第11章新齿轮传动

设计：潘存云设计：潘存云O2O1ttω1（主动）N1N2cα

α

d12α

FnT1直齿圆柱齿轮传动的作用力及计算载荷一、轮齿上的作用力及计算载荷圆周力：径向力：法向力：小齿轮上的转矩：P为传递的功率（KW）ω1----小齿轮上的角速度，n1----小齿轮上的转速d1----小齿轮上的分度圆直径，α----压力角各作用力的方向如图O2ω2（从动）O1N1N2ttω1（主动）T1cα

α

d12d22α

FtFrFnFn为了计算轮齿强度，设计轴和轴承，有必要分析轮齿上的作用力。设计：潘存云二、计算载荷上述法向力为名义载荷，理论上沿齿宽均匀分布，但由于轴和轴承的变形，传动装置制造和安装误差等原因载荷并不是均匀分布，出现载荷集中的现象。图示轴和轴承的刚度越小，齿宽b越宽，载荷集中越严重。Fn---名义载荷受力变形制造误差安装误差附加动载荷此外轮齿变形和误差还会引起附加动载荷，且精度越低，圆周速度越高，动载荷越大。载荷集中计算齿轮强度时，采用用计算载荷KFn代替名义载荷Fn以考虑载荷集中和附加动载荷的影响，K----载荷系数表11-3载荷系数K原动机电动机多缸内燃机单缸内燃机均匀中等冲击大的冲击工作机械的载荷特性1.1~1.21.2~1.61.6~1.81.8~2.01.1~1.21.6~1.81.6~1.81.9~2.12.2~2.4Fnb()maxFnb()min设计：潘存云齿轮强度计算是根据齿轮可能出现的失效形式来进行的。在一般闭式齿轮传动中，轮齿的失效主要是齿面接触疲劳点蚀和轮齿弯曲疲劳折断。齿面疲劳点蚀与齿面接触应力的大小有关，而齿面的最大接触应力可近似用赫兹公式进行计算。直齿圆柱齿轮传动的齿面接触强度计算赫兹公式：“+”用于外啮合，“-”用于内啮合实验表明：齿根部分靠近节点处最容易发生点蚀，故取节点处的应力作为计算依据。节圆处齿廓曲率半径：齿数比:u=z2/z1=d2/d1

≥1得:O2ω2（从动）O1N1N2ttω1（主动）T1cα

α

d12d22α

中心距:a=(d2±

d1)/2或:d1

=2a/(u

±1)Cρ1ρ2=d1(u

±1)/2在节点处，载荷由一对轮齿来承担：弹性模量：E1=E2=2.06×105

MPA泊松比：μ1=μ2=0.3,α=20˚一对钢制齿轮：代入赫兹公式得：引入齿宽系数：ψa=b/a得设计公式：当一对齿轮的材料，传动比以及齿宽系数一定时，由齿面接触强度所决定的承载能力，仅与中心距a或齿轮得分度圆有关。分度圆直径分别相等的两对齿轮，不论其模数是否相等，具有相同的承载能力。模数m不能成为衡量齿轮接触强度的依据。当配对齿轮的材料不同时，公式中的系数也不同。钢----铸铁取：285285285，铸铁----铸铁取：250335335表5-7安全系数SH和SFSHSF安全系数软齿面（HBS≤350）硬齿面（HBS>350）重要的传动、渗碳淬火齿轮或铸造齿轮1.0~1.11.3~1.41.1~1.21.4~1.61.6~2.21.3许用接触应力：σHlim

----接触疲劳极限,由实验确定,SH

----为安全系数，查表11-4确定。800700600500400100200300HBSσHlim(N/mm)600500400300200100200HBSσHlim(N/mm)600500400300200100200300HBSσHlim(N/mm)灰铸铁球墨铸铁普通碳素钢正火铸钢正火合金钢调质合金铸钢调质优质碳素钢调质或正火铸钢调质齿轮的接触疲劳极限σHlim1500140013001000900σHlim(N/mm)12001100800405060HRC405060HRC301500140013001000900σHlim(N/mm)12001100800合金钢渗碳淬火调质钢表面淬火渗氮钢氮化调质钢氮化齿轮的接触疲劳极限σHlim设计：潘存云rbO30˚

30˚

直齿圆柱齿轮传动的弯曲强度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。hFFnF2F1SFαF

分量F2产生压缩应力可忽略不计，弯曲力矩：M=KFnhFcosαF

危险界面的弯曲截面系数：弯曲应力：危险截面：齿根圆角30˚

切线两切点连线处。齿顶受力：Fn，可分解成两个分力：F1=FncosαF

F2=FnsinαF

---产生弯曲应力；---压应力，小而忽略。Fn∵hF和SF与模数m相关，轮齿弯曲强度计算公式：故YF与模数m无关。弯曲应力：对于标准齿轮,YF仅取决于齿数Z，取值见图。YF–齿形系数设计：潘存云3.73.63.53.43.33.23.13.02.92.82.72.62.52.42.32.22.12.01.91.81.73.73.63.53.43.33.23.13.02.92.82.72.62.52.42.32.22.12.01.91.81.7111213141516182025304050100400齿形系数–YF计算根切极限实际根切极限标准齿轮计算时取：较大者，计算结果应圆整,且m≥1.5一般YF1

≠YF2，[σF1]

≠[σF2]

引入齿宽系数：ψa=b/a得设计公式：公式中：“+”用于外啮合，“-”用于内啮合。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一定时，z增多则m减小，da减小，节省材料和工时。许用弯曲应力：弯曲疲劳极限σFlim由实验确定。SF为安全系数，查表11-4确定。表5-7安全系数SH和SFSHSF安全系数软齿面（HBS≤350）硬齿面（HBS>350）重要的传动、渗碳淬火齿轮或铸造齿轮1.0~1.11.3~1.41.1~1.21.4~1.61.6~2.21.3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：SF>SH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。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：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:开式齿轮传动：按弯曲强度设计。其失效形式为磨损，点蚀形成之前齿面已磨掉。100300200σHlim(N/mm)0100300HBS200σHlim(N/mm)100200HBS1003002000σHlim(N/mm)100300HBS2001003002000σHlim(N/mm)2003005004004060HRC50σHlim(N/mm)2003005004004060HRC5030合金钢渗碳淬火调质钢表面淬火渗氮钢氮化调质钢氮化灰铸铁球墨铸铁普通碳素钢正火铸钢正火合金铸钢调质铸钢调质合金钢调质齿轮的弯曲疲劳极限σHlim优质碳素钢调质或正火设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云d12βF’F’ββF’斜齿圆柱齿轮传动一、轮齿上的作用力ω1T1圆周力：径向力：轴向力：轮齿所受总法向力Fn可分解为三个分力:圆周力Ft的方向在主动轮上与运动方向相反，在从动论上与运动方向相同；径向力指向各自的轴心；轴向力的方向由螺旋方向和轮齿工作面而定。FrFtFt长方体底面长方体对角面即轮齿法面F’=Ft/cosβFr=

F’tgαn

αnFrFnF’αnFncFaFa斜齿圆柱齿轮传动的强度计算是按轮齿的法面进行的，其基本原理与直齿轮相同。但是，斜齿轮的重合度大，同时啮合的轮齿较多，轮齿的接触线是倾斜的，在法面内斜齿轮的当量齿轮的分度圆半径较大，因此斜齿轮的接触强度和弯曲强度较直齿轮低。二、强度计算一对钢制标准斜齿轮传动的接触应力及强度条件为：得设计公式：当材料改变时，常数项305要修正。钢—铸铁为259，求得中心距之后，可选定齿数Z1、Z2和螺旋角β，则模数mn为：计算所得模数mn,圆整为标准值。铸铁—铸铁为228259259228228引入齿宽系数：ψa=b/a若给定模数mn,则螺旋角β为：通常螺旋角:β=8˚~20˚

得设计公式：其中模数mn为法面模数，YF为齿形系数,弯曲应力验算公式：引入齿宽系数：ψa=b/a根据当量齿数由图表11-9查得。人字齿轮取:β=27˚~45˚

设计：潘存云dm2d2bδ1δ2§11-8直齿圆锥齿轮传动一、轮齿上的作用力小齿轮齿宽中点分度圆直径：

dm12δFnc假设力集中作用在轮齿中点分度圆处。d1b/2dm1d1AB=(b/2)sinδ1dm1=d1-2ABdm1δ1AB=d1-bsinδ1设计：潘存云Ft的方向在主动轮上与运动方向相反，在从动论上与运动方向相同；δdm12圆周力：径向力：轴向力：轴向力Fa的方向对两个齿轮都是背着锥顶。轮齿所受总法向力Fn可分解为三个分力:ω1T1FtFaFrF’FnFtF’FrFasinδ1=cosδ2cosδ1=sinδ2径向力指向各自的轴心；当δ1+δ2=90˚

时，有：Ft1=Fa2Fa1=Ft2于是有：cFnα

ααδδ设计：潘存云δ2δ1dm1dm2d2d1Rebo2o1可以近似认为，一对直齿圆锥齿轮传动和位于齿宽中点的一对当量圆柱齿轮传动的强度相等。强调当量齿轮的求法二、强度计算Re-0.5bo1o2αFna当量圆柱齿轮传动的中心距：δ1δ2一对∑＝90°的钢制直齿圆锥齿轮传动的齿面接触强度计算公式为：得设计公式：引入齿宽系数:ψR=b/Re一般取：u=1~5,ψR=0.25~0.3钢----铸铁取：285285285285250250，铸铁----铸铁取：250250设计：潘存云计算所得模数me,应圆整为标准值。确定齿数:z1≥12,z2=uz1确定模数me:求得：δ2δ1d1d2Re锥齿轮模数（GB12368-90）mm…11.1251.251.3751.51.7522.252.52.7533.253.53.7544.5566.578910…得设计公式：齿根弯曲应力及强度条件：mm为平均模数，YF按当量齿数选取：zv=z1/cosδ1。平均模数mm与大端模数me有下列关系：引入齿宽系数:ψR=b/Re设计：潘存云§11-9齿轮的构造设计：潘存云

直径较小的钢质齿轮，当齿根圆直径与轴径接近时，可以将齿轮与轴做成一体，称为齿轮轴。否则可能引起轮缘断裂。1.齿轮轴e圆柱齿轮：e<2mt

e圆锥齿轮：e<1.6mt

设计：潘存云§11-9齿轮的构造直径较小的钢质齿轮，当齿根圆直径与轴径接近时，可以将齿轮与轴做成一体，称为齿轮轴。如果齿轮的直径比轴径大得多，则应把齿轮和轴分开制造。1.齿轮轴2.实心齿轮设计：潘存云dh=1.6ds;lh=(1.2.~1.5)ds,并使lh

≥b

c=0.3b;δ=(2.5.~4)mn,但不小于8mmd0和d按结构取定，当d较小时可不开孔3.腹板式齿轮设计：潘存云dd0bdsdhda斜度1:10lhδc3.腹板式齿轮dh=1.6ds;lh=(1.2.~1.5)ds,并使lh

≥b

c=0.3b;δ=(2.5.~4)mn,但不小于8mmd0和d按结构取定。设计：潘存云bdsdhda斜度1:10lhδc设计：潘存云设计：潘存云dh=1.6ds(铸钢);dh=1.6ds(铸铁)lh=(1.2.~1.5)ds,并使lh

≥b

c=0.2b;但不小于10mmδ=(2.5.~4)mn,但不小于8mmh1=0.8ds;h2=0.8h1;s=1.5h1;但不小于10mme=0.8ds;h2=0.8h1

设计：潘存云bdsdhda斜度1:20cδlhh1eeh2s4.轮辐式齿轮设计：潘存云设计：潘存云dh=1.6ds;lh=(1.2.~1.5)ds

c=(0.2~0.3)b;∆=(2.5~4)me;但不小于10mmd0和d按结构取定设计：潘存云dd0Rbdsdhdalh斜度1:10∆

设计：潘存云设计：潘存云d0d∆

Rbdsdhdalh斜度1:20dh=(1.6~1.8)ds;lh=(1.2.~1.5)ds

c=(0.2~0.3)b;s=0.8c;∆=(2.5~4)me;但不小于10mmd0和d按结构取定设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云油池润滑采用惰轮的油池润滑喷油润