平行轴线齿轮传动下PPT教案

1、平行轴线齿轮传动下平行轴线齿轮传动下设计：潘存云第七节第七节 齿轮传动的失效形式及设计准则齿轮传动的失效形式及设计准则轮齿折断轮齿折断1、失效形式失效形式设计：潘存云潘存云教授研制第1页/共38页轮齿折断轮齿折断1、失效形式失效形式齿面点蚀齿面点蚀第七节第七节 齿轮传动的失效形式及设计准则齿轮传动的失效形式及设计准则第2页/共38页轮齿折断轮齿折断1、失效形式失效形式齿面点蚀齿面点蚀齿面胶合齿面胶合措施：措施： 1.提高齿面硬度提高齿面硬度2.减小齿面粗糙度减小齿面粗糙度3.增加润滑油粘度增加润滑油粘度4.加抗胶合添加剂加抗胶合添加剂第七节第七节 齿轮传动的失效形式及设计准则齿轮传动的失效形式

2、及设计准则第3页/共38页设计：潘存云轮齿折断轮齿折断1、失效形式失效形式齿面点蚀齿面点蚀齿面胶合齿面胶合齿面磨损齿面磨损措施：措施：1.减小齿面粗糙度减小齿面粗糙度2.改善润滑条件改善润滑条件磨粒磨损磨粒磨损跑合磨损跑合磨损第七节第七节 齿轮传动的失效形式及设计准则齿轮传动的失效形式及设计准则第4页/共38页设计：潘存云轮齿折断轮齿折断1、失效形式失效形式齿面点蚀齿面点蚀齿面胶合齿面胶合齿面磨损齿面磨损从动齿从动齿主动齿主动齿齿面塑性变形齿面塑性变形从动齿从动齿主动齿主动齿从动齿从动齿主动齿主动齿从动齿从动齿主动齿主动齿第七节第七节 齿轮传动的失效形式及设计准则齿轮传动的失效形式及设计准则第

3、5页/共38页2、设计准则、设计准则软齿面（硬度软齿面（硬度350HBS）的闭式齿轮传动：）的闭式齿轮传动：齿面抗点蚀能力差，润滑条件良好，齿面点蚀将是主要的失效形式。齿面抗点蚀能力差，润滑条件良好，齿面点蚀将是主要的失效形式。在设计计算时，通常按齿面接触疲劳强度设计，再作齿根弯曲疲劳在设计计算时，通常按齿面接触疲劳强度设计，再作齿根弯曲疲劳强度校核。强度校核。 硬齿面（硬度硬齿面（硬度350HBS）的闭式齿轮传动：）的闭式齿轮传动：齿面抗点蚀能力强，但易发生齿根折断，齿根疲劳折断是主要失效齿面抗点蚀能力强，但易发生齿根折断，齿根疲劳折断是主要失效形式。在设计计算时，通常按齿根弯曲疲劳强度设计

4、，再作齿面接形式。在设计计算时，通常按齿根弯曲疲劳强度设计，再作齿面接触疲劳强度校核。触疲劳强度校核。当一对齿轮均为铸铁制造时，一般只需作轮齿弯曲疲劳强度设计计当一对齿轮均为铸铁制造时，一般只需作轮齿弯曲疲劳强度设计计算。算。对于开式传动，其主要失效形式将是齿面磨损，通常只按齿根弯曲对于开式传动，其主要失效形式将是齿面磨损，通常只按齿根弯曲疲劳强度设计，再考虑磨损，将所求得的模数增大疲劳强度设计，再考虑磨损，将所求得的模数增大1020。 第6页/共38页第八节第八节 齿轮常用材料及热处理齿轮常用材料及热处理常用常用齿轮材料齿轮材料优质碳素钢优质碳素钢合金结构钢合金结构钢铸钢铸钢铸铁铸铁热处理方

5、法热处理方法表面淬火表面淬火渗碳淬火渗碳淬火调质调质正火正火渗氮渗氮一般用于中碳钢和中碳合金钢，如一般用于中碳钢和中碳合金钢，如4545、40Cr40Cr等。表面淬火后轮齿变形小，可不磨齿，硬度可达等。表面淬火后轮齿变形小，可不磨齿，硬度可达5256HRC5256HRC，面硬芯软，能承受一定冲击载荷。，面硬芯软，能承受一定冲击载荷。1.表面淬火表面淬火高频淬火、火焰淬火高频淬火、火焰淬火第7页/共38页2.渗碳淬火渗碳淬火渗碳钢为含碳量渗碳钢为含碳量0.150.25%0.150.25%的低碳钢和低碳合金钢，如的低碳钢和低碳合金钢，如2020、20Cr20Cr等。齿面硬度达等。齿面硬度达5662

6、HRC5662HRC，齿面接触强度高，耐磨性好，齿芯韧性高。常用于受冲击载荷的重要传动。通常渗碳淬火后要磨齿。，齿面接触强度高，耐磨性好，齿芯韧性高。常用于受冲击载荷的重要传动。通常渗碳淬火后要磨齿。调质一般用于中碳钢和中碳合金钢，如调质一般用于中碳钢和中碳合金钢，如4545、40Cr40Cr、35SiMn35SiMn等。调质处理后齿面硬度为：等。调质处理后齿面硬度为：220260HBS 220260HBS 。因为硬度不高，故可在热处理后精切齿形，且在使用中易于跑合。因为硬度不高，故可在热处理后精切齿形，且在使用中易于跑合。3.调质调质第8页/共38页4.正火正火正火能消除内应力、细化晶粒、改

7、善力学性能和切削性能。机械强度要求不高的齿轮可用中碳钢正火处理。大直径的齿轮可用铸钢正火处理。正火能消除内应力、细化晶粒、改善力学性能和切削性能。机械强度要求不高的齿轮可用中碳钢正火处理。大直径的齿轮可用铸钢正火处理。渗氮是一种化学处理。渗氮后齿面硬度可达渗氮是一种化学处理。渗氮后齿面硬度可达6062HRC6062HRC。氮化处理温度低，轮齿变形小，适用于难以磨齿的场合，如内齿轮。材料为：。氮化处理温度低，轮齿变形小，适用于难以磨齿的场合，如内齿轮。材料为：38CrMoAlA.38CrMoAlA.5.渗氮渗氮第9页/共38页特点及应用：特点及应用：调质、正火处理后的硬度低，调质、正火处理后的硬

8、度低，HBS 350HBS 350，属软齿面，属软齿面，工艺简单、用于一般传动。当大小齿轮都是软齿面时，工艺简单、用于一般传动。当大小齿轮都是软齿面时，因小轮齿根薄，弯曲强度低，故在选材和热处理时，因小轮齿根薄，弯曲强度低，故在选材和热处理时，小轮比大轮硬度高小轮比大轮硬度高: 2050HBS: 2050HBS表面淬火、渗碳淬火、渗氮处理后齿面表面淬火、渗碳淬火、渗氮处理后齿面硬度高，属硬硬度高，属硬齿面。其承载能力高，但一般需要磨齿。常用于结构齿面。其承载能力高，但一般需要磨齿。常用于结构紧凑的场合。紧凑的场合。第10页/共38页第九节第九节 齿轮传动精度简介齿轮传动精度简介误差的影响：误差

9、的影响：1.1.转角与理论不一致，影响运动的不准确性；转角与理论不一致，影响运动的不准确性；2.2.瞬时传动比不恒定，出现速度波动，引起震动、瞬时传动比不恒定，出现速度波动，引起震动、 冲击和噪音影响运动平稳性；冲击和噪音影响运动平稳性；3.3.齿向误差导致轮齿上的载荷分布不均匀，使轮齿提齿向误差导致轮齿上的载荷分布不均匀，使轮齿提 前损坏，影响载荷分布的不均匀性。前损坏，影响载荷分布的不均匀性。国标国标GB10095-88GB10095-88给齿轮副规定了给齿轮副规定了1212个精度等级。其中个精度等级。其中1 1级最高，级最高，1212级最低，常用的为级最低，常用的为6 69级精度。级精度

10、。按照误差的特性及它们对传动性能的主要影响，将齿按照误差的特性及它们对传动性能的主要影响，将齿轮的各项公差分成三组，分别反映传递运动的准确性，轮的各项公差分成三组，分别反映传递运动的准确性，传动的平稳性和载荷分布的均匀性。传动的平稳性和载荷分布的均匀性。第11页/共38页 在一般情况下，可选三个公差组为同一精度等级，在一般情况下，可选三个公差组为同一精度等级，但也容许根据使用要求的不同，选择不同精度等级的但也容许根据使用要求的不同，选择不同精度等级的公差组组合。第公差组组合。第公差组精度等级公差组精度等级69级的选择可根级的选择可根据齿轮类型和圆周速度确定，第据齿轮类型和圆周速度确定，第公差组

11、一般不得低公差组一般不得低于第于第公差组的精度等级。公差组的精度等级。三个公差组三个公差组:第第公差组公差组运动准确性运动准确性第第公差组公差组传动平稳性传动平稳性第第公差组公差组载荷分布均匀性载荷分布均匀性 齿厚偏差有齿厚偏差有C、D、E、 F、G、H、J、K、L、M、N、P、R、S等等14种，每种代号所规定的齿厚偏差值种，每种代号所规定的齿厚偏差值均是均是f p t（齿距极限偏差）的数倍。（齿距极限偏差）的数倍。 第12页/共38页设计：潘存云O2O1tt1（主动）（主动）N1N2c d12 FnT1第十节第十节 渐开线直齿圆柱齿轮传动的设计计算渐开线直齿圆柱齿轮传动的设计计算一、一、轮齿

12、轮齿受力分析受力分析和计算载荷和计算载荷1112dTFtcos/tnFFtan=21trrFFF圆周力圆周力 径向力径向力 法向力法向力 小齿轮上的转矩小齿轮上的转矩 mmNnPPT161611055.910P P为传递的功率（为传递的功率（KWKW） 1 1 小齿轮上的角速度，小齿轮上的角速度，n n1 1 小齿轮上的转速小齿轮上的转速 d d1 1 小齿轮上的分度圆直径，小齿轮上的分度圆直径， 压力角压力角1、各作用力的大小及方向、各作用力的大小及方向O22（从动）（从动）O1N1N2tt1（主动）（主动）T1c d12d22 FtFrFnFn第13页/共38页2 2、计算载荷计算载荷F

13、Fn n 名义载荷名义载荷受力变形受力变形制造误差制造误差安装误差安装误差附加动载荷附加动载荷载荷集中载荷集中用计算载荷用计算载荷KFKFn n代替名义载荷代替名义载荷F Fn n以考虑载荷集中和附加动载荷的影响，以考虑载荷集中和附加动载荷的影响，K 载荷系数载荷系数Fnb( )maxFnb( )minFnc=KFn第14页/共38页设计：潘存云二、齿面接触疲劳强度计算二、齿面接触疲劳强度计算 O22（从动）（从动）O1N1N2tt1（主动）（主动）T1c d12d22 C12对于一对钢制标准直齿圆柱齿轮传动对于一对钢制标准直齿圆柱齿轮传动 齿面接触疲劳强度校核公式齿面接触疲劳强度校核公式:

14、齿面接触疲劳强度校核公式齿面接触疲劳强度校核公式:1671131HdHuudKT32116711HduuKTd公式应用注意：公式应用注意：第15页/共38页MPaSHHHminlim2、许用接触应力、许用接触应力 Hlim Hlim 接触疲劳极限接触疲劳极限, , 由实验确定由实验确定, , S SHmin Hmin 为最小安全系数。为最小安全系数。1、式中的、式中的H，在，在H1 H2数值不同时，应将较小数值不同时，应将较小的一个代入计算。的一个代入计算。 3、d称为齿宽因数称为齿宽因数=b/d1 4、在作齿面接触强度计算时，前面两个公式只适用于、在作齿面接触强度计算时，前面两个公式只适用于

15、钢制标准直齿圆柱齿轮，若配对材料不是钢对钢，则应钢制标准直齿圆柱齿轮，若配对材料不是钢对钢，则应按其材料确定相应的材料系数按其材料确定相应的材料系数 第16页/共38页r rb bO O3030 3030 三、齿根弯曲疲劳强度的计算三、齿根弯曲疲劳强度的计算 假定载荷仅由一对轮齿承担，按悬臂梁计算。假定载荷仅由一对轮齿承担，按悬臂梁计算。齿顶啮合时，弯矩达最大值。齿顶啮合时，弯矩达最大值。h hF FF Fn nF F2 2F F1 1S SF FF F 弯曲力矩：弯曲力矩： M=KFM=KFn nh hF FcoscosF F 危险界面的弯曲截面系数危险界面的弯曲截面系数 62FbSW WM

16、F弯曲应力弯曲应力 coscos62FFFtbshKF2cos6FFFnbshKF危险截面危险截面 齿根圆角齿根圆角3030 切线两切点连线处。切线两切点连线处。齿顶受力：齿顶受力：F Fn n，可分解成两个分力：，可分解成两个分力：F F1 1 = F= Fn n cos cosF F F F2 2 = F = Fn n sin sinF F 产生弯曲应力；产生弯曲应力；压应力，小而忽略。压应力，小而忽略。F Fn n第17页/共38页MPazbmYKTbmdYKTbbFFbb2212111hhF F和和S SF F与模数与模数m m相关，相关，112bmdYKTFbb轮齿弯曲强度计算公式：

17、轮齿弯曲强度计算公式：故故Y YFsFs与模数与模数m m无关。无关。弯曲应力弯曲应力 cos)(cos)(62msmhbmKFFFFtmbdYKTFS112WMbbcoscos62FFFtbshKF对于标准齿轮对于标准齿轮, Y, YFsFs仅取决于齿数仅取决于齿数Z Z。 cos)(cos)(62msmhFFFYFs 齿齿形系数形系数第18页/共38页计算时取计算时取 较大者，计算结果应圆整较大者，计算结果应圆整, ,且且m 1.5mmm 1.5mm。一般一般Y YF1F1 Y YF2F2， F1F1 F2F2 引入齿宽系数引入齿宽系数 d d=b/d=b/d1 1mmzYKTmbbdFS

18、32112代入得设计公式代入得设计公式 公式中公式中 “ “+”+”用于外啮合，用于外啮合，“-”-”用于内啮合。用于内啮合。11bbFSY22bbFSY 在满足弯曲强度的条件下可适当选取较多的齿数，使传动平稳。在中心距在满足弯曲强度的条件下可适当选取较多的齿数，使传动平稳。在中心距a a一定时，一定时，z z增多则增多则m m减小，减小，d da a减小，节省材料和工时。减小，节省材料和工时。MPazbmYKTbbFSbb2121第19页/共38页MPaYSNFbbbbminlim许用弯曲应力许用弯曲应力弯曲疲劳极限弯曲疲劳极限bblimbblim由实验确定。由实验确定。S SFminFmi

19、n为安全系数。为安全系数。因弯曲疲劳造成的轮齿折断可能造成重大事故，而疲劳点蚀只影响寿命，故：因弯曲疲劳造成的轮齿折断可能造成重大事故，而疲劳点蚀只影响寿命，故：S SFminFminSSHminHmin四、圆柱齿轮传动参数的选择和设计步骤四、圆柱齿轮传动参数的选择和设计步骤齿轮传动设计时，按主要失效形式进行强度计算，确定主要尺寸，然后按其它失效形式进行必要的校核。齿轮传动设计时，按主要失效形式进行强度计算，确定主要尺寸，然后按其它失效形式进行必要的校核。第20页/共38页软齿面闭式齿轮传动软齿面闭式齿轮传动按接触强度进行设计，按弯曲强度校核按接触强度进行设计，按弯曲强度校核硬齿面闭式齿轮传动

20、硬齿面闭式齿轮传动按弯曲强度进行设计，按接触强度校核按弯曲强度进行设计，按接触强度校核开式齿轮传动开式齿轮传动 按弯曲强度设计。按弯曲强度设计。MPazbmYKTbbFSbb 2121mmzYKTmbbdFS3211232116711HduuKTd1671131HdHuudKTmmzYKTmbbdFS32112第21页/共38页为了确保强度要求，同时利于装配和调整，常将小齿轮齿宽加大为了确保强度要求，同时利于装配和调整，常将小齿轮齿宽加大510mm。（一）主要参数的选择（一）主要参数的选择 1齿数齿数z 对于软齿面的闭式传动，一般取对于软齿面的闭式传动，一般取z1=2040。硬齿面的闭式传动及

21、开式传动，通常取硬齿面的闭式传动及开式传动，通常取z1=1720。 2模数模数m 对于传递动力的齿轮，可按对于传递动力的齿轮，可按m=（0.0070.02）a初选，但应保证模数初选，但应保证模数m2mm。 3齿宽因数齿宽因数d 增大齿宽因数，可减小齿轮传动装置的增大齿宽因数，可减小齿轮传动装置的径向尺寸，降低齿轮的圆周速度。但齿宽因数过大则需径向尺寸，降低齿轮的圆周速度。但齿宽因数过大则需提高结构刚度，否则会出现齿向载荷分布严重不均。对提高结构刚度，否则会出现齿向载荷分布严重不均。对于一般机械，建议按工程手册提供数据选取。于一般机械，建议按工程手册提供数据选取。第22页/共38页6绘制齿轮工作

22、图绘制齿轮工作图 （二）设计步骤（二）设计步骤1选择齿轮材料及热处理选择齿轮材料及热处理 2确定齿轮传动的精度等级确定齿轮传动的精度等级3简化设计计算简化设计计算4计算齿轮的几何尺寸计算齿轮的几何尺寸5确定齿轮的结构形式确定齿轮的结构形式第23页/共38页设计：潘存云一、斜齿圆柱齿轮齿廓曲面的形成及其特点一、斜齿圆柱齿轮齿廓曲面的形成及其特点直齿轮直齿轮：啮合线：啮合线啮合面啮合面啮合点啮合点接触线，即啮合面与齿廓曲面的交线。接触线，即啮合面与齿廓曲面的交线。啮合特点啮合特点: : 沿齿宽同时进入或退出啮合。突然加载或沿齿宽同时进入或退出啮合。突然加载或卸载，运动平稳性差，冲击、振动和噪音大。

23、卸载，运动平稳性差，冲击、振动和噪音大。斜直线斜直线KK的轨迹斜齿轮的齿廓曲面的轨迹斜齿轮的齿廓曲面螺旋线渐开面螺旋线渐开面Kb 基圆柱上的基圆柱上的螺旋角螺旋角发生面发生面 基圆柱基圆柱发生面发生面AKAAAbKK第十一节第十一节 渐开线斜齿圆柱齿轮传动渐开线斜齿圆柱齿轮传动第24页/共38页设计：潘存云12b啮合面啮合面基圆柱基圆柱渐开线螺旋面渐开线螺旋面KK齿面接触线齿面接触线齿面接触线始终与齿面接触线始终与K-KK-K线平行并且位于两基圆的公切面内。线平行并且位于两基圆的公切面内。第25页/共38页设计：潘存云啮合特点啮合特点:接触线长度的变化：接触线长度的变化： 短短 长长 短短加载

24、、卸载过程是逐渐进行的加载、卸载过程是逐渐进行的传动平稳、冲击、传动平稳、冲击、振动和噪音较小，适宜高速、重载传动。振动和噪音较小，适宜高速、重载传动。在端面内，斜齿轮的齿廓曲线为渐开线，相当于在端面内，斜齿轮的齿廓曲线为渐开线，相当于直齿圆柱齿轮传动，满足定传动比要求。直齿圆柱齿轮传动，满足定传动比要求。第26页/共38页二、斜齿圆柱齿轮的主要参数和几何尺寸二、斜齿圆柱齿轮的主要参数和几何尺寸1. 斜齿轮的螺旋角斜齿轮的螺旋角ddbl定义分度圆柱上的螺旋定义分度圆柱上的螺旋角为斜齿轮的螺旋角角为斜齿轮的螺旋角 。d db右旋右旋左旋左旋一般取一般取=8=8 2020人字齿轮，因其轴向力可人字

25、齿轮，因其轴向力可以抵消，常取以抵消，常取=25=254545 第27页/共38页设计：潘存云B法面内的齿形与刀具的齿形一样，取标准值。法面内的齿形与刀具的齿形一样，取标准值。2. 模数模数 mn、mt将分度圆柱展开，得一矩形，将分度圆柱展开，得一矩形，pn=ptcos将将 pnmn , ptmt 代入得：代入得：pt 可求得端面齿距与法面齿距之间的关系：可求得端面齿距与法面齿距之间的关系：dmn=mtcosnn pn第28页/共38页bac3 .压力角：压力角：n、t在在abc中，有：中，有：abc=n 在在abc中中, 有：有：abc= =t由由 ab=ab , ac=accos 得得ta

26、nn = tant cos 4.齿顶高因数齿顶高因数h*an和和h*at及顶隙因数及顶隙因数c*n和和c*t 不论在法面还是端面，其齿顶高和齿根高一样。不论在法面还是端面，其齿顶高和齿根高一样。h*an 法面齿顶高系数，法面齿顶高系数， han*1c*n 法面顶隙系数法面顶隙系数, c*n0.25, tann =ac/abtant =ac/ab ha=h*anmn hf= (h*an+c * n) m n nabcaat第29页/共38页分度圆直径：分度圆直径： d=zmt=z mn / cos中心距：中心距： a=r1+r2可通过改变可通过改变来调整来调整a的大小。的大小。三、三、斜齿圆柱齿

27、轮传动的正确啮合条件和重合度斜齿圆柱齿轮传动的正确啮合条件和重合度 啮合处的齿向相同。啮合处的齿向相同。外啮合外啮合 : 1 1-2 2mn1n1=mn2n2 ，n1 =n1 mt1t1=mt2t2 ，t1t2= mn (z1+ z2) /2 cos 内啮合内啮合：1 12 21 1.正确啮合条件正确啮合条件5.几何尺寸计算几何尺寸计算只须将直齿圆柱齿轮几何尺寸计算公式中的各参数视作端面参只须将直齿圆柱齿轮几何尺寸计算公式中的各参数视作端面参数，再进行必要的端面数，再进行必要的端面-法向参数换算，即可方便地进行平行轴法向参数换算，即可方便地进行平行轴标准斜齿轮的几何尺寸计算。如：标准斜齿轮的几

28、何尺寸计算。如： 第30页/共38页b bB B2 2B B2 22 .重合度重合度直齿轮：直齿轮：斜齿轮：斜齿轮：其中其中 L/pL/pbtbtL Lb bb bB B1 1B B1 1b tanb tanb b /p/pbtbt +B B1 1B B1 1b bB B2 2B B2 2L LL /pL /pb b =(L+=(L+L)/pL)/pbtbtb tan/ptan/pt平行轴斜齿轮的重合度随螺旋角 和齿宽b b的增大而增大。 第31页/共38页设计：潘存云cd四、斜齿轮的四、斜齿轮的当量齿数当量齿数定义：与斜齿轮法面齿形相当的直齿轮，称定义：与斜齿轮法面齿形相当的直齿轮，称为该斜齿轮的当量齿轮，其齿数称当量齿数。为该斜齿轮的当量齿轮，其齿数称当量齿数