1、高等職業(yè)教育機械類專業(yè)核心技術(shù)課程,機械設(shè)計基礎(chǔ),第六章 平行軸線齒輪傳動(圓柱齒輪傳動),第七節(jié) 齒輪傳動的失效形式及設(shè)計準(zhǔn)則,第八節(jié) 齒輪常用材料及熱處理,第九節(jié) 齒輪傳動精度簡介,第十節(jié) 漸開線直齒圓柱齒輪傳動的設(shè)計計算,第十一節(jié) 漸開線斜齒圓柱齒輪傳動,設(shè)計：潘存云,第七節(jié) 齒輪傳動的失效形式及設(shè)計準(zhǔn)則,輪齒折斷,1、失效形式,潘存云教授研制,輪齒折斷,1、失效形式,齒面點蝕,第七節(jié) 齒輪傳動的失效形式及設(shè)計準(zhǔn)則,輪齒折斷,1、失效形式,齒面點蝕,齒面膠合,措施： 1.提高齒面硬度,2.減小齒面粗糙度,3.增加潤滑油粘度,4.加抗膠合添加劑,第七節(jié) 齒輪傳動的失效形式及設(shè)計準(zhǔn)則,設(shè)計：

2、潘存云,輪齒折斷,1、失效形式,齒面點蝕,齒面膠合,齒面磨損,措施：1.減小齒面粗糙度,2.改善潤滑條件,磨粒磨損,跑合磨損,第七節(jié) 齒輪傳動的失效形式及設(shè)計準(zhǔn)則,設(shè)計：潘存云,輪齒折斷,1、失效形式,齒面點蝕,齒面膠合,齒面磨損,齒面塑性變形,第七節(jié) 齒輪傳動的失效形式及設(shè)計準(zhǔn)則,2、設(shè)計準(zhǔn)則,軟齒面（硬度350HBS）的閉式齒輪傳動： 齒面抗點蝕能力差，潤滑條件良好，齒面點蝕將是主要的失效形式。在設(shè)計計算時，通常按齒面接觸疲勞強度設(shè)計，再作齒根彎曲疲勞強度校核。,硬齒面（硬度350HBS）的閉式齒輪傳動： 齒面抗點蝕能力強，但易發(fā)生齒根折斷，齒根疲勞折斷是主要失效形式。在設(shè)計計算時，通常按

3、齒根彎曲疲勞強度設(shè)計，再作齒面接觸疲勞強度校核。,當(dāng)一對齒輪均為鑄鐵制造時，一般只需作輪齒彎曲疲勞強度設(shè)計計算。,對于開式傳動，其主要失效形式將是齒面磨損，通常只按齒根彎曲疲勞強度設(shè)計，再考慮磨損，將所求得的模數(shù)增大1020。,第八節(jié) 齒輪常用材料及熱處理,常用齒輪材料,優(yōu)質(zhì)碳素鋼,合金結(jié)構(gòu)鋼,鑄鋼,鑄鐵,熱處理方法,表面淬火,滲碳淬火,調(diào)質(zhì),正火,滲氮,一般用于中碳鋼和中碳合金鋼，如45、40Cr等。表面淬火后輪齒變形小，可不磨齒，硬度可達5256HRC，面硬芯軟，能承受一定沖擊載荷。,1.表面淬火,高頻淬火、火焰淬火,2.滲碳淬火,滲碳鋼為含碳量0.150.25%的低碳鋼和低碳合金鋼，如2

4、0、20Cr等。齒面硬度達5662HRC，齒面接觸強度高，耐磨性好，齒芯韌性高。常用于受沖擊載荷的重要傳動。通常滲碳淬火后要磨齒。,調(diào)質(zhì)一般用于中碳鋼和中碳合金鋼，如45、40Cr、35SiMn等。調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度為：220260HBS 。因為硬度不高，故可在熱處理后精切齒形，且在使用中易于跑合。,3.調(diào)質(zhì),4.正火,正火能消除內(nèi)應(yīng)力、細化晶粒、改善力學(xué)性能和切削性能。機械強度要求不高的齒輪可用中碳鋼正火處理。大直徑的齒輪可用鑄鋼正火處理。,滲氮是一種化學(xué)處理。滲氮后齒面硬度可達6062HRC。氮化處理溫度低，輪齒變形小，適用于難以磨齒的場合，如內(nèi)齒輪。材料為：38CrMoAlA.,5.滲氮

5、,特點及應(yīng)用： 調(diào)質(zhì)、正火處理后的硬度低，HBS 350，屬軟齒面，工藝簡單、用于一般傳動。當(dāng)大小齒輪都是軟齒面時，因小輪齒根薄，彎曲強度低，故在選材和熱處理時，小輪比大輪硬度高: 2050HBS,表面淬火、滲碳淬火、滲氮處理后齒面硬度高，屬硬齒面。其承載能力高，但一般需要磨齒。常用于結(jié)構(gòu)緊湊的場合。,第九節(jié) 齒輪傳動精度簡介,誤差的影響：,1.轉(zhuǎn)角與理論不一致，影響運動的不準(zhǔn)確性；,2.瞬時傳動比不恒定，出現(xiàn)速度波動，引起震動、 沖擊和噪音影響運動平穩(wěn)性；,3.齒向誤差導(dǎo)致輪齒上的載荷分布不均勻，使輪齒提 前損壞，影響載荷分布的不均勻性。,國標(biāo)GB10095-88給齒輪副規(guī)定了12個精度等級

6、。其中1級最高，12級最低，常用的為69級精度。,按照誤差的特性及它們對傳動性能的主要影響，將齒輪的各項公差分成三組，分別反映傳遞運動的準(zhǔn)確性，傳動的平穩(wěn)性和載荷分布的均勻性。,在一般情況下，可選三個公差組為同一精度等級，但也容許根據(jù)使用要求的不同，選擇不同精度等級的公差組組合。第公差組精度等級69級的選擇可根據(jù)齒輪類型和圓周速度確定，第公差組一般不得低于第公差組的精度等級。,三個公差組:,第公差組運動準(zhǔn)確性,第公差組傳動平穩(wěn)性,第公差組載荷分布均勻性,齒厚偏差有C、D、E、 F、G、H、J、K、L、M、N、P、R、S等14種，每種代號所規(guī)定的齒厚偏差值均是f p t（齒距極限偏差）的數(shù)倍。,

7、設(shè)計：潘存云,第十節(jié) 漸開線直齒圓柱齒輪傳動的設(shè)計計算,一、輪齒受力分析和計算載荷,圓周力,徑向力,法向力,小齒輪上的轉(zhuǎn)矩,P為傳遞的功率（KW）,1 小齒輪上的角速度，,n1 小齒輪上的轉(zhuǎn)速,d1 小齒輪上的分度圓直徑，, 壓力角,1、各作用力的大小及方向,2、計算載荷,Fn 名義載荷,受力變形,制造誤差,安裝誤差,附加動載荷,載荷集中,用計算載荷KFn代替名義載荷Fn以考慮載荷集中和附加動載荷的影響，K 載荷系數(shù),Fnc=KFn,設(shè)計：潘存云,二、齒面接觸疲勞強度計算,對于一對鋼制標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪傳動,齒面接觸疲勞強度校核公式:,齒面接觸疲勞強度校核公式:,公式應(yīng)用注意：,2、許用接觸應(yīng)力

8、,Hlim 接觸疲勞極限, 由實驗確定,SHmin 為最小安全系數(shù)。,1、式中的H，在H1 H2數(shù)值不同時，應(yīng)將較小的一個代入計算。,3、d稱為齒寬因數(shù)=b/d1,4、在作齒面接觸強度計算時，前面兩個公式只適用于鋼制標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪，若配對材料不是鋼對鋼，則應(yīng)按其材料確定相應(yīng)的材料系數(shù),三、齒根彎曲疲勞強度的計算,假定載荷僅由一對輪齒承擔(dān)，按懸臂梁計算。齒頂嚙合時，彎矩達最大值。,彎曲力矩： M=KFnhFcosF,危險界面的彎曲截面系數(shù),彎曲應(yīng)力,危險截面 齒根圓角30 切線兩切點連線處。,齒頂受力：Fn，可分解成兩個分力：,F1 = Fn cosF F2 = Fn sinF,產(chǎn)生彎曲應(yīng)力；

9、,壓應(yīng)力，小而忽略。,hF和SF與模數(shù)m相關(guān)，,輪齒彎曲強度計算公式：,故YFs與模數(shù)m無關(guān)。,彎曲應(yīng)力,對于標(biāo)準(zhǔn)齒輪, YFs僅取決于齒數(shù)Z。,YFs 齒形系數(shù),計算時取 較大者，計算結(jié)果應(yīng)圓整, 且m 1.5mm。,一般YF1 YF2， F1 F2,引入齒寬系數(shù) d=b/d1,代入得設(shè)計公式,公式中 “+”用于外嚙合，“-”用于內(nèi)嚙合。,在滿足彎曲強度的條件下可適當(dāng)選取較多的齒數(shù)，使傳動平穩(wěn)。在中心距a一定時，z增多則m減小，da減小，節(jié)省材料和工時。,許用彎曲應(yīng)力,彎曲疲勞極限bblim由實驗確定。,SFmin為安全系數(shù)。,因彎曲疲勞造成的輪齒折斷可能造成重大事故，而疲勞點蝕只影響壽命，

10、故：SFminSHmin,四、圓柱齒輪傳動參數(shù)的選擇和設(shè)計步驟,齒輪傳動設(shè)計時，按主要失效形式進行強度計算，確定主要尺寸，然后按其它失效形式進行必要的校核。,軟齒面閉式齒輪傳動 按接觸強度進行設(shè)計，按彎曲強度校核,硬齒面閉式齒輪傳動 按彎曲強度進行設(shè)計，按接觸強度校核,開式齒輪傳動 按彎曲強度設(shè)計。,為了確保強度要求，同時利于裝配和調(diào)整，常將小齒輪齒寬加大510mm。,（一）主要參數(shù)的選擇,1齒數(shù)z 對于軟齒面的閉式傳動，一般取z1=2040。 硬齒面的閉式傳動及開式傳動，通常取z1=1720。,2模數(shù)m 對于傳遞動力的齒輪，可按m=（0.0070.02）a初選，但應(yīng)保證模數(shù)m2mm。,3齒寬

11、因數(shù)d 增大齒寬因數(shù)，可減小齒輪傳動裝置的徑向尺寸，降低齒輪的圓周速度。但齒寬因數(shù)過大則需提高結(jié)構(gòu)剛度，否則會出現(xiàn)齒向載荷分布嚴重不均。對于一般機械，建議按工程手冊提供數(shù)據(jù)選取。,6繪制齒輪工作圖,（二）設(shè)計步驟,1選擇齒輪材料及熱處理,2確定齒輪傳動的精度等級,3簡化設(shè)計計算,4計算齒輪的幾何尺寸,5確定齒輪的結(jié)構(gòu)形式,設(shè)計：潘存云,一、斜齒圓柱齒輪齒廓曲面的形成及其特點,直齒輪：嚙合線嚙合面,嚙合點接觸線，即嚙合面與齒廓曲面的交線。,嚙合特點: 沿齒寬同時進入或退出嚙合。突然加載或卸載，運動平穩(wěn)性差，沖擊、振動和噪音大。,斜直線KK的軌跡斜齒輪的齒廓曲面,螺旋線漸開面,b 基圓柱上的螺旋角

12、,第十一節(jié) 漸開線斜齒圓柱齒輪傳動,設(shè)計：潘存云,齒面接觸線始終與K-K線平行并且位于兩基圓的公切面內(nèi)。,設(shè)計：潘存云,嚙合特點:,接觸線長度的變化： 短 長 短,加載、卸載過程是逐漸進行的傳動平穩(wěn)、沖擊、振動和噪音較小，適宜高速、重載傳動。,在端面內(nèi)，斜齒輪的齒廓曲線為漸開線，相當(dāng)于直齒圓柱齒輪傳動，滿足定傳動比要求。,二、斜齒圓柱齒輪的主要參數(shù)和幾何尺寸,1. 斜齒輪的螺旋角,定義分度圓柱上的螺旋角為斜齒輪的螺旋角 。,一般取=820,人字齒輪，因其軸向力可以抵消，常取=2545,設(shè)計：潘存云,法面內(nèi)的齒形與刀具的齒形一樣，取標(biāo)準(zhǔn)值。,2. 模數(shù) mn、mt,將分度圓柱展開，得一矩形，,p

13、n=ptcos,將 pnmn , ptmt 代入得：,可求得端面齒距與法面齒距之間的關(guān)系：,mn=mtcos,3 .壓力角：n、t,在abc中，有：,abc=n,在abc中, 有：,abc=t,由 ab=ab , ac=accos 得,tann = tant cos,4.齒頂高因數(shù)h*an和h*at及頂隙因數(shù)c*n和c*t,不論在法面還是端面，其齒頂高和齒根高一樣。,h*an 法面齒頂高系數(shù)， han*1,c*n 法面頂隙系數(shù), c*n0.25, tann =ac/ab,tant =ac/ab,ha=h*anmn hf= (h*an+c * n) m n,分度圓直徑： d=zmt=z mn /

14、 cos,中心距： a=r1+r2,可通過改變來調(diào)整a的大小。,三、斜齒圓柱齒輪傳動的正確嚙合條件和重合度,嚙合處的齒向相同。,外嚙合 : 1-2,mn1=mn2 ，n1 =n1,mt1=mt2 ，t1t2,= mn (z1+ z2) /2 cos,內(nèi)嚙合：12,1.正確嚙合條件,5.幾何尺寸計算,只須將直齒圓柱齒輪幾何尺寸計算公式中的各參數(shù)視作端面參數(shù)，再進行必要的端面-法向參數(shù)換算，即可方便地進行平行軸標(biāo)準(zhǔn)斜齒輪的幾何尺寸計算。如：,2 .重合度,直齒輪：,斜齒輪：,其中 L/pbt,b tanb /pbt, +,L /pb,=(L+L)/pbt,b tan/pt,平行軸斜齒輪的重合度隨螺旋角和齒寬b的增大而增大。,設(shè)計：潘存云,四、斜齒輪的當(dāng)量齒數(shù),定義：與斜齒輪法面齒形相當(dāng)?shù)闹饼X輪，稱為該斜齒輪的當(dāng)量齒輪，其齒數(shù)稱當(dāng)量齒數(shù)。,得： zv,斜齒輪不發(fā)生根切的最少齒數(shù)： zmin=zvmincos3,z/ cos3,若=20 zvmin =17,zmin=14,齒槽,五、斜齒圓柱齒輪的受力分析,圓周力,徑向力,軸向力,輪齒所受總法向力Fn可分解為三個分力,F=Ft /cos,Fr = F tann,圓周力Ft的方向，在主動輪上與轉(zhuǎn)動方向相反，在從動輪上與轉(zhuǎn)向相同。徑向力Fr的方向均指向各自的輪