齿轮传动与蜗杆传动辅导

1、齿轮传动与蜗杆传动辅导一、失效分析和设计准则1轮齿的失效分析齿轮传动的失效发生在轮齿表面或齿体，主要失效形式有轮齿折断、齿面点蚀、齿面磨损、齿面胶合和齿面塑性变形。讨论这些失效的目的是为了研究对策，建立相应的设计准则。在学习中应注意掌握这五种失效形式的概念，弄清发生失效的条件、原因和失效发生的部位，了解为避免发生失效而采取的相应措施。2设计准则一般闭式齿轮的主要失效形式是齿面点蚀和齿根弯曲疲劳折断，设计时应以齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度作为其承载能力的计算依据。开式齿轮的主要失效形式是齿面磨损和轮齿折断，不会发生点蚀。由于当前尚无较成熟的磨损计算方法，因此只进行齿根弯曲疲劳强度计算，把求

2、得的模数增大1020，以考虑轮齿磨薄的影响。二、齿轮材料及热处理1齿轮材料的选用原理对齿轮材料的基本要求是：材料具有足够的强度，齿面要硬、齿芯要韧，以抵抗各种齿面失效和齿根的折断。选择材料及热处理方法应根据齿轮的载荷、精度、传动方式以及其他工作条件的要求。为使两轮寿命接近，还应合理选择材料配对，通常令小齿轮硬度略高于大齿轮。2常用材料及热处理齿轮的常用材料是锻钢，其次为铸钢、铸铁及非金属材料。（1）锻钢和铸钢对于一般工作要求和加工条件，可采用软齿面（硬度350HBS）齿轮，通常由中碳钢或中碳合金钢正火或调质处理后切齿。在工作要求较高、加工条件较好时，应采用硬齿面齿轮，常用方法是低碳钢渗碳淬火或

3、中碳钢表面淬火，但热处理后需要磨齿。铸钢常用于制造高强度的大型齿轮，齿坯一般都应经正火处理，其机械性能低于锻钢。（2）铸铁用于制造齿轮的铸铁有灰铸铁和球墨铸铁，灰铸铁机械性能较差，多用于开式齿轮传动；球墨铸铁的机械性能接近于铸钢，有时可作为代用材料使用。（3）非金属材料用于制造齿轮的非金属材料主要有尼龙、夹布胶木等工程塑料。这些材料制成的齿轮噪声小、重量轻、耐腐蚀。但由于强度低，多用于高速轻载的场合。三、圆柱齿轮的受力分析齿轮传动的受力分析为进行齿轮强度计算提供计算载荷，同时也为轴和轴承的设计提供原始数据。圆柱齿轮传动的受力分析是要求熟练掌握的重点内容，应结合图8-27、8-29熟记各力的计算

4、公式。各分力方向的判断是有规律的。圆周力：作用于主动轮上的圆周力与齿轮转向相反，而从动轮上的圆周力与齿轮转向相同。径向力：不论主、从动轮，其径向力均由作用点指向各自轮心。斜齿轮轴向力的方向为沿轴向指向受力齿面，受力齿面是两轮传力时的接触齿面，由齿轮转向和主从动轮确定。具体判断方法见教材144页所述“左、右手法则”。四、圆柱齿轮的强度计算本节学习重点是直齿圆柱齿轮接触强度和弯曲强度的计算。计算公式不要求记忆，但应做到：（1）了解建立公式的力学模型、计算依据；（2）掌握公式中各参数的意义、单位；（3）能正确运用公式进行强度计算和齿轮强度分析。1计算载荷齿轮工作时，原动机和工作机的载荷波动将引起动载

5、荷，齿轮本身的啮合误差也会引起附加动载荷。同时，若齿轮所在轴系刚度不足，齿轮制造和安装误差较大，还可能引起偏载和局部载荷集中。在设计齿轮传动时，应按实际工作条件对名义载荷Fn进行修正，采用计算载荷Fnc。通常，用载荷系数K综合考虑动载和偏载的影响，齿轮的计算载荷为Fnc=KFn。2齿面接触疲劳强度计算齿轮啮合传动时，齿面接触处相当于一对平行圆柱体接触传力。当轮齿在节点接触时，多为一对齿传力，接触应力大而易发生点蚀。所以设计时以节点处的接触应力为计算依据，限制其接触应力HH。一对齿轮啮合，接触应力由两个齿轮的参数共同决定，H1=H2。但由于材料及热处理条件不同，两个齿轮的许用接触应力也不相同，H

6、值小则接触强度弱，是危险齿轮。因此计算中应取较小的H值。由齿面接触强度的校核公式可知，一定载荷条件下提高齿轮接触强度的措施是加大中心距、增大齿宽或选强度较高的材料。3齿根弯曲疲劳强度计算轮齿弯曲强度计算的力学模型有如悬臂梁，受载后齿根部产生最大弯曲应力，是弯曲疲劳的危险点。当力作用在齿顶时，齿根危险截面上有最大弯距。因此，弯曲强度的计算依据是按力作用于齿顶的条件，限制齿根危险截面上的弯曲应力FF。一对齿轮啮合，其大小齿轮的齿数不同，齿形系数YFS也不相同。小轮齿数少而YFS1值较大，YFS1YFS2。因而小齿轮的计算应力较大，F1F2。但考虑到大小齿轮在工作条件上的差别，小齿轮的材料强度和硬度

7、一般要高于大齿轮，F1 F2。因此，应综合比较两个齿轮的YFS/F的值，此值大者则弯曲强度弱，在设计公式中应代入大值进行计算。由校核公式可知，加大模数、齿宽和齿数都能够降低应力而提高弯曲疲劳强度。其中，加大模数的效果最明显。在闭式齿轮传动中，软齿面齿轮最易发生疲劳点蚀，在设计时先按接触疲劳强度求出中心距，再进行弯曲疲劳强度校核；而硬齿面齿轮则易发生轮齿折断，一般可先按弯曲疲劳强度求出模数m，然后再校核齿面接触强度。开式齿轮主要失效形式是磨损，但目前尚无成熟的计算方法，一般按齿根弯曲疲劳强度计算，把求得的模数增大1020，以考虑轮齿磨薄的影响。 五、直齿圆柱齿轮传动的设计1设计内容（1）选择齿轮

8、材料及热处理；（2）选定齿轮的传动精度；（3）选定齿轮的传动参数。主要参数有：模数m，齿数Z1、Z2，中心距a，齿宽b。（4）确定齿轮的结构型式和尺寸；（5）选择齿轮的润滑方式和润滑剂。2设计思路由于齿轮传动的工作各不相同，设计齿轮首先应进行失效分析、确定设计准则，在此基础上再选材和确定参数。齿轮的传动参数可用经验法、类比法或计算法确定，设计结果应满足运动关系、几何关系和强度条件。3设计步骤（1）初定参数Z1、Z2，按齿面接触疲劳强度设计a，b，再校核齿根弯曲疲劳强度，FF（2）初定参数Z1、Z2，按齿根接触疲劳强度设计m，再校核齿面接触疲劳强度，HH。在设计时，可根据原始条件、失效分析选定一

9、种设计方法，并拟定设计步骤。4参数选择齿轮设计参数的选取与齿轮传动的工作条件和设计要求有关，设计者应考虑上述条件并参照齿轮设计参数的一般选择原则来确定它们。下面是齿轮主要设计参数的推荐使用范围，供设计时参考：（1）齿数比u u5（2）齿数Z1 闭式齿轮 Z11825 开式齿轮 Z11720（3）模数m 动力传动m1.5mm，常用m=28mm（4）齿宽系数a 减速器齿轮 a=0.30.4； 变速器齿轮 a=0.10.2 开式齿轮 a=0.10.3六、齿轮的结构与润滑1轮体的结构齿轮轮体的结构型式取决于齿轮的材料、尺寸、齿坯工艺及使用条件等因素，通常采用经验设计方法完成。常用的结构型式有齿轮轴、盘

10、式齿轮、辐板式及辐条式齿轮、双联齿轮等。教材中给出了各种结构型式齿轮的参考尺寸范围、结构图及经验公式，对此内容应有一大致了解，以便在结构设计时查阅、选用。2齿轮的润滑合理润滑是保证齿轮正常运转的必要条件，如果齿轮润滑不良，将引起发热、齿面磨损或胶合，使齿轮很快失效。润滑设计的内容是选定润滑方式和润滑剂。开式齿轮速度低，常用定期人工加油润滑；润滑剂常选用粘度高的沥青质开式齿轮油，也可使用润滑脂。闭式齿轮的润滑方式取决于齿轮的圆周速度，一般闭式齿轮常采用油浴润滑。七、蜗杆传动1蜗杆传动的受力分析蜗杆传动受力分析类似于斜齿轮，但由于齿面滑动摩擦大，不能忽略啮合摩擦损失；又因蜗杆与蜗轮两轴交错，各分力

11、的对应关系与斜齿轮也不同，如图9-5所示。受力关系式中，T1、T2分别为蜗杆和蜗轮的转矩，由T2=T1·i·可知，计入啮合效率即表示在受力分析中已经计入了齿面摩擦力。判断蜗杆蜗轮受力方向的方法类似斜齿轮传动，蜗杆轴向力Fa1的指向可利用教材158页所述“左、右手法则”。2失效分析和设计准则蜗杆传动的失效形式与齿轮传动相似，但传动过程中齿面滑动摩擦大，其主要失效形势是胶合和磨损。蜗杆传动的强度取决于蜗轮轮齿，由于胶合与磨损尚无成熟计算方法，当前仍沿用齿轮轮齿的计算方法。（1）开式蜗杆传动轮齿易磨损，按蜗轮齿根弯曲疲劳强度设计时，应适当考虑磨损对轮齿强度的影响。（2）闭式蜗杆传

12、动则按齿面接触强度计算，限制齿面接触应力以避免胶合和点蚀。3蜗杆蜗轮常用材料蜗杆蜗轮材料的一般选用原则是：材料在满足一定强度条件下，具备良好的减摩性、耐磨性和抗胶合性。蜗杆常用材料为优质碳素钢或合金钢，可用表面淬火或调质等热处理方法提高性能。蜗轮材料有铸铁、铝青铜、锡青铜等，可根据滑动速度来选择。4蜗杆传动的效率和热平衡计算（1）蜗杆传动的效率在计算蜗杆传动的效率时应考虑啮合摩擦、轴承摩擦和搅油油阻三部分功率损耗。通常，轴承摩擦效率和搅油油阻效率取为0.950.97；啮合效率可按螺旋传动的效率公式计算。（2）热平衡的计算连续工作的闭式蜗杆传动，如果摩擦所产生的热量不能及时散发，将引起油温上升而导致胶合，因此要进行热平衡计算以控制油的温度。所谓热平衡就是在蜗杆传动工作一段时间后，传动中单位时间的发热量与传动装置通过介质在单位时间内散热量逐渐接近而达到平衡，此时油温不再继续上升。由热平衡条件，可得蜗杆