哈工大王黎钦机械设计课件-第7、8、9次课-第八章-齿轮传动-刘星斯维提收集

小结:前一次课的内容挠性件传动(Flexibledrive)中的带传动(Beltsdrive)和链传动(Chaindrive)，优点缺点、设计过程和结构等布置第三次大作业：带传动设计（注意保存数据）下面课的内容啮合传动：失效分析、设计准则、承载能力计算和结构设计第八章齿轮传动Chapter8Gears8.1概述(Introduction)Summary:Typesofgears1)平行轴齿轮传动（Parallel-axisgears）:

直齿轮(spurgears),斜齿轮(helicalgears)2)平面相交轴齿轮传动(Nonparallel,coplanargears)

锥齿轮(Bevelgears)，螺旋齿轮(Spiralgears)3)空间交错轴齿轮传动(Nonpara…Noncopl…)：

蜗杆传动（wormgeardrive）齿轮传动的特点（Features）：1)瞬时传动比恒定(constantvelocityratio)

2)传动效率高(0.98~0.99),highefficiency

3)工作可靠,寿命长(reliableandendurable)

4)结构紧凑(dmin=200μminMEMS)

5)适应范围大

Vmax=340(200)m/s,Pmax=100000kWd=200μm~5m

6)专用机床和刀具，制造及安装精度要求高，成本高；7)精度低时噪音大；8)不适合用于轴间距过大的传动重型汽车柴油机齿轮轮系船用减速器齿轮轮系50m1)按齿轮的工作条件（workingconditions）：

开式：齿轮完全裸露，定期润滑闭式：齿轮密封在箱体内，连续润滑半开式：防护罩，齿轮浸油2)按齿面硬度(Tooth-surfacehardness)：

软齿面(<350HBS)，正火、调质处理

硬齿面(≥350HBS)，淬火、表面淬火、渗碳**国标中规定的模数系列（Moduleseries）P122（优先选用第一系列）齿轮传动分类（Classification）8.2齿轮传动的失效形式和设计准则

Failuremodesanddesigncriterion8.2.1齿轮传动的主要失效形式1、轮齿的折断，Toothbreakage原因：疲劳、过载、冲击

(Byfatigue,overloadorimpactorshock)位置：attherootoftheteeth后果：轮廓不完整预防措施：加大模数2、齿面疲劳点蚀（闭式软齿面）

Pittingandspallingonthetoothsurfaces原因：交变的σH反复作用，cycliccontactstress位置：小齿轮（pinion）齿根面靠近节线处

(nearthepitchline)后果：齿面不完整，噪声预防措施：提高硬度、润滑油黏度降低Ra齿面疲劳点蚀3、齿面过量磨损

(Severewearonthetoothsurfaces)原因：接触处硬质颗粒污染→磨料磨损→齿形破坏→齿根减薄（根部严重）→断齿位置：齿面后果：几何轮廓破坏，弯曲强度降低预防措施：加大m;提高硬度；改闭式4、齿面胶合（Scuffingonthesurfaces）形式：高速轻载或低速重载原因：压力大、温度高→润滑失效→表面粘连→沿运动方向撕裂位置：齿面后果：几何轮廓破坏预防措施：降低速度；改善润滑；降低应力5、轮齿塑性变形

(Plasticdeformationon…)形式：如图（重载传动）原因：应力过大→材料屈服→塑性流动→齿面变形位置：齿面/轮齿整体后果：几何轮廓破坏8.2.2齿轮传动的设计准则1、软齿面闭式齿轮传动：常因齿面点蚀而失效，故通常先按齿面接触疲劳强度进行设计，然后校核齿根弯曲疲劳强度。2、硬齿面闭式齿轮传动：其齿面接触承载能力较高，故通常先按齿根弯曲疲劳强度进行设计，然后校核齿面接触疲劳强度。3、高速重载齿轮传动：除出现点蚀或弯断外，还可能出现齿面胶合，故还需校核齿面胶合强度。4、开式齿轮传动：主要失效形式是齿面磨损，而且在轮齿磨薄后往往会发生轮齿折断。故目前多是按齿根弯曲疲劳强度进行设计，并考虑磨损的影响将模数适当增大8.2.2齿轮传动的设计准则8.3齿轮材料及其热处理

Gearmaterialsandheattreatment8.3.1齿轮材料及选择原则选择齿轮材料时应综合考虑如下基本要求：齿面要硬；轮芯要韧；强度足够；良好的加工性能和热处理性；价格低。常用齿轮材料1、钢：⑴锻钢——钢材经锻造,性能提高→最常用

45、35SiMn、42SiMn、40Cr、35CrMo(2)铸钢——齿轮较大(d≥400)时采用

ZG310-570、ZG340-6402、铸铁：用于开式、低速无冲击齿轮

HT300、HT350、QT500-5、QT600-2

3、非金属材料：高速、轻载、低噪音

1、材料要与合适的热处理匹配

2、HB1=HB2+30～50HBS3、软齿面：正火、调质

两轮材料相同时，采用不同的热处理4、硬齿面：低碳钢－渗碳＋淬火中碳钢－表面淬火见表8.2(P126)8.3.2热处理方法表8.2齿轮常用材料的机械性能及应用范围续表8.2载荷系数：8.4齿轮传动的计算载荷(Loadactingontooth)名义载荷F：由齿轮传动的额定功率计算计算载荷FC：考虑由于齿轮啮合外部因素引起附加动载荷的影响，主要是原动机和工作机的工作特性原动机越平稳、工作机载荷越平稳，使用系数越小(注意表8.3下的小字)8.4.1使用系数KA

(Applicationfactor)影响KV的主要因素是由基节和齿形误差产生的传动误差、节线速度和轮齿啮合刚度等。考虑由于制造精度、运转速度等轮齿内部因素引起的附加动载荷8.4.2动载系数KV

(Dynamicfactor)

按工作平稳性精度等级查图齿轮的精度：7-7-8-GBXXX运动精度、工作平稳性精度和接触精度当瞬时传动比这种情况称为换齿冲击当瞬时传动比这种情况称为啮入冲击8.4.3齿向载荷分布系数K

(Loaddistributionfactor)考虑沿齿宽方向载荷分布不均匀对轮齿应力的影响影响K

的主要因素有：1、齿面硬度；2、齿轮在轴上相对于轴承的布置形式3、制造和安装误差，轮齿、轴系及机体的刚度4、轮齿的宽度8.4.4齿间载荷分配系数K

(loadallocationfactor)齿间载荷分配系数K

是考虑同时啮合的各对轮齿载荷分配不均匀对轮齿应力的影响系数影响K

的主要因素有：1、轮齿制造误差（工作平稳性精度，II组）2、轮齿硬度3、轮齿的啮合刚度，重合度和跑合情况等表8.4齿间载荷分配系数K

8.10齿轮的结构设计（Structure）1）结构设计和强度设计的关系2）经验公式和结构设计的关系3）轮毂和轮缘可以不一样宽1、齿轮轴如果圆柱齿轮齿根圆到键槽底面的径向距离e2.5m(或mn),则可将齿轮与轴做成一体称为齿轮轴.2、实心式齿轮当e>2.5m(mn)且

da

200mm,可做成实心式3、腹板式齿轮当da

500mm时,可采用腹板式结构4、轮辐式齿轮da=400～1000mm,多采用轮辐式的铸造结构5、镶套式齿轮大直径的齿轮,为节省材料,可采用镶套式齿圈6、焊接式齿轮单件生产，尺寸过大，不能铸造,可用焊接结构8.11齿轮传动的润滑(Lubricationforgeardrives)1、存在VS和σH2、润滑目的：减小摩擦和发热，带走热量开式、半开式齿轮传动：速度低，人工定期加油或在齿面涂抹润滑脂8.11.1齿轮传动的润滑方式闭式齿轮传动，润滑方式与齿轮的圆周速度V关联当V10m/s时，浸油润滑浸油高度？当>10m/s时，喷油润滑中速<25m/s，单侧喷油高速>25m/s，双侧喷油8.11.2润滑剂（lubricants）的选择考虑速度、载荷、温度1、低速重载：高黏度油，易形成油膜2、高速轻载：低黏度油，搅油损失少3、高温：选高黏度油推荐用油黏度值：表8.8（P162）//8.5标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算Strengthcalculationforspurgeartransmission8.5.1轮齿受力分析圆周力：(Circumferentialforce)径向力：(Radialforce)法向力：(Normalforce)Given:P1,n1,T1=?作用于主(下标1)、从动轮(下标2)上各力的方向判断:1、作用于主、从动轮上的各对力均大小相等，方向相反；2、Ft:在主动轮上与运动方向相反，在从动轮上与运动方向相同；3、Fr:的方向与啮合方式有关，对于外啮合，主、从动轮上的径向力分别指向各自的轮心8.5.2齿面接触疲劳强度计算(控制齿面疲劳)强度条件式:齿面接触应力(Hertzian

contactstress)理论上沿齿高方向变化，计算时简化：节点接触应力法向计算载荷：综合曲率：EffectiveCurvature：令(Speedratio)代入上式得：节点C处的参数(Parametersonthepitchpoint)：将上述参数代入，有效接触线长度(考虑重合度影响)：令可得到齿面接触强度校核公式：取或,和代入校核式整理，得齿面接触疲劳强度的设计公式:或mmmm式中:u---齿数比（speedratio）讨论：1)

2)

3)σH与d直接相关，与m无直接关系ZE---材料弹性系数,表8.5材料弹性系数ZEZH---节点区域系数,反映了节点齿廓形状对接触应力的影响,按图8.14(直齿轮、斜齿轮、变位齿轮公用)查取，或Zε---重合度系数,是考虑重合度对齿面接触应力影响的系数由图8.15查取---齿宽系数,按表8.6选取d1---小齿轮分度圆直径,mmb---齿宽,mma---传递中心距,mmT1---小齿轮传递的转矩,N.mm8.5.3齿根弯曲疲劳强度计算强度条件式整理得，齿根弯曲疲劳强度校核公式：弯曲应力Bendingstress:同样,将齿宽系数等代入上式,整理得:齿根弯曲疲劳强度的设计公式,mm式中：YF---齿形系数，反映了轮齿几何形状对齿根弯曲应力

F

的影响对符合基准齿形的圆柱外齿轮，YF可按图8.19查取Ys--应力修正系数，用以考虑齿轮过渡圆角处的应力集中和除弯曲应力以外的其它应力对齿根应力的影响，其值查图8.20.请分析它随齿数的变化规律---重合度系数，是将全部载荷作用于齿顶时的齿根应力折算为载荷作用于单对齿啮合区上界点时的齿根应力系数值也可查图8.21对齿轮进行弯曲强度校核时，大小齿轮应分别进行（简单判断，谁大谁小？）按式8.12设计求模数时,式中8.6标准斜齿轮圆柱齿轮传动的强度计算8.6.1轮齿的受力分析圆周力：径向力：轴向力：法向力：式中：d1---小齿轮分度圆直径，mm

T1---小齿轮传递的转矩，N.mm

n---分度圆柱上的法面压力角

n=20

t---分度圆柱上的端面压力角

b---基圆柱上的螺旋角

---分度圆柱上的螺旋角作用于主、从动轮上各力的方向判断:1、Ft、Fr的方向与直齿轮相同2、Fa的方向判断：1）力分析的方法2）主动轮左（右）手法则判断：对主动轮，齿的旋向若为右旋，则用右手（左旋用左手）握住齿轮轴线，并使四指的方向顺着轮的转向方向，此时拇指的指向即为轴向力方向8.6.2齿面接触疲劳强度计算齿面接触疲劳强度计算的原理和方法与直齿轮相同，仍按齿轮节点处进行计算。不同的是：斜齿轮啮合点的曲率半径应按法面计算；接触线总长度比直齿轮大。节点处的有关参数：法向计算载荷：综合曲率：法面内节点的曲率半径为：其中：接触线长度L：MPa式中：ZH查图8.14齿面接触强度的校核公式为:则齿面接触疲劳强度的设计公式:取或式中:Z

--螺旋角系数，查图8.24，或者8.6.3齿根弯曲疲劳强度的计算斜齿圆柱齿轮齿根弯曲疲劳强度计算式：取：，斜齿圆柱齿轮轮齿受载及断齿情况齿根弯曲疲劳强度设计式：，mm式中涉及到Z的系数用Zv查取Zv=Z/cos3β//8.7圆柱齿轮传动的设计8.7.1齿轮传动主要参数的选择1、模数m和齿数Z1

初取：m=(0.01~0.02)a,

z1=18~30(闭式)，17~20（开式）2、齿宽系数

d、a一般

a=0.1~1.2闭式传动

a=0.3~0.6,通用减速器取

a=0.4开式传动

a=0.1~0.3b=a×

a,b2=int(b),b1=b2+5~10如果用

d参考表8.6，其中3、分度圆压力角

（一般=20°，航空齿轮25°）4、齿数比u（一般u=3~7）5、螺旋角(初取8~20°,人字齿25~30°)8.7.2齿轮传动的许用应力1、许用接触应力[

]H，MPa

Hlim---试验齿轮的齿面接触疲劳极限，MPaSH见P145表8.7详见P143ZN---接触强度计算的寿命系数查图(注意图下小字说明)式中:应力循环基数N0和疲劳曲线指数m与材料及热处理方法有关：n--齿轮转速，r/min；a--齿轮转一周，同一侧齿面啮合的次数(见下一张slide)Lh--齿轮的工作寿命，小时若轮1主动：轮2双齿侧工作，啮合次数为1a=1若轮2主动：轮2单齿侧工作，啮合次数为2a=2---计入了齿根应力修正系数之后,试验齿轮的齿根弯曲疲劳极限应力，P143

SF见P145表8.72、许用弯曲应力YN--弯曲强度计算的寿命系数查图8.30(注意图下小字说明)式中:N0、m’由试验获得，随材料而异.改错，P144为什么SF>SH?算例：P139调整中心距a的方法；圆整；有效