齿轮传动-完整ppt课件.ppt
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1、第二篇第五章第五章齿轮传动设计齿轮传动设计1第一节基础知识第一节基础知识齿轮传动是机械传动中最重要、应用最广泛的一种传动齿轮传动是机械传动中最重要、应用最广泛的一种传动。一、齿轮传动的特点一、齿轮传动的特点优点:优点:1 1)传动效率高)传动效率高 2 2)传动比恒定)传动比恒定 3 3)结构紧凑)结构紧凑 4 4)工作可)工作可 靠、寿命长靠、寿命长缺点:缺点:1 1)制造、安装精度要求较高)制造、安装精度要求较高 2 2)不适于中心距较大两轴)不适于中心距较大两轴 间传动间传动 3 3)使用维护费用较高)使用维护费用较高 4 4)精度低时、噪音、振动较大)精度低时、噪音、振动较大二、齿轮传
2、动的主要类型二、齿轮传动的主要类型1、按传动轴相对位置、按传动轴相对位置平行轴齿轮传动平行轴齿轮传动相交轴齿轮传动相交轴齿轮传动交错轴齿轮传动交错轴齿轮传动.2、按工作条件、按工作条件开式开式齿轮完全外露,易落入灰砂和杂物,不能保证良好齿轮完全外露,易落入灰砂和杂物,不能保证良好 的润滑,轮齿易磨损,多用于低速、不重要的场合的润滑,轮齿易磨损,多用于低速、不重要的场合半开式半开式装有简单的防护罩,有时还把大齿轮部分浸入油装有简单的防护罩,有时还把大齿轮部分浸入油池中,比开式传动润滑好些,但仍不能严密防止灰砂及杂物池中,比开式传动润滑好些,但仍不能严密防止灰砂及杂物的的 浸入,多用于农业机械、建
3、筑机械及简单机械设备浸入,多用于农业机械、建筑机械及简单机械设备闭式闭式齿轮和轴承完全封闭在箱体内,能保证良好的润滑齿轮和轴承完全封闭在箱体内,能保证良好的润滑和较好的啮合精度,应用广泛。多用于汽车、机床及航空发和较好的啮合精度,应用广泛。多用于汽车、机床及航空发动动 机等的齿轮传动中机等的齿轮传动中.三、齿轮传动的设计要求三、齿轮传动的设计要求功率传动功率传动主要用来传递功率。强度要求主要用来传递功率。强度要求示数传动示数传动主要用来传递准确旋转运动。强度要求主要用来传递准确旋转运动。强度要求 精度要求精度要求四、齿轮传动的基本要求四、齿轮传动的基本要求齿轮传动应满足两项基本要求齿轮传动应满
4、足两项基本要求: :1)1)传动平稳传动平稳2)2)承载能力高承载能力高在齿轮设计、生产和科研中,有关齿廓曲线、齿轮强在齿轮设计、生产和科研中,有关齿廓曲线、齿轮强 度、制造精度、制造精度、加工方法以及热处理工艺等,基本上都是围度、加工方法以及热处理工艺等,基本上都是围 绕这两个基本要绕这两个基本要求进行的求进行的面硬度应比大轮高面硬度应比大轮高30305050HBS软齿面软齿面 硬齿面硬齿面HBSHBS350 350 HBSHBS350350原因:原因:1 1)小齿轮齿根强度较弱)小齿轮齿根强度较弱2 2)小齿轮的应力循环次数较多)小齿轮的应力循环次数较多3) 3) 当大小齿轮有较大硬度差时
5、,较硬的小齿轮会对较软当大小齿轮有较大硬度差时,较硬的小齿轮会对较软 的的大齿轮齿面产生冷作硬化的作用,可提高大齿轮的大齿轮齿面产生冷作硬化的作用,可提高大齿轮的 接触疲劳接触疲劳强度强度一、对齿轮材料的基本要求一、对齿轮材料的基本要求1.1.齿面要硬齿面要硬, , 齿芯要韧齿芯要韧2.2.易于加工及热处理易于加工及热处理3.3.为了保证大、小齿轮有相同的使用寿命,小轮齿为了保证大、小齿轮有相同的使用寿命,小轮齿第二节常用材料和热处理第二节常用材料和热处理.二、常用的齿轮材料二、常用的齿轮材料1.钢钢含碳量为含碳量为0.10.6常用常用性能最好性能最好(可通过热处理提高机械性能可通过热处理提高
6、机械性能) 锻钢锻钢钢材经锻造钢材经锻造, 性能提高性能提高最常用最常用45、35SiMn、42SiMn、40Cr、35CrMo(2)铸钢铸钢耐磨性和强度均较好,承载能力稍低于锻耐磨性和强度均较好,承载能力稍低于锻 钢,钢,常用于尺寸较大常用于尺寸较大(d400600mm)且不宜锻造的场且不宜锻造的场 合。合。 ZG310-570、ZG340-640 成本高成本高2. 铸铁铸铁用于开式、低速齿轮,强度差,易成型用于开式、低速齿轮,强度差,易成型灰口铸铁灰口铸铁 HT200、HT300球墨铸铁球墨铸铁 QT500-73.非金属材料非金属材料用于小功率、速度高、低噪音用于小功率、速度高、低噪音.三
7、、常用热处理三、常用热处理A、正火正火-批量小、单件生产、对传动尺寸没有严格限批量小、单件生产、对传动尺寸没有严格限 制时,常采用正火处理。制时,常采用正火处理。B、调质调质-得到的均是软齿面得到的均是软齿面(硬度硬度350HBS),常用于,常用于 对尺寸和精度要求不高的传动。对尺寸和精度要求不高的传动。C、整体(表面)淬火整体(表面)淬火-整体(表面)淬火后再低温回整体(表面)淬火后再低温回 火。常用材料为中碳钢或中碳合金钢。火。常用材料为中碳钢或中碳合金钢。D、渗碳淬火渗碳淬火-冲击载荷较大的齿轮,宜采用渗碳淬冲击载荷较大的齿轮,宜采用渗碳淬 火。常用材料有:低碳钢或低碳合金钢。火。常用材
8、料有:低碳钢或低碳合金钢。.E、表面氮化表面氮化-得到的均是硬齿面得到的均是硬齿面(硬度硬度350HBS),常用,常用 于高速、重载、精密传动于高速、重载、精密传动渗氮齿轮硬度高、变形小,适用于内齿轮和难于磨削的渗氮齿轮硬度高、变形小,适用于内齿轮和难于磨削的 齿轮。齿轮。碳氮共渗:碳氮共渗工艺时间短,且有渗氮的优点,可碳氮共渗:碳氮共渗工艺时间短,且有渗氮的优点,可 以代替渗碳淬火,其材料和渗碳淬火的相同。以代替渗碳淬火,其材料和渗碳淬火的相同。当两齿轮材料相同时,采用不同的热处理当两齿轮材料相同时,采用不同的热处理表 2. 5 一1小 模 数 齿 轮 常用材料和热处理材料名称优质碳素结构钢
9、 优质碳素工具钢合金钢不锈钢硬铝超硬铝 锡青铜铸铁青铜 黄铜夹布胶木卡普隆 高分子增强尼龙6 聚碳酸酷材料牌号15 2040 4550T8ATl OA 15Cr20Cr40Cr38CrMoAlA2Cr13Ni2ZCuSnl OP bl ZCuA19Mn2 H62热处理渗碳猝火回火正火或调质 猝火调质渗碳(氮)猝火、回火 调质渗氮调质渗氮猝火调质应用范围常用于圆周速度 3 mi s 以下的齿轮常用于圆周速度较高和强度较高的齿轮和蜗 杅常用于制造小齿轮和蜗杆用于制造承受冲击和交变载荷的齿轮和蜗杆 用于制造速度较高的耐磨齿轮用于制造需氮化的齿轮,热 处 理后不必磨齿 用于要求防锈、防腐的齿轮,猝火
10、后 变形极 小,齿面光泽用于制造要求重鱼轻、受力较小的齿轮用于制造高抗磨或防磁的重要齿轮及蜗轮 用于制造抗磨、防腐的次要齿轮及蜗轮用于制造抗磨、抗腐性要求一般的齿轮及蜗轮用于制造不要求抗磨性,要 求 抗 冲击、振动和 噪声小的齿轮.选择齿轮材料主要考虑传动特点和工作条件:选择齿轮材料主要考虑传动特点和工作条件:(小模数齿轮,应用范围(小模数齿轮,应用范围决定决定材料)材料)为保持精度持久为保持精度持久要求重量轻要求重量轻减小噪声或防腐蚀减小噪声或防腐蚀传动大功率传动大功率抗腐蚀和高耐磨抗腐蚀和高耐磨耐磨材料耐磨材料铝合金或非金属材料铝合金或非金属材料 非金属材料非金属材料硬度和强度较高的材料硬
11、度和强度较高的材料 合金钢合金钢抗腐蚀性、防磁性和机械性能都好抗腐蚀性、防磁性和机械性能都好青铜或黄铜青铜或黄铜四、齿轮材料的选择原则四、齿轮材料的选择原则齿轮的受力分析是设计齿轮的基础,同时,也可为齿轮的受力分析是设计齿轮的基础,同时,也可为 设计轴及轴承提供初始条件。设计轴及轴承提供初始条件。齿轮啮合时,可看作是两圆柱体的接触,其半径等齿轮啮合时,可看作是两圆柱体的接触,其半径等 于两齿廓在啮合点的曲率半径,啮合点由齿根向齿顶移于两齿廓在啮合点的曲率半径,啮合点由齿根向齿顶移 动(主动轮),疲劳损坏多发生在节点附近,且节点附动(主动轮),疲劳损坏多发生在节点附近,且节点附 近处一般只有一对
12、轮齿受载,故受力分析在节点啮合时近处一般只有一对轮齿受载,故受力分析在节点啮合时 计算。计算。第三节 齿轮传动受力分析第三节齿轮传动受力分析.一、直齿圆柱齿轮受力分析一、直齿圆柱齿轮受力分析受力分析步骤:受力分析步骤:力的作用点为节点;力的作用点为节点;轮齿间相互作用的法向轮齿间相互作用的法向力力(总作用力)(总作用力)Fn沿啮合线沿啮合线指向工作齿面;指向工作齿面;Fn分解为圆周力(切向分解为圆周力(切向 力)力)Ft、径向力、径向力Fr、轴向、轴向力力Fa 。一对直齿圆柱齿轮,若略去齿面间的摩擦力,轮齿节点处一对直齿圆柱齿轮,若略去齿面间的摩擦力,轮齿节点处 的法向力的法向力Fn可分解为两
13、对互相垂直的分力:切于分度圆上可分解为两对互相垂直的分力:切于分度圆上的圆周力的圆周力Ft1、Ft2 和沿半径方向的径向力和沿半径方向的径向力Fr1、Fr2 。.1 1、各力的大小、各力的大小161111nP1d2TT 9.55 10 F F Ft2T1cos dcos nF F tan rtt式中:式中:T1主动齿轮传递的名义转矩主动齿轮传递的名义转矩(N.mm);d1主动齿轮分度圆直径主动齿轮分度圆直径(mm); 分度圆压力角分度圆压力角();P1主动齿轮传递的功率主动齿轮传递的功率(kW);n1主动齿轮的转速主动齿轮的转速(r/min)。圆周力圆周力Ft的大小可直接由齿轮所传递的转矩确定
14、,的大小可直接由齿轮所传递的转矩确定,因此在进行齿因此在进行齿 轮受力分析时,总是将其它各力表轮受力分析时,总是将其它各力表示为示为Ft的函数。的函数。.2 2、各力的方向、各力的方向圆周力圆周力Ft :主动轮圆周力的方向与回转方向相:主动轮圆周力的方向与回转方向相反;从动轮圆周力的方向与回转方向相同。反;从动轮圆周力的方向与回转方向相同。径向力径向力Fr :分别指向各自轮心。:分别指向各自轮心。3 3、各力对应关系、各力对应关系作用在主动轮和从动轮上的各作用在主动轮和从动轮上的各 对应力大小相等,方向对应力大小相等,方向相反。相反。即:即:Fn1= -Fn2Ft1= -Ft2 Fr1= -F
15、r2.圆周力圆周力轴向力轴向力径向力径向力式中:式中: n 法面分度圆法面分度圆压力角压力角 t 端面分度圆压力角端面分度圆压力角 分度圆螺旋角分度圆螺旋角 b 基圆螺旋角基圆螺旋角1161nPd1T 9.55 10F F 2T1Fcos cos cos F Ftan F F tan n nt tn nt ta an nt tr rt t法向力法向力二、斜齿圆柱齿轮受力分析二、斜齿圆柱齿轮受力分析 1 1、各力的大小、各力的大小.2 2、各力的方向、各力的方向圆周力圆周力 Ft t:主动轮上的与转向相反,从动轮上的与转向相同;主动轮上的与转向相反,从动轮上的与转向相同; 径向力径向力Fr r:
16、分别指向各自轮心;分别指向各自轮心;轴向力轴向力Fa a:主动轮主动轮的轴向力用的轴向力用“左右手法则左右手法则”来判断:当主动来判断:当主动轮轮右旋时,用右手四指的弯曲方向表示主动轮的转动方向,大拇右旋时,用右手四指的弯曲方向表示主动轮的转动方向,大拇 指所指的方向即为轴向力的方向;主动轮左旋时,用左手来判指所指的方向即为轴向力的方向;主动轮左旋时,用左手来判 断,方法同上。断,方法同上。.3 3、各力对应关系、各力对应关系作用在主动轮和从动轮上的作用在主动轮和从动轮上的 各对应各对应力大小相等,方向相力大小相等,方向相 反。反。即:即:Fn1= -Fn2Ft1= -Ft2 Fr1= -Fr
17、2 Fa1= -Fa2.一对齿轮刚接触时的受力状态,是强度计算一对齿轮刚接触时的受力状态,是强度计算 的重要基础。齿根的应力集中是产生疲劳裂纹的的重要基础。齿根的应力集中是产生疲劳裂纹的 根源,所以齿根圆角不宜过小;齿根受拉应力的根源,所以齿根圆角不宜过小;齿根受拉应力的 一边更宜折断。一边更宜折断。.齿根危险截面的位置用齿根危险截面的位置用3030切线法确定。作与轮齿对切线法确定。作与轮齿对 称中心线成称中心线成3030角的两直线与齿根圆角过渡曲线相角的两直线与齿根圆角过渡曲线相切,连接两切点的齿厚即为齿根危险截面的齿厚。切,连接两切点的齿厚即为齿根危险截面的齿厚。30.161111nP12
18、T1d2TT 9.55 10 F F m1Ftcos dcos nF F tan sin a1t1F F tan cos r1t1m1t1式中:式中: dm1 主动轮主动轮1齿宽中点处的分度圆直径;齿宽中点处的分度圆直径; 分度圆压力角;分度圆压力角;1主动轮的分锥角;主动轮的分锥角;2 从动轮的分锥角;从动轮的分锥角;三、圆锥齿轮受力分析三、圆锥齿轮受力分析 1 1、各力的大小、各力的大小.2 2、各力的方向、各力的方向圆周力圆周力 Ft t:主动轮上的与转向相反,从动轮上主动轮上的与转向相反,从动轮上的的 与转向相同;与转向相同;径向力径向力Fr r:分别指向各自轮心;分别指向各自轮心;
19、轴向力轴向力Fa a:分分别指向各自大端。别指向各自大端。.3 3、各力对应关系、各力对应关系Fa1是轮是轮1的轴向力,也是的轴向力,也是轮轮2的径向力的径向力Fr2 即:即:Fn1= -Fn2Ft1= -Ft2Fa1= -Fr2 Fr1= -Fa2.四、蜗杆、蜗轮受力分析四、蜗杆、蜗轮受力分析作用于蜗轮上的转矩作用于蜗轮上的转矩T2(Nm)使其匀)使其匀 速转动速转动, 蜗轮分度圆直径为蜗轮分度圆直径为d2,则作用于其分度圆上节点处的则作用于其分度圆上节点处的圆周力圆周力:Ft T2 / d2在端面内轮齿的在端面内轮齿的正压力正压力:Ftn Ft / cos 法面内齿轮的法面内齿轮的正压力正
20、压力:Fn Ft / (cos ncos) 作用于蜗轮作用于蜗轮上的上的轴向力轴向力:Fx Fttan 作用于蜗轮、蜗杆上的作用于蜗轮、蜗杆上的径向力径向力:Fr Fttan 蜗杆上的轴向力与蜗轮上的圆周力相等,蜗杆上的轴向力与蜗轮上的圆周力相等, 蜗杆上的圆周力与蜗轮上的轴向力相等。蜗杆上的圆周力与蜗轮上的轴向力相等。.五、五、 齿轮传动的受力分析小结齿轮传动的受力分析小结在作齿轮传动的受力分析时,必须要分清在作齿轮传动的受力分析时,必须要分清主动轮主动轮和和从动从动 轮轮。关于各力的大小已经给出计算公式,下面将着重就如何正关于各力的大小已经给出计算公式,下面将着重就如何正 确地确地判断各力
21、的方向和做到在图中正确地标注进行讨论判断各力的方向和做到在图中正确地标注进行讨论:1)圆周力)圆周力Ft :主反从同主反从同,即主动轮的圆周力为阻力,与,即主动轮的圆周力为阻力,与回回 转方向相反;从动轮的圆周力为驱动力,与回转方向相同。转方向相反;从动轮的圆周力为驱动力,与回转方向相同。2)径向力)径向力Fr:分别指向各自轮心分别指向各自轮心。注意注意:这一结论在大:这一结论在大多多 数情况下是正确的,唯一例外的是对于圆柱内齿轮其径向力数情况下是正确的,唯一例外的是对于圆柱内齿轮其径向力Fr 应为背离其轮心。应为背离其轮心。3)轴向力)轴向力Fa :直齿圆柱齿轮没有轴向力直齿圆柱齿轮没有轴向
22、力,即,即Fa = 0 ,它,它可视可视 为斜齿圆柱齿轮的特例。为斜齿圆柱齿轮的特例。.斜齿圆柱齿轮轴向力斜齿圆柱齿轮轴向力Fa 的方向取决于齿轮的回的方向取决于齿轮的回 转方向和轮齿螺旋线方向。转方向和轮齿螺旋线方向。主动轮轴向力主动轮轴向力Fa可用可用左、右手定则左、右手定则来判断:当主动来判断:当主动 轮为右旋时,用右手,主动轮为左旋时,用左轮为右旋时,用右手,主动轮为左旋时,用左手,以四指的弯曲方向表示主动轮的转向,则拇手,以四指的弯曲方向表示主动轮的转向,则拇 指指向即为它所受轴向力的方向。指指向即为它所受轴向力的方向。从动轮轴向力从动轮轴向力方向:与主动轮的轴向力方向相反。方向:与
23、主动轮的轴向力方向相反。 需要强调需要强调:上述左右手定则仅适用于:上述左右手定则仅适用于主动轮主动轮。直齿锥齿轮轴向力直齿锥齿轮轴向力Fa 的方向:由的方向:由小端小端指向指向大端大端。.圆柱齿轮和直齿锥齿轮传动各分力方向的判断方法可综合如下表:斜齿圆柱齿轮和直齿锥齿轮传动各分力方向的标示斜齿圆柱齿轮和直齿锥齿轮传动各分力方向的标示 方法如下图所示:方法如下图所示:.六、典型例题分析六、典型例题分析齿轮传动受力分析这类题目,一般给定齿轮传动受力分析这类题目,一般给定 传动方案、输入或输出齿轮轴转向以及某个传动方案、输入或输出齿轮轴转向以及某个 斜齿轮的轮齿旋向,另可附加一些其他条斜齿轮的轮齿
24、旋向,另可附加一些其他条 件。要求确定输出或输入齿轮轴转向,其余件。要求确定输出或输入齿轮轴转向,其余 待定齿轮轮齿旋向,标出齿轮所受各分力的待定齿轮轮齿旋向,标出齿轮所受各分力的 方向以及画出某齿轮轴的空间受力简图等。方向以及画出某齿轮轴的空间受力简图等。.例例1 两级斜齿圆柱齿轮传动如图所示。两级斜齿圆柱齿轮传动如图所示。 已知动力输入已知动力输入 轴轴的转向。试求:的转向。试求:标出输出轴标出输出轴的转向;的转向;确定齿轮确定齿轮2 、3、 4 的轮齿旋向,为减小轮齿偏载,的轮齿旋向,为减小轮齿偏载, 要求轴要求轴上两斜齿轮轴向力可相互抵消部分;上两斜齿轮轴向力可相互抵消部分;(1)(1
25、) 标出齿轮标出齿轮2 、3 所受各分力的方向。所受各分力的方向。.解解:输出轴的转向、齿轮:输出轴的转向、齿轮2、 3、 4 轮齿的旋向以及齿轮齿的旋向以及齿轮轮2 、3 所受各分力的方向见下图。所受各分力的方向见下图。解题思路:解题思路:(1) (1) 中间轴上两轮轮齿旋向相同中间轴上两轮轮齿旋向相同 要想使轴要想使轴上两斜齿轮上两斜齿轮所受轴向所受轴向 力相互抵消一部分,以减小中间力相互抵消一部分,以减小中间 轴上轴承的轴上轴承的轴向载荷,必须使该轴向载荷,必须使该 轴上两斜齿轮所受轴向力方向相轴上两斜齿轮所受轴向力方向相 反。由于两齿轮转向相同,螺旋反。由于两齿轮转向相同,螺旋 线方向
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