杨可桢机械设计chap11齿轮传动课件

1、Chap 11 Chap 11 齿轮传动齿轮传动主要内容失效形式失效形式直齿圆柱齿轮传动的强度计算直齿圆柱齿轮传动的强度计算斜齿圆柱齿轮传动受力分析与强度计算斜齿圆柱齿轮传动受力分析与强度计算直齿圆锥齿轮传动强度计算直齿圆锥齿轮传动强度计算齿轮的构造、润滑和效率齿轮的构造、润滑和效率本章重点直齿圆柱齿轮传动受力分析和强度计算直齿圆柱齿轮传动受力分析和强度计算斜齿圆柱齿轮传动受力分析与强度计算斜齿圆柱齿轮传动受力分析与强度计算11-1 轮齿的失效形式轮齿的失效形式 齿轮传动的失效主要发生在齿轮传动的失效主要发生在轮齿轮齿部分，常见失效形式有五种。部分，常见失效形式有五种。1. 轮齿折断轮齿折断一

2、、一、 齿轮传动的种类：齿轮传动的种类： 闭式传动：传动的齿轮封闭在刚性的箱体内，用闭式传动：传动的齿轮封闭在刚性的箱体内，用 于重要场合。于重要场合。 开式传动：齿轮是外露的，只宜于低速场合。开式传动：齿轮是外露的，只宜于低速场合。二、二、 失效形式失效形式 过载折断过载折断 疲劳折断疲劳折断 发生在齿根发生在齿根轮齿单侧工作时，受脉动循环应力轮齿单侧工作时，受脉动循环应力轮齿双侧工作时，受对称循环应力轮齿双侧工作时，受对称循环应力 2 2 齿面点蚀齿面点蚀接触疲劳磨损接触疲劳磨损 （2 2） 接触应力接触应力(变应力变应力)微小裂纹微小裂纹扩展扩展表面被剥落表面被剥落 形成细小的凹坑形成细

3、小的凹坑(麻点麻点) 报废报废 （3 3）出现位置：齿根表面接近节线处）出现位置：齿根表面接近节线处 （4 4）影响因素：齿面硬度）影响因素：齿面硬度，抗点蚀能力，抗点蚀能力 软齿面（软齿面（HBS350HBS350）的闭式齿轮常见失效形式。）的闭式齿轮常见失效形式。（1）齿面接触应力：）齿面接触应力：0 max0max0（脉动循环应力）（脉动循环应力）3 3 齿面胶合齿面胶合( (粘着磨损粘着磨损) ) (1) 定义定义：高速重载齿轮传动，因齿面间压力大、相对滑动高速重载齿轮传动，因齿面间压力大、相对滑动速度大，在啮合处摩擦发热多，产生瞬间高温，速度大，在啮合处摩擦发热多，产生瞬间高温，使油

4、膜破裂，造成齿面金属直接接触并相互粘着，使油膜破裂，造成齿面金属直接接触并相互粘着，而后随齿面相对运动，又将粘接金属撕落，使齿而后随齿面相对运动，又将粘接金属撕落，使齿面形成条状沟痕，产生齿面热胶合。面形成条状沟痕，产生齿面热胶合。(2) 解决办法：解决办法：提高齿面硬度，提高齿面硬度， 减小粗糙度；减小粗糙度；润滑：润滑： 低速时，采用粘度大的润滑油低速时，采用粘度大的润滑油 高速时，采用抗胶合添加剂的高速时，采用抗胶合添加剂的 润滑油润滑油4 4 齿面磨损齿面磨损 (1) 磨粒磨损：磨粒磨损：开式齿轮开式齿轮 现象：齿廓显著变形现象：齿廓显著变形严重噪音和振动严重噪音和振动传动失效传动失效

5、 避免：采用闭式齿轮，减小粗糙度值，良好润滑。避免：采用闭式齿轮，减小粗糙度值，良好润滑。 (2)(2)跑合跑合：新齿轮副粗糙度新齿轮副粗糙度导致尖峰接触导致尖峰接触压强压强磨损磨损 速速度、量度、量，一定程度，摩擦面光滑，压强，一定程度，摩擦面光滑，压强 磨损速度磨损速度。 轻载：跑合是有利的，之后要进行清洗和更换润滑油。轻载：跑合是有利的，之后要进行清洗和更换润滑油。5 5 齿面塑性变性：齿面塑性变性： 较软的轮齿，重载、低速、振动中产生。较软的轮齿，重载、低速、振动中产生。11-2 齿轮的材料及热处理齿轮的材料及热处理一、齿轮的材料齿轮的材料 要求：外硬内韧、抗弯强度、耐磨性好要求：外硬

6、内韧、抗弯强度、耐磨性好 锻钢锻钢 铸钢铸钢 直径大于直径大于400600mm 铸铁铸铁 常用常用表表11-1调质：调质：220 260HBS正火：比调质低正火：比调质低表面淬火：表面淬火：52 56HRC渗碳淬火：渗碳淬火： 56 62HRC渗氮：渗氮： 60 62HRC11-3 齿轮传动的精度齿轮传动的精度1. GB/T10095-88：12个精度等级，个精度等级，112, 常用常用6 9级级2. 精度等级选择精度等级选择:分三组：分三组：准确性、稳定性、载荷分布均匀性准确性、稳定性、载荷分布均匀性 传动用途、使用条件、圆周速度、传动功率及性能指标等传动用途、使用条件、圆周速度、传动功率及

7、性能指标等3. 14种齿厚偏差种齿厚偏差一、误差的形式一、误差的形式 齿形误差、齿距误差、齿向误差、轴向不平行度误差齿形误差、齿距误差、齿向误差、轴向不平行度误差二、误差的影响二、误差的影响1 传递准确性：啮合传动一周内，实际转角传递准确性：啮合传动一周内，实际转角理论转角理论转角2 传动稳定性：瞬时传动比不恒定传动稳定性：瞬时传动比不恒定转速波动转速波动3 载荷分布均匀性：齿向误差引起载荷分布均匀性：齿向误差引起三、齿轮的精度等级三、齿轮的精度等级11-4 直齿直齿圆柱齿轮传动的作用力及计算载荷圆柱齿轮传动的作用力及计算载荷一、轮齿的受力分析轮齿的受力分析 假定假定集中载荷代替均布载荷集中载

8、荷代替均布载荷设由一对齿承担设由一对齿承担略去摩擦力略去摩擦力齿轮齿轮1为主动为主动齿轮齿轮2为从动为从动总作用力总作用力Fn(齿合点为公法线上齿合点为公法线上) (1) 作用点：作用点：Fn作用在作用在齿宽中点齿宽中点的分度圆上。的分度圆上。Ft圆周力圆周力(相切于节圆相切于节圆) Fr径向力径向力(沿半径方向指向齿面沿半径方向指向齿面(轮心轮心) (3) 方向：方向：主动轮：主动轮： Ft1与轮与轮1转向相反转向相反 Fr1由作用点指向轴心由作用点指向轴心O1被动轮：被动轮： Ft2与轮与轮2转向相同转向相同 Fr2由作用点指向轴由作用点指向轴O2(2) 大小大小齿轮齿轮1 齿轮齿轮2 1

9、.受力分析受力分析2. 计算载荷计算载荷（1）Fn名义载荷名义载荷，理论上沿齿宽方向分布，理论上沿齿宽方向分布（2）计算载荷计算载荷：由于原动机及工作机的性能、齿由于原动机及工作机的性能、齿 轮制造及轮制造及 安装误差、齿轮及其支撑件变形安装误差、齿轮及其支撑件变形 等因素的影响等因素的影响 实际载荷名义载荷。实际载荷名义载荷。计算载荷计算载荷=载荷系数载荷系数名义载荷名义载荷 故：强度计算按计算载荷计算，故：强度计算按计算载荷计算， 一般一般K=11.8 （表（表11-3） 在计算齿轮传动的强度时，用载荷系在计算齿轮传动的强度时，用载荷系数数K对名义载荷进行修正，名义载荷与载对名义载荷进行修

10、正，名义载荷与载荷系数的乘积称为荷系数的乘积称为计算载荷计算载荷。11-5 直齿直齿圆柱齿轮传动的齿面接触强度计算圆柱齿轮传动的齿面接触强度计算1 齿面最大接触应力：齿面最大接触应力： 为了简化计算，节点接触情况为了简化计算，节点接触情况用一对轴线平行的圆柱体代替，最用一对轴线平行的圆柱体代替，最大接触应力位于接触区中线。大接触应力位于接触区中线。利用赫兹利用赫兹 (HHertz)公式：公式： 闭式齿轮传动失效形式：齿面接触疲劳点蚀闭式齿轮传动失效形式：齿面接触疲劳点蚀齿面接触强度齿面接触强度 轮齿弯曲疲劳折断轮齿弯曲疲劳折断轮齿弯曲强度轮齿弯曲强度 “+”：外啮合，：外啮合， “-”：内啮合

11、：内啮合（1）综合曲率半径）综合曲率半径点蚀多发生在节点附近点蚀多发生在节点附近只计算节点处的只计算节点处的H H令令齿数比齿数比：=d=d2 2/d/d1 1=Z=Z2 2/Z/Z1 1, ,则则a=(da=(d2 2d d1 1) )/2= d d1 1(1 1)/2，得：，得：sin21sin)(21111212211221ddddd节点处的参数节点处的参数（2）计算法向力：）计算法向力：（3）其它参数：）其它参数：一对钢制齿轮，一对钢制齿轮，E1=E2=2.06105MPa, 1=2=0.3, =20（4）) 1(335213HHbaKT齿宽系数齿宽系数a=b/a，则得：，则得：aHK

12、Ta123335) 1(MPamm11-5 直齿直齿圆柱齿轮传动的轮齿弯曲强度计算圆柱齿轮传动的轮齿弯曲强度计算危险截面危险截面：齿根某处齿根某处30切线法确定切线法确定目的目的：防止折断防止折断 FncosF F( (弯曲弯曲) )FnSinF F压缩压缩( (略去略去) )危险截面的弯曲截面系数：危险截面的弯曲截面系数： W=bsF 2/6齿根危险截面的弯曲力矩：齿根危险截面的弯曲力矩： M=KFnhFcos F F1 分析分析2 校核与设计校核与设计危险截面的弯曲应力：危险截面的弯曲应力： 22cos)(cos)(6cos)(cos)(6coscos6cos6211122FFFFFFFF

13、FFFtFFFtFFFnFzbmYKTmbdYKTmSmhYmSmhbmKFSbhKFSbhKFWM令) 1(42113FaFzYKTm令令a=b/a，11FFY22FFY代入代入 较大者，较大者，m应大于应大于1.5F F计算：计算：F F= FllimFllim/S/SF F，图，图11-1011-10 双侧工作时，双侧工作时，取取 0.70.7FllimFllim S SF F: : 表表11-4 S11-4 SF FSSH H(1)(2)例例11-1:某两级圆柱齿轮减速器用电动机驱动某两级圆柱齿轮减速器用电动机驱动,单向运转单向运转,载荷载荷有中等冲击。高速级传动比有中等冲击。高速级传

14、动比i=3.7，高速轴转速，高速轴转速n1=745r/min，传动功率传动功率P=17KW，采用软齿面，设计此高速级传动。，采用软齿面，设计此高速级传动。解解: (1) 选择材料、确定许用应力选择材料、确定许用应力H、 F 小齿轮用小齿轮用40MnB调质，齿面硬度：调质，齿面硬度：260HBS（表（表11-1） 大齿轮用大齿轮用ZG35SiMn调质，齿面硬度：调质，齿面硬度：225HBS（表（表11-1）查表查表 Hlim1=700MPa, Hlim2=540MPa(图图11-7c)，SH=1.1(表表11-4) Flim1 =240MPa, Flim2=180MPa(图图11-7c)，SF=

15、1.3(表表11-4)lim117006361.1HHHMPaSlim225404911.1HHHMPaSlim112401851.3FFFMPaSlim221801381.3FFFMPaS(2)按齿面接触强度设计按齿面接触强度设计表表11-3：取载荷系数：取载荷系数K=1.5，P165：取：取a=0.4小齿轮转距：小齿轮转距：T1=9.55106 P/n1= 9.55106 17/745=2.18106 Nmm u=i=z2/z1=3.7齿数：取齿数：取z1=32， z2= u z1=3.7 3.2=118, 实际传动比实际传动比i=3.69按表4-1，取m=3mm中心距：中心距：a=m(z

16、1 +z2)/2=3(332+118)/2=225 齿宽：齿宽：b= aa=0.4 225=90mm 取取b2 = 90mm, b1=95mm（大一点）（大一点）a220 mm(3)齿轮的圆周速度齿轮的圆周速度图图11-9：齿形系数：齿形系数 YF1=2.57, YF2=2.18(3)验算轮齿弯曲强度验算轮齿弯曲强度113327453.74/601000601000d nvms表表11-2：取：取8级精度即可。级精度即可。10-7 标准斜齿圆柱齿轮传动标准斜齿圆柱齿轮传动1. 旋向旋向: 左、右旋左、右旋 的判断的判断(-分度圆柱上的螺旋角分度圆柱上的螺旋角)一、受力分析一、受力分析2 n 的

17、分解的分解 t21d1rttgncosattg 3 作用力的大小作用力的大小：n 圆周力圆周力t 径向力径向力r 轴向力轴向力a轴向力轴向力a的判断的判断: 主动轮的左、右手定则主动轮的左、右手定则4 方向方向t与与r的判断与直齿轮相同的判断与直齿轮相同二二 强度计算强度计算(2) 设计公式设计公式3213051HKTauumm按轮齿的法面进行分析，按轮齿的法面进行分析， 强度可按当量齿轮强度计算。强度可按当量齿轮强度计算。 特点：特点：大，同时参与啮合的齿数多大，同时参与啮合的齿数多 当量齿轮的分度圆半径大当量齿轮的分度圆半径大故：斜齿轮的弯曲强度与接触强度比直齿轮高。故：斜齿轮的弯曲强度与

18、接触强度比直齿轮高。齿面接触强度齿面接触强度(1) 校核公式校核公式 3121305 HHuKTubaPa 305285305335305250305335钢钢铸佚铸佚铸佚铸佚铸佚铸佚轮齿弯曲强度轮齿弯曲强度112111.61.6cosFFFFnnKTYKTYbm dbm z321213.2cos(1)FnaFKT Ymz(1) 校核公式校核公式(2) 设计公式设计公式 Pamm 斜齿轮传动设计计算说明斜齿轮传动设计计算说明 (1) 初选螺旋角初选螺旋角: 一般一般=1215 (2) 齿形系数齿形系数由由当量齿数当量齿数zv取得图取得图11-9 (3) 法面模数法面模数n 取标准取值取标准取值

19、 (4) 几何尺寸计算：几何尺寸计算：中心距中心距a取整数取整数 修正修正角角计算直径、齿宽计算直径、齿宽11-8 标准直齿圆锥齿轮传动标准直齿圆锥齿轮传动一、一、 轮齿的受力分析轮齿的受力分析1. n 的分解：同斜齿轮的分解：同斜齿轮2. 作用力的大小作用力的大小 t21m1 rttgcos1 attgsin1 a 由小端指向大端由小端指向大端标准值标准值大端参数大端参数设计计算设计计算齿宽中点处当量齿轮齿宽中点处当量齿轮Z1b1t1 =t2r1 =a2 a1 =r23. 主从关系主从关系 二、二、 齿根弯曲疲劳强度计算齿根弯曲疲劳强度计算三、三、 齿面接触疲劳强度计算齿面接触疲劳强度计算1

20、1-9 齿轮的构造齿轮的构造 齿轮结构设计主要确定齿轮的轮缘、轮毂及腹板（轮辐）齿轮结构设计主要确定齿轮的轮缘、轮毂及腹板（轮辐）的结构形式和尺寸大小。齿轮结构形式有以下四种的结构形式和尺寸大小。齿轮结构形式有以下四种:1. 齿轮轴齿轮轴 齿轮的齿根圆到键槽底面的距离齿轮的齿根圆到键槽底面的距离e很小，为保证轮毂键槽很小，为保证轮毂键槽足够的强度，应将齿轮与轴作成一体，形成齿轮轴。足够的强度，应将齿轮与轴作成一体，形成齿轮轴。2. 实心齿轮实心齿轮 3. 辐板式齿轮辐板式齿轮4. 轮辐式齿轮轮辐式齿轮 对于齿轮直径对于齿轮直径da500mm时，采用时，采用轮辐式结构轮辐式结构。多为铸造齿。多为

21、铸造齿轮。轮辐剖面形状可以采用椭圆形（轻载）、十字形（中载）、轮。轮辐剖面形状可以采用椭圆形（轻载）、十字形（中载）、及工字形（重载）等。及工字形（重载）等。11-10 齿轮传动的润滑和效率齿轮传动的润滑和效率 一、一、 齿轮传动的润滑具有特殊性齿轮传动的润滑具有特殊性 (1) 轮齿形成油楔的条件差；轮齿形成油楔的条件差； (2) 啮合齿面间压力大，而且相对滑动的大小和方向变化大，啮合齿面间压力大，而且相对滑动的大小和方向变化大， 齿轮常处于边界润滑和混合润滑状态；齿轮常处于边界润滑和混合润滑状态； (3) 每次啮合都要重新建立油膜，润滑是断续的；每次啮合都要重新建立油膜，润滑是断续的； (4

22、) 载荷大，摩擦热也大，易使油温上升，加速油膜的破坏载荷大，摩擦热也大，易使油温上升，加速油膜的破坏 (5) 齿轮的材料、热处理、加工和装配精度及齿面粗糙度等齿轮的材料、热处理、加工和装配精度及齿面粗糙度等影响因素。影响因素。 因此，齿轮传动的合理润滑设计是十分重要的。因此，齿轮传动的合理润滑设计是十分重要的。1 润滑油的种类润滑油的种类 用于一般用于一般闭式齿轮传动闭式齿轮传动的润滑油分为三种：的润滑油分为三种： L-CKB抗氧防锈型工业齿轮油抗氧防锈型工业齿轮油 L-CKC中载荷工业齿轮油中载荷工业齿轮油 L-CKD重载荷工业齿轮油重载荷工业齿轮油 用于用于开式齿轮传动开式齿轮传动的为开式工业齿轮油及润滑脂。的为开式工业齿轮油及润滑脂。二、润滑油的种类及选择二、润滑油的种类及选择 (1) 根据齿面接触应力、齿轮状况和使用工况选择根据齿面接触应力、齿轮状况和使用工况选择(2)根据润滑油的根据润滑油的粘度粘度从手册中选取。从手册中选取。2 润滑油的选择润滑油的选择 三、润滑方式的选择三、润滑方式的选择 1 油池润滑油池润滑 闭式齿轮传动的润滑方式取决于齿轮的圆周速度闭式齿轮传动的润滑方式取决于齿轮的圆周速度v。当。当v12m/s时，常采用油池润滑，即大齿轮浸入油池中，靠大时，常采用油池润滑，即大齿轮