《机械设计》课件:3齿轮.ppt
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- 机械设计 课件 齿轮
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1、齿轮传动的特点齿轮传动的特点优点:传递功率和转速适用范围广;优点:传递功率和转速适用范围广; 具有稳定的传动比;具有稳定的传动比; 效率高、结构紧凑。效率高、结构紧凑。缺点:制造成本较高;缺点:制造成本较高; 精度低时,噪声和振动较大;精度低时,噪声和振动较大; 不宜用于轴间距离较大的传动。不宜用于轴间距离较大的传动。重点重点失效形式与设计准则失效形式与设计准则受力分析(直齿、斜齿圆柱齿轮,锥齿轮)受力分析(直齿、斜齿圆柱齿轮,锥齿轮)齿根弯曲疲劳强度与齿面接触疲劳强度的影响参数齿根弯曲疲劳强度与齿面接触疲劳强度的影响参数齿数、模数、齿宽、螺旋角对齿轮传动的强度和平齿数、模数、齿宽、螺旋角对齿
2、轮传动的强度和平稳性有什么影响?稳性有什么影响?闭式传动闭式传动开式传动开式传动半开式传动半开式传动封闭在箱体内,润滑条件好封闭在箱体内,润滑条件好外露,润滑较差,易磨损外露,润滑较差,易磨损介于上两者之间,有防护罩介于上两者之间,有防护罩n1Fn1变载荷变载荷力的作用点力的作用点变化变化变弯矩变弯矩变应力变应力3-1 齿轮传动失效形式和设计准则齿轮传动失效形式和设计准则一、失效形式一、失效形式1、轮齿折断、轮齿折断疲劳折断疲劳折断过载折断过载折断全齿折断全齿折断常发生于齿宽较小的直齿轮常发生于齿宽较小的直齿轮局部折断局部折断常发生于齿宽较大的直齿轮,和斜齿轮常发生于齿宽较大的直齿轮,和斜齿轮
3、措施:增大齿根圆角半径、措施:增大齿根圆角半径、 提高齿面精度、正变位、增大提高齿面精度、正变位、增大模数等模数等2、齿面疲劳点蚀、齿面疲劳点蚀点蚀常发生于闭式软齿面(点蚀常发生于闭式软齿面(HBS350)传动中)传动中点蚀的形成与润滑油的存在密切相关点蚀的形成与润滑油的存在密切相关点蚀常发生于偏向齿根的节线附近点蚀常发生于偏向齿根的节线附近开式传动中一般不会出现点蚀现象开式传动中一般不会出现点蚀现象措施:提高齿面硬度和齿面质量、增大直径措施:提高齿面硬度和齿面质量、增大直径3、齿面胶合、齿面胶合配对齿轮采用异种金属时,其抗胶合能力比同种金属强配对齿轮采用异种金属时,其抗胶合能力比同种金属强4
4、、齿面磨损、齿面磨损是开式传动的主要失效形式是开式传动的主要失效形式5、齿面塑性变形、齿面塑性变形措施:提高齿面硬度,采用油性好的润滑油措施:提高齿面硬度,采用油性好的润滑油措施:采用异种金属、降低齿高、提高齿面硬度等措施:采用异种金属、降低齿高、提高齿面硬度等措施:改善润滑和密封条件措施:改善润滑和密封条件二、齿轮传动的设计准则二、齿轮传动的设计准则主要针对疲劳折断和齿面点蚀这两种失效形式主要针对疲劳折断和齿面点蚀这两种失效形式齿根弯曲疲劳强度齿根弯曲疲劳强度齿轮抵抗轮齿疲劳折断的能力齿轮抵抗轮齿疲劳折断的能力齿面接触疲劳强度齿面接触疲劳强度齿轮抵抗齿面疲劳点蚀的能力齿轮抵抗齿面疲劳点蚀的能
5、力开式齿轮传动按齿根弯曲疲劳强度设计开式齿轮传动按齿根弯曲疲劳强度设计m,再将,再将m增大增大1015%,不校核齿面接触强度,不校核齿面接触强度设计准则一:设计准则一:闭式软齿面(闭式软齿面( HBS350)传动)传动齿面点蚀齿面点蚀按齿面接触疲劳强度设计,校核齿根弯按齿面接触疲劳强度设计,校核齿根弯曲疲劳强度。曲疲劳强度。设计准则二:设计准则二:闭式硬齿面(闭式硬齿面( HBS350)传动)传动齿根弯曲疲劳折断齿根弯曲疲劳折断按齿根弯曲疲劳强度设计,校核按齿根弯曲疲劳强度设计,校核齿面接触疲劳强度。齿面接触疲劳强度。3-2 齿轮材料及其热处理齿轮材料及其热处理一、齿轮材料一、齿轮材料金属材料
6、金属材料45号钢号钢中碳合金钢中碳合金钢铸钢铸钢低碳合金钢低碳合金钢最常用,经济、货源充足最常用,经济、货源充足铸铁铸铁35SiMn、40MnB、40Cr等等20Cr、20CrMnTi等等ZG310-570、ZG340-640等等HT350、QT600-3等等非金属材料非金属材料尼龙、夹木胶布等尼龙、夹木胶布等选材时考虑:选材时考虑:工作条件、载荷性质、经济性、制造方法等工作条件、载荷性质、经济性、制造方法等齿轮毛坯锻造齿轮毛坯锻造选可锻材料;铸造选可锻材料;铸造选可铸材料选可铸材料二、热处理二、热处理调调 质质正正 火火表面淬火表面淬火渗碳淬火渗碳淬火表面氮化表面氮化软齿面。软齿面。改善机械
7、性能,增大强度和韧性改善机械性能,增大强度和韧性硬齿面。硬齿面。接触强度高、耐磨性好、可抗冲击接触强度高、耐磨性好、可抗冲击配对齿轮均采用软齿面时:配对齿轮均采用软齿面时:小齿轮受载次数多,故材料应选好些,热处理硬度小齿轮受载次数多,故材料应选好些,热处理硬度稍高于大齿轮(约稍高于大齿轮(约2050HBS)法向力:法向力:圆周力圆周力3-3 直齿圆柱齿轮传动的受力分析及计算载直齿圆柱齿轮传动的受力分析及计算载荷荷一、轮齿受力分析一、轮齿受力分析条件:标准齿轮并忽略齿面间的摩擦力条件:标准齿轮并忽略齿面间的摩擦力受力图受力图112bndTF小齿轮基圆小齿轮基圆直径直径 mm小齿轮转矩小齿轮转矩N
8、.mNdTFt11/2径向力径向力NtgFFtr法向力法向力NFFtncos/小齿轮分小齿轮分度圆直径度圆直径分度圆分度圆压力角压力角注意:下标注意:下标“1”表示主动轮表示主动轮 下标下标“2”表示从动轮表示从动轮 21各力关系:各力关系:21ttFF21rrFF各力方向:各力方向: Ft1与主动轮回转方向相反与主动轮回转方向相反Ft2与从动轮回转方向相同与从动轮回转方向相同Fr1 、Fr2分别指向各自齿轮的轮心分别指向各自齿轮的轮心n2n1Fr2Fr1Ft1Ft2n1n2二、计算载荷二、计算载荷FncFnc= K Fn= K Ft /cos 载荷系数载荷系数K = KA Kv KKKv K
9、K影响因素:影响因素:近似取:近似取:K = 1.31.7原动机为电动机、汽轮机原动机为电动机、汽轮机齿轮对称布置齿轮对称布置 齿轮制造精度高齿轮制造精度高 斜齿轮传动斜齿轮传动 K取小值取小值原动机为单缸内燃机原动机为单缸内燃机 开式齿轮传动开式齿轮传动 齿轮速度高齿轮速度高 K取大值取大值3-4 直齿圆柱齿轮传动的强度计算直齿圆柱齿轮传动的强度计算齿轮承载能力计算标准:齿轮承载能力计算标准:基本理论:基本理论:一、齿根弯曲疲劳强度计算一、齿根弯曲疲劳强度计算轮齿受载后,相当于悬臂梁轮齿受载后,相当于悬臂梁故齿根部分弯曲应力最大,是危险截面故齿根部分弯曲应力最大,是危险截面Fn为防止轮齿折断
10、,必须保证:为防止轮齿折断,必须保证:FFP危险截面危险截面弯曲应力弯曲应力许用弯曲许用弯曲应力应力假设:全部载荷由一对轮齿承担,并忽略摩擦力假设:全部载荷由一对轮齿承担,并忽略摩擦力载荷作用于齿顶时的受力分析:载荷作用于齿顶时的受力分析:水平分力水平分力 F1 = FncosF垂直分力垂直分力 F2 = FnsinF齿顶载荷齿顶载荷作用角作用角引起弯曲应力引起弯曲应力引起压应力(忽略不计)引起压应力(忽略不计)危险截面的具体位置在哪?危险截面的具体位置在哪?cos)(cos)(62msmhbmKFFFFt常用常用30切线法确定危险截面位置切线法确定危险截面位置齿根弯曲疲劳强度计算以受拉边为计
11、算依据齿根弯曲疲劳强度计算以受拉边为计算依据齿根弯曲疲劳强度条件:齿根弯曲疲劳强度条件:FPFWM力臂为力臂为 hF,齿根厚为,齿根厚为 sF弯矩:弯矩:M = F1 hF= FncosF hFK抗弯截面系数:抗弯截面系数:W = b sF2/6(矩形截面)(矩形截面)齿宽齿宽2cos6FFFnbshKFFn=Ft/cos分子、分母分子、分母同除以同除以m2 令其为齿形令其为齿形系数系数 YFa弯曲应力:弯曲应力:FatFYbmKFcos)(cos)(62msmhYFFFFa齿形系数齿形系数msmhFF 、 与齿形有关的比例系数与齿形有关的比例系数YFa与模数的大小无关,只取决于轮齿的形状与模
12、数的大小无关,只取决于轮齿的形状当齿廓的基本参数已定时,当齿廓的基本参数已定时,YFa取决于齿数取决于齿数 Z 和变位系数和变位系数考虑齿根应力集中,引入应力修正系数考虑齿根应力集中,引入应力修正系数 Ysa,则,则SaFatFYYbmKFSaFaYYbmdKT112Ft =2T1/d1标准齿轮:标准齿轮: z 越多,越多,YFaYSa越小越小弯曲强度条件:弯曲强度条件:引入齿宽系数引入齿宽系数 d = b/d1,并代入,并代入 d1 = mz1,则:,则:FPSaFadFYYzmKT21312设计式:设计式:mmYYzKTmFPSaFad32112讨论:讨论:m弯曲强度弯曲强度齿厚齿厚 s截
13、面积截面积 F标准齿轮标准齿轮 YFa1YSa1YFa2YSa2故故F1 F2FPSaFaFYYbmdKT112中心距中心距 a、传动比、传动比 i 一定时一定时(d不变)不变):YFaYSa m FF m 平稳平稳 h 切削量少切削量少原则:在保证齿根弯原则:在保证齿根弯曲强度的前提下,选曲强度的前提下,选取尽可能多的齿数。取尽可能多的齿数。闭式软齿面传动:闭式软齿面传动:z1 =2040闭式硬齿面和开式传闭式硬齿面和开式传动:动:z1 =1720F许用应力与材料、齿面硬度、应力循环次数等因素有关许用应力与材料、齿面硬度、应力循环次数等因素有关许用弯曲应力许用弯曲应力FPMPaYSYNFST
14、FFPminlimHBSFlimMEMQML 三种硬度单位之比较:三种硬度单位之比较:HV(维氏维氏) HBS(布氏布氏);HRC(洛氏洛氏)10 HBS 应力循环次数应力循环次数 N=60na t每转一圈同侧每转一圈同侧齿面啮合次数齿面啮合次数: 双侧受载时双侧受载时,F为对称循环为对称循环,应将应将减小减小30% 开式齿轮传动,考虑磨损,应将开式齿轮传动,考虑磨损,应将减小减小20%单侧受载,单侧受载,F 为脉动循环为脉动循环双侧受载,双侧受载,F 为对称循环为对称循环主动主动主动主动二、齿面接触疲劳强度计算二、齿面接触疲劳强度计算闭式软齿面齿轮传动的主要闭式软齿面齿轮传动的主要失效形式是
15、失效形式是强度条件:强度条件:工作时的工作时的接触应力接触应力许用接触许用接触应力应力根据根据Hertz公式求出公式求出aLFnH24222121211111EELFn负号用于负号用于内接触内接触令:令:21111 综合曲率半径综合曲率半径可将可将Hertz公式推广到其它曲面接触公式推广到其它曲面接触则则1 、 2表示接触处的曲率半径表示接触处的曲率半径节点处的曲率半径:节点处的曲率半径:sin2111dCNsin2222dCN又:又:u = z2 / z1 = d2 / d1、L = b 、Fn = Ft / cos ,并引入并引入KubduKTEEH211222121)1(2cossin2
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