任務1選擇齒輪的材料及熱處理方法任務2按齒面接觸疲勞強度設計漸開線標準直齒圓柱齒輪傳動任務3計算漸開線標準直齒圓柱齒輪傳動的幾何尺寸任務4按齒根彎曲疲勞強度校核漸開線標準直齒圓柱齒輪傳動任務5確定齒輪傳動的精度任務6設計齒輪的結(jié)構工作任務第六模塊

齒輪傳動的設計學習目標能正確選擇一般齒輪的材料及熱處理方法掌握直齒圓柱齒輪的嚙合特點及幾何尺寸的計算了解齒輪常見的失效形式及設計準則掌握按強度理論設計直齒圓柱齒輪傳動的方法和步驟掌握直齒圓柱齒輪的結(jié)構設計第六模塊

齒輪傳動的設計沖床的傳動系統(tǒng)沖床的傳動系統(tǒng)中的齒輪傳動，位于傳動系統(tǒng)的低速級，采用漸開線外嚙合直齒圓柱齒輪傳動，如圖6-1所示。圖6-1漸開線外嚙合直齒圓柱齒輪傳動如圖6-1所示，齒輪傳動由主動齒輪、從動齒輪和機架組成，利用兩齒輪的輪齒相互嚙合傳遞兩軸間的運動和動力，是一種應用廣泛的機械傳動。

對齒輪傳動的基本要求是：1）傳動正確、平穩(wěn)齒輪在傳動過程中，要求瞬時傳動比恒定，以免產(chǎn)生沖擊、振動和噪聲。2）承載能力強、使用壽命長要求齒輪尺寸小、重量輕，能傳遞較大的動力，有較長的使用壽命。6.1預備知識6.0.1齒輪傳動的特點和基本類型6.0.2漸開線齒廓及其嚙合特性6.0.1齒輪傳動的特點和基本類型1.齒輪傳動的特點與其他傳動相比，齒輪傳動能實現(xiàn)任意位置的兩軸傳動，具有工作可靠、壽命長

、傳動比恒定、效率高、結(jié)構緊湊、速度和功率的適用范圍廣等優(yōu)點，但其制造及安裝精度要求高，加工齒輪需要專用機床和設備，成本較高，且不宜用于傳動距離較大的場合。2.齒輪傳動的基本類型對于齒輪來說，按輪齒的方向分，有直齒輪、斜齒輪、人字齒輪；按齒的加工表面分，有外齒輪、內(nèi)齒輪、齒條；按齒輪的形狀分，有圓柱齒輪、圓錐齒輪、蝸桿蝸輪；按齒面硬度分，有軟齒面齒輪（齒面硬度≤350HBW）、硬齒面齒輪（齒面硬度＞350HBW）。因此，可將齒輪傳動作如下分類：6.0.1齒輪傳動的特點和基本類型1）按兩軸線的相互位置分（1）平面齒輪傳動：兩軸平行時的齒輪傳動，采用圓柱齒輪傳動來實現(xiàn)。（2）空間齒輪傳動：兩軸不平行時的齒輪傳動，包括兩軸相交和兩軸交錯兩種情況。2）按工作條件分（1）閉式齒輪傳動：齒輪、軸和軸承等都裝在封閉箱體內(nèi)，潤滑條件良好，雜質(zhì)不易進入，安裝精確，有良好的工作條件，應用最廣泛。（2）開式齒輪傳動：齒輪暴露在外，不能保證良好的潤滑，只宜用于低速傳動。（3）半閉（開）式齒輪傳動：齒輪浸入油池，有護罩，但不封閉。6.0.1齒輪傳動的特點和基本類型根據(jù)嚙合方式及齒向等進一步細分如下，如圖6-2所示。6.0.2漸開線齒廓及其嚙合特性齒輪機構要保證瞬時傳動比恒定，以達到平穩(wěn)傳動，能滿足這一要求的齒廓曲線很多，考慮到制造，安裝和強度等方面的要求，目前采用的有漸開線齒廓、擺線齒廓和圓弧齒廓。其中漸開線齒廓由于較易制造、便于安裝和互換性好，用得最廣，如圖6-3所示。6.0.2漸開線齒廓及其嚙合特性1.漸開線的形成及其特性如圖6-4所示，一直線在一圓周上作純滾動時，該直線上任意點的軌跡稱為該圓的漸開線。該圓稱為漸開線的基圓，該直線稱為發(fā)生線。由漸開線的形成過程可知，它具有下列特性：1）發(fā)生線沿著基圓滾過的直線長度等于基圓上被滾過的圓弧長度。2）漸開線上任一點的法線必與基圓相切，切點N是漸開線上K點的曲率中心，線段是漸開線上K點的曲率半徑。3）漸開線上K點所受的壓力Fn的方向與該點速度vK的方向所夾銳角αK，稱為漸開線在K點的壓力角。由圖6-4可知：（6-1）6.0.2漸開線齒廓及其嚙合特性（6-1）式中

rb——基圓半徑；rK——漸開線上K點的向徑。漸開線上各點壓力角不等，rK越大，壓力角越大；基圓上的壓力角等于0o。4）漸開線形狀取決于基圓大小。如圖6-5所示，基圓越大，漸開線越平直；當基圓半徑趨于無窮大時，其漸開線將成為直線。齒條的齒廓就是這樣的直線。5）基圓以內(nèi)無漸開線。6.0.2漸開線齒廓及其嚙合特性6.0.2漸開線齒廓及其嚙合特性2.漸開線齒廓的嚙合特性1）瞬時傳動比恒定如圖6-6所示，公法線nn與兩輪連心線

O1O2

的交點P稱為節(jié)點，顯然P為一定點。分別以O1、O2為圓心，過節(jié)點的圓稱為節(jié)圓，節(jié)圓半徑分別用r1′、r2′表示。所以有（6-2）即漸開線齒廓能實現(xiàn)定傳動比傳動。2）中心距可分性如圖6-6所示，安裝后兩輪中心O1、O2的距離稱為安裝中心距，用a′表示，可知a′=r1′+r2′（6-3）6.0.2漸開線齒廓及其嚙合特性顯然，漸開線齒輪傳動的安裝中心距略有變化，節(jié)圓半徑也隨之變化，但在漸開線齒廓加工完成之后，兩輪基圓半徑不變，所以傳動比仍保持不變，這種中心距稍有變化并不改變傳動比的性質(zhì)，稱為中心距的可分性。中心距的可分性是漸開線齒輪傳動的一個重要優(yōu)點，當由于制造或安裝上的誤差，使兩齒輪的實際中心距略大于設計值時，不會影響傳動比的大小。這為齒輪的加工和裝配帶來了方便。

3）傳遞壓力方向不變根據(jù)漸開線的性質(zhì)，無論兩齒廓在何位置接觸，過接觸點K的公法線nn就是兩基圓的內(nèi)公切線，而兩齒廓間的正壓力又是沿接觸點的公法線方向的，所以漸開線齒輪在傳動過程中，齒廓間的壓力方向始終不變，它使傳動平穩(wěn)，是漸開線齒輪傳動的又一個優(yōu)點。兩輪齒廓嚙合點的軌跡稱為嚙合線，與兩齒廓接觸點的公法線nn重合，在齒輪傳動中嚙合線為一定直線。6.1任務1——選擇齒輪的材料及熱處理方法【任務描述與分析】沖床傳動系統(tǒng)中的齒輪傳動，采用二級直齒圓柱齒輪傳動。本任務就是根據(jù)沖床的工作情況確定齒輪的材料及熱處理方式，以滿足齒輪傳動的工作要求。具體內(nèi)容包括：1）齒輪傳動的失效形式和設計準則；2）齒輪常用的材料及熱處理方式；

【相關知識與技能】6.2.1選擇齒輪材料及熱處理方法的依據(jù)1.齒輪傳動的失效形式齒輪的失效都發(fā)生在輪齒上，常見的輪齒失效形式有以下五種：1）輪齒折斷齒輪在工作時輪齒受彎，齒的根部彎曲應力最大，而且有應力集中，故輪齒折斷通常發(fā)生在齒根部分。輪齒折斷分為過載折斷和疲勞折斷，如圖6-7所示。過載折斷是由于輪齒受短期過載或過大的沖擊而產(chǎn)生的。疲勞折斷是由于輪齒承受多次重復彎矩作用，在齒根處產(chǎn)生疲勞裂紋，裂紋逐漸擴展而發(fā)生的。6.1任務1——選擇齒輪的材料及熱處理方法2）齒面點蝕齒輪嚙合時，齒面間會產(chǎn)生脈動循環(huán)變化的接觸應力。當這種應力超過材料的接觸疲勞極限時，齒廓表面就會產(chǎn)生細小的疲勞裂紋，裂紋擴展使齒面金屬微粒脫落，形成不規(guī)則的小坑或麻點，這種現(xiàn)象稱為齒面點蝕，如圖6-8所示。實踐表明，疲勞點蝕首先出現(xiàn)在節(jié)線附近的齒根面上。齒面點蝕常出現(xiàn)于軟齒面閉式齒輪傳動中。6.1任務1——選擇齒輪的材料及熱處理方法3）齒面膠合在高速重載的齒輪傳動中，由于齒面壓力大，相對滑動速度大，摩擦發(fā)熱而產(chǎn)生局部瞬時高溫，如散熱條件不好，導致油膜破裂，齒面金屬直接接觸，發(fā)生瞬時點焊（粘結(jié)）。當齒面相對運動時，強度較弱的齒面金屬會被撕落，形成與滑動方向一致的溝痕，這就是齒面膠合現(xiàn)象，如圖6-9所示。載荷愈大，相對滑動速度愈高，愈易發(fā)生膠合。在低速重載的齒輪傳動中，由于過大的壓力齒面間油膜易破裂，也會發(fā)生齒面膠合失效。6.1任務1——選擇齒輪的材料及熱處理方法4）齒面磨損如圖6-10所示，齒面磨損有兩種形式：磨粒磨損、跑合性磨損。磨粒磨損是由于硬顆粒（砂粒、鐵屑等）落入嚙合表面而引起的磨損，跑合性磨損是由于兩齒面在相對滑動中相互摩擦而引起的磨損。磨損嚴重時，齒側(cè)間隙增大，齒根變薄，甚至發(fā)生輪齒折斷。在開式齒輪傳動中，磨粒磨損是主要失效形式。6.1任務1——選擇齒輪的材料及熱處理方法5）齒面塑性變形軟齒面齒輪在載荷及摩擦力較大時，會使輪齒表面金屬產(chǎn)生塑性流動，從而失去原來的正確齒形，這種現(xiàn)象稱為輪齒的塑性變形，如圖6-11所示。在設計與工作條件相符的情況下，這種失效形式一般不會發(fā)生。2.齒輪傳動的設計準則齒輪失效形式的分析，為齒輪的設計和制造、使用與維護提供了科學的依據(jù)。齒輪的失效形式雖多種多樣，但對某一具體使用場合并不同時發(fā)生。目前，對于齒面磨損和齒面塑性變形，還沒有較成熟的計算方法。關于齒面膠合，我國雖已制訂出漸開線圓柱齒輪膠合承載能力計算方法，但只在設計高速重載齒輪傳動中，才作膠合計算。對于一般齒輪傳動，通常只按齒根彎曲疲勞強度或齒面接觸疲勞強度進行計算。對于軟齒面閉式齒輪傳動，由于主要失效形式是齒面點蝕，故應按齒面接觸疲勞強度進行設計計算，再校核齒根彎曲疲勞強度。對于硬齒面閉式齒輪傳動，由于主要失效形式是輪齒折斷，故應按齒根彎曲疲勞強度進行設計計算，再校核齒面接觸疲勞強度。開式齒輪傳動或鑄鐵齒輪，僅按齒根彎曲疲勞強度設計計算?？紤]磨損的影響，可將模數(shù)加大10~20%。6.1任務1——選擇齒輪的材料及熱處理方法6.2.2齒輪常用材料及熱處理齒輪的齒面應具有較高的耐磨損、抗點蝕、抗膠合及抗塑性變形的能力，而齒根要有較高的抗折斷的能力。因此，對齒輪材料性能的基本要求為：齒面要硬、齒芯要韌，并具有良好的切削加工性能和熱處理性能。齒輪常用材料有優(yōu)質(zhì)碳素鋼、合金結(jié)構鋼、鑄鋼、鑄鐵，非金屬等。常用牌號及其力學性能列于表6-1。由于小齒輪齒根強度較弱，受載次數(shù)又多，為使大、小齒輪壽命接近，常使小齒輪齒面硬度比大齒輪齒面硬度高，對進行調(diào)質(zhì)和正火處理的軟齒面齒輪，小齒輪齒面硬度比大齒輪齒面高30~50HBW，傳動比越大時，硬度差也應越大。6.1任務1——選擇齒輪的材料及熱處理方法表6-1齒輪常用材料及其力學性能材料牌號熱處理力學性能(MPa)應用范圍硬度抗拉強度σb屈服點σs疲勞極限σ-1極限循環(huán)次數(shù)優(yōu)質(zhì)碳素鋼45正火調(diào)質(zhì)170~200HBW220~250HBW610~700750~900360450260~300320~360107一般傳動整體淬火40~45HRC1000750430~450(3~4)107體積小的閉式傳動、重載、無沖擊表面淬火45~50HRC750450320~360(6~8)107體積小的閉式傳動、重載、有沖擊6.1任務1——選擇齒輪的材料及熱處理方法合金結(jié)構鋼35SiMn調(diào)質(zhì)200~260HBW750500380107一般傳動

40Cr42SiMn40MnB調(diào)質(zhì)250~280HBW900~1000800450~500

整體淬火45~50HRC1400~16001000~1100550~650(4~6)107體積小的閉式傳動、重載、無沖擊

表面淬火50~55HRC1000850500(6~8)107體積小的閉式傳動、重載、有沖擊

20Cr20SiMn20MnB滲碳淬火56~62HRC800650420(9~15)107沖擊載荷

20CrMnTi20MnVB滲碳淬火

1100850525

高速、中載、大沖擊

12CrNi3滲碳淬火

950

500~550

鑄鋼ZG270-550ZG310-570ZG340-640正火140~176HBW160~210HBW180~210HBW500550600300320350230240260107v<6~7m/s的一般傳動鑄鐵HT200HT300

170~230HBW190~250HBW200300

100~120130~150

v<3m/s的不重要傳動

QT400-15QT600-3正火156~200HBW200~270HBW400600300420200~220240~260

v<4~5m/s的一般傳動夾布膠木

30~40HBW85~100

高速，輕載塑料MC尼龍

20HBW9060

中、低速，輕載6.1任務1——選擇齒輪的材料及熱處理方法【任務實施與訓練】6.2.3選擇沖床傳動系統(tǒng)中齒輪材料及熱處理方法設計步驟如下：

（以高速級齒輪傳動為例）設計項目計算及說明結(jié)果1、選擇齒輪材料及熱處理方法查表6-1，小齒輪齒面硬度比大齒輪齒面高30~50HBW

小齒輪45#，調(diào)質(zhì)，硬度220~250HBW取240HBW大齒輪45#，正火，硬度170~200HBW取190HBW2、確定齒輪的設計準則根據(jù)齒面硬度可知，該齒輪傳動屬于軟齒面閉式齒輪傳動，其主要失效形式是齒面點蝕按齒面接觸疲勞強度進行設計，再校核齒根彎曲疲勞強度低速級齒輪的材料與熱處理方式的選擇與高速級一致，這里不再重復。6.2任務2——按齒面接觸疲勞強度設計齒輪傳動【任務描述與分析】沖床傳動系統(tǒng)中的齒輪傳動，如圖6-12所示，采用二級展開式圓柱齒輪傳動。對于高速級齒輪傳動，傳動比i1=3.80，主動齒輪裝在Ι軸上，Ι軸的功率為PⅠ＝3.96kW，轉(zhuǎn)速為nⅠ＝720r/min；對于低速級齒輪傳動，傳動比i2=2.71，主動齒輪裝在Ⅱ軸上，Ⅱ軸的功率為PⅡ＝3.76kW，轉(zhuǎn)速為nⅡ＝189.47r/min；圖6-12二級展開式圓柱齒輪減速器傳動示意圖1—高速級2—低速級本任務就是根據(jù)齒輪傳動所傳遞的功率、主動齒輪轉(zhuǎn)速以及傳動比，按齒面接觸疲勞強度來設計，計算出小齒輪的分度圓直徑。具體設計內(nèi)容主要包括：1）輪齒的受力分析；2）確定兩齒輪的許用接觸應力；3）按齒面接觸疲勞強度進行校核計算和設計計算。6.2任務2——按齒面接觸疲勞強度設計齒輪傳動6.3.1輪齒的受力分析為了計算齒輪強度，同時也為軸和軸承計算做準備，首先需要對輪齒進行受力分析。下面以漸開線標準直齒圓柱齒輪傳動為例進行研究。齒輪嚙合傳動時，齒面上的摩擦力與輪齒所受載荷相比很小，可略去不計。因此，在一對嚙合的齒面上，只作用著沿嚙合線方向的法向力Fn，取主動小齒輪為研究對象，設法向力Fn集中作用在分度圓上齒寬中點，如圖6-13所示。將Fn可以分解為切于分度圓的圓周力Ft和沿半徑方向的徑向力Fr，其大小分別為：圓周力

（6-4）徑向力

（6-5）法向力

（6-6）式中

T1——主動輪傳遞的轉(zhuǎn)矩（Nmm）；d1——主動輪分度圓直徑（mm）；α——分度圓壓力角，對標準齒輪：α=20o。6.3任務2——按齒面接觸疲勞強度設計齒輪傳動根據(jù)作用力與反作用力的關系，作用在主動輪和從動輪上的各對力的大小相等、方向相反。主動輪上的圓周力是工作阻力，其方向與主動輪的轉(zhuǎn)向相反；從動輪上的圓周力是驅(qū)動力，其方向與從動輪的轉(zhuǎn)向相同；徑向力分別指向各自的輪心，如圖6-14所示。6.2任務2——按齒面接觸疲勞強度設計齒輪傳動6.3.2齒面接觸疲勞強度計算1.齒面接觸疲勞強度校核公式如圖6-15（a）所示，兩平行圓柱體在法向力作用下相互接觸，接觸線因彈性變形而成為窄帶形接觸面，最大接觸應力產(chǎn)生在接觸區(qū)中心處，其值與正壓力大小、兩圓柱體的曲率半徑、材料、接觸線長度等有關。如圖6-15（b）所示，一對輪齒的嚙合，可視為兩個曲率半徑隨時變化著的平行圓柱體的接觸過程，考慮到節(jié)點附近通常是單齒對嚙合區(qū)，且點蝕多發(fā)生在節(jié)線附近的齒根表面，因此常以節(jié)點為計算對象。根據(jù)彈性力學計算接觸應力的赫茲公式，代入齒輪相應參數(shù)，經(jīng)推導得一對鋼制標準外嚙合直齒圓柱齒輪的齒面接觸疲勞強度校核公式為（6-7）式中

b——齒寬（mm），取兩輪的接觸寬度；i——傳動比；K——載荷系數(shù)，可根據(jù)原動機和工作機情況查表6.2；[σH]——許用接觸應力（MPa），見式6-9。其他各項的含義同前。6.2任務2——按齒面接觸疲勞強度設計齒輪傳動6.2任務2——按齒面接觸疲勞強度設計齒輪傳動6.2任務2——按齒面接觸疲勞強度設計齒輪傳動6.3.3公式使用說明及參數(shù)選擇1）大小齒輪齒面接觸應力相等，即σH1=σH2。由于兩輪材料、熱處理不同，導致齒面硬度不同，故許用接觸應力不等，即[σH1]≠

[σH2]，計算時代入較小值。2）如材料組合不全是鋼，式中常數(shù)671應修正為，ZE為彈性系數(shù)，表6-4。6.2任務2——按齒面接觸疲勞強度設計齒輪傳動圖6-16齒輪的接觸疲勞極限σHlim6.2任務2——按齒面接觸疲勞強度設計齒輪傳動【任務實施與訓練】6.3.4按齒面接觸疲勞強度設計沖床傳動系統(tǒng)中齒輪傳動對于高速級齒輪傳動，主動齒輪安裝在Ι軸上，所以：傳動傳遞的功率P為Ι軸的功率PⅠ，即P=PⅠ＝3.96kW，主動輪的轉(zhuǎn)速n1為Ι軸的轉(zhuǎn)速nⅠ，即n1＝nⅠ＝720r/min，傳遞的扭矩T1為Ι軸的扭矩TⅠ，即T1=TⅠ=5.25×104Nmm傳動比i=i1=3.80；根據(jù)齒面接觸疲勞強度設計計算公式（6-5），就能完成本任務。

設計步驟如下：6.2任務2——按齒面接觸疲勞強度設計齒輪傳動6.3任務3——計算漸開線標準直齒圓柱齒輪傳動的幾何尺寸【任務描述與分析】任務2已計算出在滿足齒面接觸疲勞強度的前提下小齒輪分度圓直徑的最小值，它可以作為計算依據(jù)，來確定齒輪的參數(shù)和幾何尺寸。本任務中，可依據(jù)就能確定齒輪傳動的主要參數(shù)及幾何尺寸。具體內(nèi)容包括：1）確定齒輪的基本參數(shù)；2）齒輪的嚙合傳動；3）齒計算輪的幾何尺寸。6.3任務3——計算漸開線標準直齒圓柱齒輪傳動的幾何尺寸【相關知識與技能】6.4.1齒輪的基本參數(shù)1.齒輪各部分的名稱與符號圖6-17所示為直齒圓柱外齒輪的一部分，其各部分的名稱和符號為6.4任務3——計算漸開線標準直齒圓柱齒輪傳動的幾何尺寸6.3任務3——計算漸開線標準直齒圓柱齒輪傳動的幾何尺寸（3）壓力角α

在不同直徑的圓周上，漸開線齒廓的壓力角是不同的。為了便于設計、制造和維修，我國規(guī)定分度圓上的壓力角為標準值，其值為α=20o?？梢?，分度圓是齒輪上具有標準模數(shù)和標準壓力角的圓。任何齒輪的分度圓都是唯一的。（4）齒頂高系數(shù)和頂隙系數(shù)

由于齒距與模數(shù)成正比，為了使齒形均勻，取齒高的尺寸也與模數(shù)成正比，即6.3任務3——計算漸開線標準直齒圓柱齒輪傳動的幾何尺寸

6.4.2齒輪的嚙合傳動對漸開線齒輪勻速、連續(xù)的傳動，僅有漸開線齒廓是不夠的，因為每一對齒僅嚙合一段時間便要分離，而由后一對齒接替。各對輪齒之間如何交接，以保證勻速連續(xù)傳動，還必須滿足下列條件。1.正確嚙合條件從圖6-18中可以看出：兩個漸開線齒輪在嚙合過程中，參加嚙合的輪齒的工作一側(cè)齒廓的嚙合點都在嚙合線N1N2上。由于兩輪齒廓是沿著嚙合線進行嚙合的，故只有當兩輪在嚙合線上的齒距（稱為法向齒距）相等時，才能保證兩齒輪的相鄰齒廓正確嚙合，即pn1=pn2。6.3任務3——計算漸開線標準直齒圓柱齒輪傳動的幾何尺寸

6.3任務3——計算漸開線標準直齒圓柱齒輪傳動的幾何尺寸

圖6-18漸開線齒輪嚙合圖6-19正確安裝的一對標準齒輪6.3任務3——計算漸開線標準直齒圓柱齒輪傳動的幾何尺寸

6.3任務3——計算漸開線標準直齒圓柱齒輪傳動的幾何尺寸

圖6-20輪齒嚙合過程理論上，

理論上，

=1就能保證連續(xù)傳動，但由于齒輪的制造和安裝誤差以及傳動中輪齒的變形等因素，必須使>1。重合度的大小表明同時參與嚙合的齒對數(shù)的多少，其值大則傳動平穩(wěn)，每對輪齒承受的載荷也小，相對地提高了齒輪的承載能力。6.3任務3——計算漸開線標準直齒圓柱齒輪傳動的幾何尺寸

6.4.3齒輪的幾何尺寸計算外嚙合標準直齒圓柱齒輪的幾何尺寸計算公式見表6-8。6.3任務3——計算漸開線標準直齒圓柱齒輪傳動的幾何尺寸

【任務實施與訓練】6.4.4計算沖床傳動系統(tǒng)中齒輪傳動的幾何尺寸設計步驟如下：

6.3任務3——計算漸開線標準直齒圓柱齒輪傳動的幾何尺寸

6.4任務3——計算漸開線標準直齒圓柱齒輪傳動的幾何尺寸

≤

（6-16）式中

——復合齒形系數(shù)，是考慮齒形和齒根應力集中以及壓應力、切應力對彎曲應力的影響而引人的系數(shù)，可由圖6-22查得；——許用彎曲應力（MPa）。圖6-21齒根彎曲應力圖6-22復合齒形系數(shù)6.4任務4——按齒根彎曲疲勞強度校核齒輪傳動

【任務描述與分析】

通過前面的任務，我們已經(jīng)在滿足齒面接觸疲勞強度的前提下計算出齒輪的參數(shù)和主要尺寸，根據(jù)軟齒面閉式齒輪傳動的設計準則，還需校核齒根彎曲疲勞強度。

本任務中，根據(jù)齒輪傳動中齒輪的參數(shù)，按齒根彎曲疲勞強度公式進行校核。具體內(nèi)容包括：1）確定兩齒輪的許用彎曲應力；2）按齒根彎曲疲勞強度的設計計算和校核計算?！鞠嚓P知識與技能】6.4.5齒根彎曲疲勞強度計算1.齒根彎曲疲勞強度校核公式輪齒受力時，可看作是懸臂梁。實驗研究表明，輪齒的危險截面和齒廓對稱中心線成30o的直線與齒根圓角相切處，即截面，如圖6-21所示。根據(jù)力學知識，經(jīng)推導整理得齒根彎曲疲勞強度校核公式6.4任務4——計算漸開線標準直齒圓柱齒輪傳動的幾何尺寸

6.4任務4——計算漸開線標準直齒圓柱齒輪傳動的幾何尺寸

6.4.6公式使用說明及參數(shù)選擇6.4任務4——計算漸開線標準直齒圓柱齒輪傳動的幾何尺寸

5．許用彎曲應力[σF]許用彎曲應力按下式確定（6-18）式中

σFlim——試驗齒輪的齒根彎曲疲勞極限應力（MPa），其值由圖6-23查得，圖中線段表示齒輪材料和熱處理質(zhì)量達到中等要求時的疲勞極限應力值。對于受雙向彎曲的輪齒，σFlim應取圖示值的70%；SFmin——彎曲疲勞強度的最小安全系數(shù)查表6-5。6.4任務4——計算漸開線標準直齒圓柱齒輪傳動的幾何尺寸

【任務實施與訓練】6.4.7按齒根彎曲疲勞強度校核沖床傳動系統(tǒng)中的齒輪傳動設計步驟如下：(mm)

6.5任務5——確定齒輪傳動的精度

【任務描述與分析】通過前面的任務，已經(jīng)計算出齒輪的參數(shù)和幾何尺寸，并滿足齒輪強度要求，在此基礎上，我們就要考慮齒輪的加工問題，并確定齒輪的精度。本次任務要求熟悉齒輪的各種加工制造方法，根據(jù)齒輪精度與其圓周速度的關系，確定沖床傳動系統(tǒng)中齒輪傳動的精度等級。主要內(nèi)容包括：1）齒輪的切削加工與根切現(xiàn)象；2）齒輪傳動的精度及選擇依據(jù)。【相關知識與技能】6.5.1齒輪的切削加工與根切現(xiàn)象1.齒輪的切削加工漸開線齒輪的加工方法很多，一般有沖壓、鑄造、軋制和切削法。下面介紹兩種常用的切削方法。（1）仿形法用與齒槽形狀相同的成形銑刀加工齒形的方法稱為仿形法，如圖6-24所示。銑完一個齒槽后，分度頭將齒坯轉(zhuǎn)過360°/z，再銑下一個齒槽，直到銑出所有的齒槽。齒輪模數(shù)m<8mm時，用盤狀銑刀在臥式銑床上加工，如圖6-24（a）所示；齒輪模數(shù)m≥8mm時，用指狀銑刀在立式銑床上加工如圖6-24（b）所示。6.5任務5——確定齒輪傳動的精度

(a)(b)圖6-24仿形法加工齒輪(a)盤狀銑刀加工(b)指狀銑刀加工6.5任務4——確定齒輪傳動的精度

由于漸開線齒廓形狀取決于基圓的大小，由可知，在模數(shù)和壓力角相同的情況下，齒數(shù)不同，基圓半徑不同，齒形也就不同。這樣，加工同模數(shù)而不同齒數(shù)的齒輪，要得到正確的齒形，就需要用不同的銑刀，這當然是不實際的。為了減少刀具的數(shù)量，對同一模數(shù)的銑刀只備有8把或15把一套，每把銑刀可銑一定齒數(shù)范圍的齒輪。表6-9中列出8把一套銑刀的具體規(guī)定。6.5任務5——確定齒輪傳動的精度

2.根切現(xiàn)象與最少齒數(shù)（1）根切現(xiàn)象用展成法加工齒輪時，有時出現(xiàn)輪齒根部漸開線齒廓被切去一部分的現(xiàn)象，稱為根切，如圖6-26（a）所示。根切將削弱輪齒的彎曲強度、減小重合度，影響傳動質(zhì)量，所以應盡量避免。6.5任務5——確定齒輪傳動的精度6.5.2齒輪傳動的精度及選擇依據(jù)凡有齒輪傳動的機器，其工作性能、承載能力及使用壽命都和齒輪的制造精度有關。精度過低，會影響齒輪傳動的質(zhì)量和壽命；精度過高，又會增加制造成本。因此，在設計齒輪傳動時，應根據(jù)其具體工作情況合理選擇齒輪的精度等級。1.齒輪傳動精度的等級GB/T10095.1－2001標準中規(guī)定，齒輪和齒輪副有0~12共13個精度等級，第0級最高，第12級最低。通常3~5級為高精度級，6~9級為中等精度級，10~12級為低精度級。通用機械中常用6~9級。齒輪副中兩個齒輪的精度等級一般取成相同。齒輪的各項精度指標，按其對使用性能的主要影響可劃分為3個公差組，見表6-10。（2）不根切的最少齒數(shù)經(jīng)過分析證明，用展成法切削齒輪時，若刀具的齒頂線或齒頂圓與嚙合線的交點超過被加工齒輪的嚙合極限點N時，就會產(chǎn)生根切。如圖6-26（b）所示。對于正常齒制漸開線標準直齒圓柱齒輪不發(fā)生根切的最少齒數(shù)6.5任務5——確定齒輪傳動的精度

6.5任務5——確定齒輪傳動的精度

【任務實施與訓練】6.5.3確定沖床傳動系統(tǒng)中齒輪傳動的精度設計步驟如下：6.6任務6——設計齒輪的結(jié)構

【任務描述與分析】通過任務1~4，我們已經(jīng)確定齒輪傳動中各齒輪的主要基本參數(shù)及主要幾何尺寸，本任務中，我們要設計齒輪的結(jié)構，用零件圖表示。齒輪結(jié)構設計的具體內(nèi)容包括：1）根據(jù)齒輪直徑的大小，選擇合適的結(jié)構型式；2）根據(jù)經(jīng)驗公式確定齒輪的結(jié)構尺寸；3）繪制齒輪的零件工作圖。【相關知識與技能】齒輪的結(jié)構設計，一般在主要參數(shù)和幾何尺寸確定之后進行，其結(jié)構形式與齒輪的尺寸、材料、加工方法等因素有關，設計時常根據(jù)齒輪的直徑選擇合適的結(jié)構；再根據(jù)經(jīng)驗公式算出齒輪的輪緣、輪輻、輪轂等結(jié)構形式及各部分的尺寸。6.6任務6——設計齒輪的結(jié)構

6.6.1選擇圓柱齒輪的結(jié)構型式圓柱齒輪的結(jié)構型式有以下四種：1．齒輪軸如圖6-27所示，對于鋼制圓柱齒輪e≤2.5m，鋼制圓錐齒輪e≤1.6m（m為大端模數(shù)）時，應將齒輪與軸做成一體，稱為齒輪軸，如圖6-28所示。6.6任務6——設計齒輪的結(jié)構

2．實心式齒輪齒頂圓直徑da≤200mm的鋼制齒輪，可采用實心式結(jié)構，如圖6-29所示。實心式齒輪常用鍛鋼制造，采用鍛造毛坯。3．腹板式齒輪齒頂圓直徑200<da≤500mm的鋼制齒輪，為了減輕重量和節(jié)約材料，也為起重運輸方便，可采用腹板式結(jié)構，如圖6-30所示。腹板式齒輪常用鍛鋼制造，采用鍛造毛坯。各部分尺寸由圖下的經(jīng)驗公式確定。6.6任務6——設計齒輪的結(jié)構

6.6任務6——設計齒輪的結(jié)構

4．輪輻式齒輪當齒頂圓直徑da>500mm時，可采用輪輻式結(jié)構，如圖6-31所示。因受鍛造設備的限制，輪輻式齒輪常用鑄鋼制造，采用鑄造毛坯。各部分尺寸由圖下的經(jīng)驗公式確定。6.6.2確定齒輪傳動的潤滑6.6任務6——設計齒輪的結(jié)構

6.6任務6——設計齒輪的結(jié)構

【任務實施與訓練】6.6.3設計沖床傳動系統(tǒng)中齒輪的結(jié)構及其潤滑方式通過任務3對齒輪的主要尺寸計算，可知齒輪傳動機構中齒輪的齒頂圓直徑分別為：高速級：da1=62.5mm，da2=222.5mm；低速級：da1=99mm，da2=258mm。對于兩級的