《齿轮强度设计》课件

齿轮强度设计课程简介课程目标学习齿轮强度设计的理论知识和实际应用方法。课程内容齿轮的几何参数、应力分析、强度设计、失效分析、制造工艺等。学习方法理论讲解、案例分析、软件演示、实验操作等。什么是齿轮齿轮是一种机械零件，用于传递旋转运动和扭矩。齿轮通过其齿的相互啮合来实现运动和扭矩的传递，齿轮广泛应用于各种机械设备中，例如汽车、飞机、船舶、机床等等。齿轮的重要性广泛应用从汽车到飞机，从工业设备到家用电器，齿轮在各个领域发挥着至关重要的作用。高效传动齿轮能够有效地将旋转运动和扭矩传递，实现不同速度和扭矩的转换，提高传动效率。结构紧凑齿轮传动系统具有结构紧凑、重量轻、占用空间小的特点，适合各种应用场合。齿轮的分类圆柱齿轮包括直齿轮、斜齿轮和人字齿轮，广泛应用于各种机械传动系统。锥齿轮用于传递两轴相交的运动和动力，常用于汽车变速箱等。蜗轮蜗杆适用于大传动比、低速、重载的场合，常用于机床、起重机等。平直齿轮的几何参数参数定义单位模数m齿轮的尺寸参数，等于齿轮节圆直径与齿数之比mm齿数z齿轮上齿的个数无齿顶高ha齿顶圆直径与节圆直径之差的一半mm齿根高hf节圆直径与齿根圆直径之差的一半mm正斜齿轮的几何参数模数模数是齿轮的重要几何参数，它决定了齿轮的尺寸。齿数齿数是指齿轮上的齿数。齿顶高齿顶高是指齿顶到齿根的距离。齿根高齿根高是指齿根到齿顶的距离。齿厚齿厚是指齿轮两侧齿之间的距离。齿槽宽齿槽宽是指齿槽的宽度。倾斜齿轮的几何参数20螺旋角影响齿轮承载能力10齿顶高影响齿轮的强度5齿根高影响齿轮的耐用性15齿厚影响齿轮的传动效率工作原理啮合齿轮通过齿面相互啮合，传递动力和运动。摩擦齿轮的运动依靠齿面之间的摩擦力来实现。传递运动齿轮的转动速度和方向通过齿轮的齿数和啮合方式决定。齿轮的应力分析弯曲应力齿根处承受的最大应力，由齿轮弯曲变形引起。接触应力齿面承受的压力，由齿轮啮合时的接触产生。弯曲应力1齿根齿根是齿轮最薄弱的地方，容易发生弯曲疲劳。2齿顶齿顶也容易发生弯曲应力，但一般不会导致疲劳失效。3齿面齿面主要承受接触应力，弯曲应力相对较小。接触应力接触应力主要发生在齿轮啮合区域，是齿轮工作时承受的最大应力。弯曲强度设计1确定齿轮的材料选择合适的材料以满足强度要求。常见的齿轮材料包括钢、铸铁、铜合金和塑料。2计算齿根处的弯曲应力根据齿轮的几何尺寸和载荷计算齿根处的弯曲应力。公式为：σb=(Kt*F*m)/(b*Y)3确定允许的弯曲应力根据所选材料的强度等级确定允许的弯曲应力。通常，允许的弯曲应力低于材料的屈服强度。4设计齿轮的尺寸根据计算结果调整齿轮的尺寸，以确保其能够承受预期的载荷并避免弯曲失效。接触强度设计1接触强度齿面接触应力2许用接触应力材料和加工工艺决定3安全系数保证齿轮安全运行安全因子定义实际强度与设计强度之比作用保证齿轮在实际工况下安全可靠运行影响因素材料性能、载荷大小、工作环境等表面硬化加工1表面硬化工艺通过热处理、化学或物理方法改变齿轮表面层，提高齿轮表面硬度和耐磨性。2增强齿轮性能提高齿轮的抗磨损能力、抗疲劳强度，延长齿轮的使用寿命。3常见表面硬化方法渗碳、渗氮、离子渗氮、喷丸强化等。齿轮的热处理淬火淬火是将齿轮加热到一定温度后，快速冷却，以提高其硬度和耐磨性。回火回火是在淬火后进行的，将齿轮加热到低于淬火温度的温度，并保温一段时间，然后缓慢冷却，以降低其硬度，并提高其韧性。表面淬火表面淬火是只对齿轮表面进行淬火，而内部保持原来的组织，以提高其表面硬度，而保持其内部的韧性。齿轮的润滑降低摩擦润滑油可以减少齿轮之间的摩擦力，降低磨损，延长齿轮的使用寿命。散热润滑油可以带走齿轮运转过程中产生的热量，防止齿轮过热。防锈润滑油可以形成一层保护膜，防止齿轮表面生锈。材料选择强度选择强度高、耐磨损的材料，能够承受齿轮的工作载荷。耐用性材料要具有良好的耐疲劳性能，能够在长期运行中保持稳定性。成本选择性价比高的材料，在满足性能要求的前提下，控制成本。制造工艺铣削铣削是制造齿轮最常用的方法之一，它使用多刀铣刀将金属切削成所需的形状。磨削磨削用于提高齿轮的精度和表面光洁度，它使用砂轮来去除材料。滚齿滚齿是一种高度精确的制造方法，它使用滚刀将齿轮坯料滚压成齿轮形状。齿轮的检查与测试1齿轮尺寸检查齿轮尺寸检查确保齿轮符合设计要求，包括齿厚、齿宽、齿顶高和齿根圆直径等。2齿轮形状检查齿轮形状检查确保齿轮齿形、齿向和齿面精度符合设计要求。3齿轮热处理检查齿轮热处理检查确保齿轮硬度、韧性、耐磨性等指标符合设计要求。4齿轮动态性能测试齿轮动态性能测试模拟实际运行环境，评估齿轮的运行噪音、振动、摩擦等指标。齿轮的失效模式齿面疲劳齿面因反复交变载荷而产生疲劳裂纹，最终导致齿面剥落或断裂。齿根断裂齿根因弯曲应力过大而产生疲劳裂纹，最终导致齿根断裂。齿面磨损齿面因摩擦而产生磨损，导致齿面粗糙度增加，传动精度下降。塑性变形齿面因载荷过大而发生塑性变形，导致齿轮精度下降，传动效率降低。失效分析1齿面疲劳齿面磨损、点蚀2齿根断裂弯曲疲劳、过载3材料缺陷铸造缺陷、热处理缺陷4润滑不足干摩擦、润滑失效5安装误差轴承间隙、啮合误差维修与保养定期检查定期检查齿轮的磨损情况，包括齿面磨损、齿根疲劳、齿间间隙等。润滑保养选择合适的润滑油，定期更换润滑油，并保持齿轮的润滑状态。清洁维护定期清洁齿轮，去除灰尘、污垢和金属屑，防止污染齿轮。齿轮的设计实例以汽车变速箱为例，介绍如何选择合适的齿轮类型、材料、尺寸等参数，并进行强度校核。通过实例展示齿轮强度设计过程的具体步骤。齿轮传动系统设计需求分析确定传动比、转速、扭矩、功率等参数。齿轮选择根据传动比、尺寸、材料等因素选择合适的齿轮。轴系设计确定轴的尺寸、材料、支承方式等。强度校核检查齿轮和轴的强度是否满足要求。润滑设计选择合适的润滑方式和润滑油。装配与调试将齿轮传动系统组装并进行调试。应力计算软件演示我们将使用专业的齿轮应力计算软件来进行演示。该软件可以模拟各种齿轮的应力分布，并提供详细的计算结果。通过软件，我们可以直观地观察齿轮在不同工况下的应力变化，并分析齿轮的强度是否满足设计要求。数值分析方法1有限元法将复杂结构离散化为有限个单元，将连续问题转化为离散问题，并通过求解方程组得到近似解。2边界元法将边界条件离散化，将微分方程转化为边界积分方程，并通过求解积分方程得到近似解。3差分法将微分方程转化为差分方程，并通过求解差分方程得到近似解。国内外标准介绍中国标准GB/T10095-2018齿轮传动国际标准ISO