齿轮传动:有简单护罩，较开式传动好，仍易进灰、砂等。,软齿面齿轮HBS350的齿轮（布氏硬度）,硬齿面齿轮HBS>350的齿轮用HRC（洛式硬度）表示，1HRC10HBS,1保证传动的平稳性 即要求瞬时传动比为常数，为此要研究齿轮廓及啮合原理,2保证传动的承载能力 在有足够强度前提下使齿轮齿尺寸小、重量轻、寿命长等。,1. 齿轮传动类型、特点及应用；,2齿轮传动失效形式及计算准则、材料选择；,3齿轮传动受力分析(直、斜、锥齿轮传动）及参数选择。重点,4. 直齿圆柱齿轮传动的强度计算,5. 斜齿圆柱齿轮传动的设计特点,6. 直齿锥齿轮传动的设计特点,7. 齿轮传动设计实例分析,§5-6 齿轮传动的受力分析、失效形式及计算准则,为了对齿轮的强度进行计算，首先需要对齿轮的所受力的大小、方向和性质进行分析。,当已知小齿轮传递的名义功率及转速时，则名义转矩为：,小齿轮上的名义功率,小齿轮上的转速,因为直齿轮是斜齿轮的一种特殊形式所以讨论斜齿轮和圆锥齿轮的受力分析。,一、斜齿圆柱齿轮受力分析,一对斜齿圆柱齿轮，若略去齿面间的摩擦力，作用于节点的法向力n始终垂直于齿面而且可分解为三个分力：,以小齿轮为分析对象,圆周力t 径向力r 轴向力a,法面内：,径向力,当量齿轮的圆周力,切面内：,圆周力,圆周力,轴向力,轴向力,径向力,法向力,n 为法面分度圆压力角； t 为端面分度圆压力角； 为分度圆螺旋角； b 为基圆螺旋角。,各力的方向 圆周力t ：主动轮上的与转向相反，从动轮上的与转向相同； 径向力r ：分别指向各自轮心； 轴向力a ：主动轮的轴向力用“左右手法则”来判断：当主动轮右旋时，用右手四指的弯曲方向表示主动轮的转动方向，大拇指所指的方向即为轴向力的方向；主动轮左旋时，用左手来判断，方法同上,圆周力Ft,径向力Fr,轴向力Fa,Ft1 = - Ft2,Fr1 = - Fr2,Fa1 = - Fa2,对应关系,二、直齿圆锥齿轮的受力分析,锥齿轮的轮齿截面从大端到小端逐渐缩小，各部位的受力分布也是从大端到小端逐渐缩小，通常假设载荷集中在齿宽中点节线处的法平面内，并近似认为锥齿轮的强度相当于当量直齿圆柱齿轮的强度。,在齿宽中点节线处的法向平面内，法向力n可分解为三个分力：圆周力t、径向力r和轴向力a 。,直齿圆锥齿轮的 受力分析,主动轮的平均节圆直径,分度圆直径,锥距,齿宽,径向力,轴向力,法向力,压力角（大端为标准）,分度圆锥角：,力的方向为：,圆周力t ：主动轮上的与转向相反，从动轮上的与转向相同 径向力 r：分别指向各自轮心； 轴向力 a：分别由各轮的小端指向大端。,力的对应关系,Ft1 = - Ft2,Fr1 = - Fa2,Fa1 = - Fr2,三）计算载荷,计算载荷计入齿轮实际工作中的各种附加动载荷影响后的载荷，是用于零件设计计算的计算值。,计算载荷Fnc：,式中：K载荷系数,K = KA KV K K,1、使用系数KA 考虑原动机和工作机的工作特性等引起的动力过载对轮齿受载的影响。其值查表5-5。增速传动时，建议取表中值的1.1倍。,使用系数KA,用来考虑齿轮副在啮合过程中，因啮合误差(基节误差、齿形误差和轮齿变形等)所引起的内部附加动载荷对轮齿受载的影响。,2、动载系数Kv,啮合轮齿的基节不等，若,第二对轮齿在尚未进入啮合区时就提前在点A开始啮合，使瞬时速比发生变化而产生冲击和动载荷。传动比,同理分析：当 时,传动比变化 速度波动 振动和冲击,齿轮速度越高，精度越低，齿轮动载荷越大。,直齿圆柱齿轮：v=1.051.4； 斜齿圆柱齿轮：v=1.021.2。 齿轮精度低、速度高时，取大值；反之，取小值。,措施：（1）提高齿轮的制造精度； （2）对齿轮进行适当的齿顶修形(如图，将齿顶按虚线所示切掉一部分)可达到降低动载荷的目的。,、齿向载荷分布系数K,用来考虑齿轮的制造安装误差，以及轴、轴承及箱体的变形 引起载荷沿齿宽方向分布不均匀的影响系数。,(1)轴的弯曲变形：当齿轮相对轴承布置 不对称时，齿面上的载荷 沿接触线分布不均匀,(2)轴的扭转变形受转矩作用的轴也会产生载荷沿齿宽分布不均。且靠近转矩输入端一侧，轮齿载荷最大,(3)制造、安装误差、齿面跑合性、轴承及箱体的变形等对载荷集中均有影响。,当两轮均为硬齿面时： ；否则 。 宽径比 较小、齿轮在轴承间对称布置、轴的刚性较大时，取小值；反之 取大值。,减小的方法： 1.提高齿轮制造和安装精度； 2.提高轴承和箱体的刚度； 3.合理选择齿宽； 4.把齿轮布置在远离转矩输入端的位置(上图示)； 5.将齿侧沿齿宽方向进行修形或将齿面做成鼓形,、齿间载荷分配系数K,齿轮工作时的弹性变形和制造误差 在双对齿啮合区内时载荷在两对齿上的分布不均匀。 其原因是：载荷作用点的位置在啮合线上是不断变化 轮齿的刚度不断变化 刚度大者承担载荷也大 载荷在齿间分配不均匀。,直齿圆柱齿轮：. 斜齿圆柱齿轮：. (齿轮精度>7级) . (齿轮精度<7级) 精度低、硬齿面时，取大值；反之取小值。,齿轮的重合度、齿面硬度、齿顶修缘对齿间载荷分配不均也有影响。,四 齿轮传动的失效形式,1轮齿折断有过载折断（短时突然过载引起）、疲劳折断（循环弯曲应力作用引起）两种情况,轮齿折断,齿面损伤,疲劳点蚀,磨损,胶合,塑性变形,疲劳断齿原因： ）齿根弯曲应力过大，即：FFP（许用弯曲应力） ）齿根有应力集中。 ）过载折断：齿轮严重过载或受大冲击载荷作用,措施： ）合理设计：保证FFP （许用弯曲应力）；增大模数；采用正变位齿轮，以增大齿根的厚度；增大齿根圆半径，消除齿根加工的刀痕。 ）改善材料性能：选用合适的材料和热处理方法，使齿根芯部有足够的韧性 ；对齿根处进行喷丸、辊压等强化处理工艺 。,2齿面点蚀齿面金属脱落而形成麻点状小坑，称为齿面疲劳点蚀。,疲劳点蚀部位 一般多出现在节线附近的齿根表面上，然后再向其它部位扩展,产生原因：）节线处同时啮合齿对数少，接触应力大；,）节点处齿廓相对滑动速度小，油膜不易 形成，摩擦力大,措施 ：）合理设计 H HP （许用接触应力）采用高黏度的油（容易形成油膜）变位齿轮 （增大齿轮的综合曲率半径）4) 提高齿面硬度，降低齿面粗糙度,早期点蚀 破坏性点蚀 点蚀实例,开式齿轮传动中，齿面的点蚀还来不及出现或扩展就被磨去，因此一般不会出现点蚀。,3齿面磨损 轮齿接触表面上材料因摩擦而发生损耗的现象。 后果： 1.齿廓形状破坏，引起冲击、振动和噪声；.由于齿厚减薄而可能发生轮齿折断。,原因： 齿面间落入砂粒、铁屑、非金属物等磨料性物质时，发生磨料磨损 。,措施 ：）闭式传动,改善密封和润滑条件；）保持油的清洁，定期换油，油中加入减摩添加剂；）提高齿面硬度。,4齿面胶合,在一定的温度或压力作用下，发生粘着，随着齿面的相对运动，使金属从齿面上撕落而引起严重的粘着磨损现象。,热胶合：在重载高速齿轮传动中，由于啮合处产生很大的摩擦热，导致局部温度过高，使齿面油膜破裂，产生两接触齿面金属融焊而粘着。,冷胶合：在重载低速齿轮传动中，由于局部齿面啮合处压力很高，且速度低，不易形成油膜，使接触表面膜被刺破而粘着。,措施 ： ）减小模数、降低齿高，以减小齿面的相对滑动速度；2）采用角度变位齿轮和修形齿轮； ）采用抗胶合能力强的润滑油(极压油) ； ）提高齿面硬度，降低齿面粗糙度值。,5齿面塑性变形 轮齿材料因屈服产生塑性流动而形成齿面的塑性变形。其后果，使齿面失去正确的齿形，在齿面节线处产生凸棱。,主动轮塑性变形 从动轮塑性变形,原因： 轮齿材料较软，载荷及摩擦力又很大时，轮齿在啮合过程中，齿面表层的材料就会沿着摩擦力的方向产生塑性变形,措施 ： ）提高齿面硬度； ）采用粘度高的润滑油，减少摩擦力。,主要失效形式：齿面疲劳点蚀，也可能发生轮齿折断及其他失效形式。 计算准则：按接触疲劳强度的设计公式确定主要尺寸，然后校核弯曲疲劳强度。,五齿轮传动的计算准则,主要失效形式：轮齿折断，或发生点蚀、胶合等失效。 计算准则：按弯曲疲劳强度的设计公式确定模数，然后校核接触疲劳强度。,主要失效形式:齿面磨损，但往往又因轮齿磨薄后而发生折断。 计算准则：按轮齿齿根弯曲疲劳强度设计，但适当降低（20%）许用应力以考虑磨损的影响。,闭式齿轮传动,开式齿轮传动,一对齿轮或 一轮齿为 软齿面,一对齿轮 均为硬齿面,§5-7 齿轮材料及许用应力,轮齿齿面 有足够的硬度和耐磨性，有利于提高齿面抗点蚀、胶合、磨损及塑性变形的能力；,轮齿芯部 有足够的抗弯曲强度及冲击韧性；齿轮加工及热处理性能好；,非金属材料 夹布胶木、塑料用于高速、小功率、精度不高或要求低噪声的齿轮,中碳钢 45、50钢,中碳合金钢 40 Cr、35 SiMn,低碳合金钢 20 Cr、20 SiMnTi,ZG310-570、ZG340-640用于尺寸大齿轮,灰铸铁 HT250、HT300 ,球墨铸铁 QT500-5、QT600-2,铸钢,三. 齿轮的热处理方法,1软齿面齿轮（硬度350HBS）,处理方法 加热、保温、空冷,齿面硬度 150230 HBS,适用钢材 中碳钢、中碳合金钢,应 用 重型、大尺寸齿轮,处理方法 淬火后高温回火,齿面硬度 180350 HBS,适用钢材 中碳钢、中碳合金钢,应 用 中低速、中小载荷，无特殊结构要求的齿轮,特 点 可在热处理后进行切齿,注意事项 当一对齿轮均为软齿面齿轮时，由于小齿轮的啮合次数较大齿轮多，所以小齿轮的齿面硬度一般应比大齿轮高3050HBS。,2硬齿面齿轮（硬度>350HBS）,处理方法 调质后，表面加热（高频或火焰），水冷,齿面 4045 HRC,适用钢材 中碳钢、中碳合金钢,应用高速、重载，要求结构紧凑的齿轮，如变速箱齿轮,