1、第十章 齒輪傳動,10-1 齒輪傳動概述,10-2 齒輪傳動的失效形式及設(shè)計準(zhǔn)則,10-3 齒輪的材料及其選擇原則,10-4 齒輪傳動的計算載荷,10-5 標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪傳動的強(qiáng)度計算,10-6 齒輪傳動設(shè)計參數(shù)、許用應(yīng)力與精度選擇,10-7 標(biāo)準(zhǔn)斜齒圓柱齒輪傳動的強(qiáng)度計算,10-8 標(biāo)準(zhǔn)錐齒輪傳動的強(qiáng)度計算,10-9 齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計,10-10 齒輪傳動的潤滑,1,齒輪傳動概述1,一、齒輪傳動的主要特點(diǎn)：,傳動效率高可達(dá)99。在常用的機(jī)械傳動中，齒輪傳動的效率為最高；,結(jié)構(gòu)緊湊與帶傳動、鏈傳動相比，在同樣的使用條件下，齒輪傳動所需 的空間一般較?。?與各類傳動相比，齒輪傳動工作可靠，壽命長

2、；,傳動比穩(wěn)定無論是平均值還是瞬時值。這也是齒輪傳動獲得廣泛應(yīng)用的 原因之一；,與帶傳動、鏈傳動相比，齒輪的制造及安裝精度要求高，價格較貴。,齒輪傳動是機(jī)械傳動中最重要的傳動之一，其應(yīng)用范圍十分廣泛，型式 多樣，傳遞功率從很小到很大（可高達(dá)數(shù)萬千瓦）。,齒輪傳動概述,2,齒輪傳動概述2,二、齒輪傳動的分類,按齒輪類型分：直齒圓柱齒輪傳動斜齒圓柱齒輪傳動 錐齒輪傳動人字齒輪傳動,按裝置形式分：開式傳動、半開式傳動、閉式傳動。,按使用情況分：動力齒輪以動力傳輸為主，常為高速重載或低速重載傳動。 傳動齒輪以運(yùn)動準(zhǔn)確為主，一般為輕載高精度傳動。,按齒面硬度分：軟齒面齒輪（齒面硬度350HBS）,硬齒面

3、齒輪（齒面硬度350HBS）,齒輪傳動概述,三、本章的學(xué)習(xí)目的,本章學(xué)習(xí)的根本目的是掌握齒輪傳動的設(shè)計方法，也就是要能夠根據(jù)齒輪工作條件的要求，能設(shè)計出傳動可靠的齒輪。,設(shè)計齒輪是指設(shè)計確定齒輪的主要參數(shù)以及結(jié)構(gòu)形式。,對于斜齒圓柱齒輪而言，其主要參數(shù)有：模數(shù)m、齒數(shù)z、螺旋角以及壓力角a、 齒高系數(shù)h*a、徑向間隙系數(shù)c*。,圖片,3,齒輪傳動的失效形式及設(shè)計準(zhǔn)則,齒輪傳動的失效形式及設(shè)計準(zhǔn)則,一、齒輪的主要失效形式,輪齒折斷,齒面磨損,齒面點(diǎn)蝕,齒面膠合,塑性變形,二、齒輪的設(shè)計準(zhǔn)則,對一般工況下的齒輪傳動，其設(shè)計準(zhǔn)則是：,保證足夠的齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，以免發(fā)生齒根折斷。,保證足夠的齒面接觸

4、疲勞強(qiáng)度，以免發(fā)生齒面點(diǎn)蝕。,對高速重載齒輪傳動，除以上兩設(shè)計準(zhǔn)則外，還應(yīng)按齒面抗膠合能力的準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計。,由實踐得知：閉式軟齒面齒輪傳動，以保證齒面接觸疲勞強(qiáng)度為主。 閉式硬齒面或開式齒輪傳動，以保證齒根彎曲疲勞強(qiáng)度為主。,齒輪傳動的失效主要是指輪齒的失效，其失效形式是多種多樣的。常見的失效形式有：,由于齒輪其它部分（齒圈、輪輻、輪轂等）通常是經(jīng)驗設(shè)計的，其尺寸對 于強(qiáng)度和剛度而言均較富裕，實踐中也極少失效。,4,齒輪的材料及其選擇原則,齒輪的材料及其選擇原則,一、對齒輪材料性能的要求,齒輪的齒體應(yīng)有較高的抗折斷能力，齒面應(yīng)有較強(qiáng)的抗點(diǎn)蝕、抗磨損和較高的抗膠合能力，即要求：齒面硬、芯部韌。,

5、二、常用的齒輪材料,鋼：許多鋼材經(jīng)適當(dāng)?shù)臒崽幚砘虮砻嫣幚?，可以成為常用的齒輪材料；,鑄鐵：常作為低速、輕載、不太重要的場合的齒輪材料；,非金屬材料：適用于高速、輕載、且要求降低噪聲的場合。,三、齒輪材料選用的基本原則,齒輪材料必須滿足工作條件的要求，如強(qiáng)度、壽命、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等；,應(yīng)考慮齒輪尺寸大小，毛坯成型方法及熱處理和制造工藝；,鋼制軟齒面齒輪，其配對兩輪齒面的硬度差應(yīng)保持在3050HBS或更多。,常用材料,5,齒輪傳動的計算載荷,齒輪傳動的計算載荷,齒輪傳動強(qiáng)度計算中所用的載荷，通常取沿齒面接觸線單位長度上所受 的載荷，即：,Fn 為輪齒所受的公稱法向載荷。 實際傳動中由于原動機(jī)、工作

6、機(jī)性能的影響以及制造誤差的影響，載荷 會有所增大，且沿接觸線分布不均勻。,接觸線單位長度上的最大載荷為：,K為載荷系數(shù)，其值為：KKA Kv K K,式中：KA 使用系數(shù),Kv 動載系數(shù),K齒間載荷分配系數(shù),K齒向載荷分布系數(shù),6,直齒圓柱齒輪強(qiáng)度計算1,標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪強(qiáng)度計算,一、輪齒的受力分析,以節(jié)點(diǎn) P 處的嚙合力為分析對象，并不計嚙合輪齒間的摩擦力，可得：,嚙合傳動中，輪齒的受力分析,7,直齒圓柱齒輪強(qiáng)度計算2,標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪強(qiáng)度計算,二、齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計算,中等精度齒輪傳動的彎曲疲勞強(qiáng)度計算的力學(xué)模型如下圖所示。,根據(jù)該力學(xué)模型可得齒根理論彎曲應(yīng)力,計入齒根應(yīng)力校正系數(shù)Ysa后

7、，強(qiáng)度條件式為：,引入齒寬系數(shù)后 ，可得設(shè)計公式：,YFa為齒形系數(shù)，是僅與齒形有關(guān)而與模數(shù)m無關(guān) 的系數(shù)，其值可根據(jù)齒數(shù)查表獲得。,YFa與Ysa表,8,直齒圓柱齒輪強(qiáng)度計算3,標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪強(qiáng)度計算,三、齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算,基本公式赫茲應(yīng)力計算公式，即:,在節(jié)點(diǎn)嚙合時，接觸應(yīng)力較大，故以節(jié)點(diǎn)為接觸應(yīng)力計算點(diǎn)。,齒面接觸疲勞強(qiáng)度的校核式：,齒面接觸疲勞強(qiáng)度的設(shè)計式：,節(jié)點(diǎn)處的綜合曲率半徑為：,詳細(xì)說明,上述式中：u齒數(shù)比，u=z2/z1；ZE 彈性影響系數(shù)；ZH 區(qū)域系數(shù)；,9,齒輪傳動的設(shè)計參數(shù)1,一、齒輪傳動設(shè)計參數(shù)的選擇,齒輪傳動設(shè)計參數(shù)、許用應(yīng)力與精度選擇,1壓力角a的選擇,2齒

8、數(shù)的選擇,一般情況下，閉式齒輪傳動: z1=2040 開式齒輪傳動: z1=1720 z2=uz1,3齒寬系數(shù)fd的選擇,當(dāng)d1已按接觸疲勞強(qiáng)度確定時，,z1,m,重合度e,傳動平穩(wěn),抗彎曲疲勞強(qiáng)度降低,齒高h(yuǎn) ,減小切削量、減小滑動率,因此，在保證彎曲疲勞強(qiáng)度的前提下，齒數(shù)選得多一些好！,fd 齒寬b 有利于提高強(qiáng)度，但fd過大將導(dǎo)致K,一般情況下取a =20,fd的選取可參考齒寬系數(shù)表,10,齒輪傳動的設(shè)計參數(shù)2,二、齒輪傳動的許用應(yīng)力,齒輪傳動設(shè)計參數(shù)、許用應(yīng)力與精度選擇,式中：KN為壽命系數(shù)，是應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N對疲勞極限的影響系數(shù)；,彎曲強(qiáng)度計算時： S= S F=1.251.50； l

9、imFE 接觸強(qiáng)度計算時： S= S H=1.0; limHlim,三、齒輪精度的選擇,lim為齒輪的疲勞極限， S為安全系數(shù)。,齒輪精度共分12級，1級精度最高，第12級精度最低。 精度選擇是以傳動的用途，使用條件，傳遞功率，圓周速度等為依據(jù)來確定。,n為齒輪的轉(zhuǎn)數(shù)，單位為r/min； j為齒輪每轉(zhuǎn)一圈，同一齒面嚙合的次數(shù)； Lh為齒輪的工作壽命，單位為小時。,FE線圖,Hlim線圖,詳細(xì)說明,11,齒輪傳動的設(shè)計參數(shù)3,齒輪傳動設(shè)計參數(shù)、許用應(yīng)力與精度選擇,四、齒輪傳動的強(qiáng)度計算說明,接觸強(qiáng)度計算中，因兩對齒輪的H1= H2 ，故按此強(qiáng)度準(zhǔn)則設(shè)計齒輪 傳動時，公式中應(yīng)代H 1和H 2中較小

10、者。,用設(shè)計公式初步計算齒輪分度圓直徑d1(或模數(shù)mn)時，因載荷系數(shù)中的 KV、K、K不能預(yù)先確定，故可先試選一載荷系數(shù)Kt。算出d1t(或 mnt） 后，用d1t再查取KV、K、K從而計算K 。若K與Kt接近，則不必修改原 設(shè)計。否則，按下式修正原設(shè)計。,彎曲強(qiáng)度計算中，因大、小齒輪的F 、YFa、YSa 值不同，故按此強(qiáng)度 準(zhǔn)則設(shè)計齒輪傳動時，公式中應(yīng)代 和 中較小者。,12,齒輪傳動的設(shè)計參數(shù)4,標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪設(shè)計過程,五、直齒圓柱齒輪設(shè)計的大致過程,選擇齒輪的材料和熱處理,選擇齒數(shù)，選齒寬系數(shù)fd 初選載荷系數(shù)(如Kt=1.2),按接觸強(qiáng)度確定直徑d1 計算得mH=d1/z1,按彎

11、曲強(qiáng)度確定模數(shù)mF,確定模數(shù)mt=maxmH ,mF,計算確定載荷系數(shù)K= KAKvKK,修正計算模數(shù),m模數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化 計算主要尺寸：d1=mz1 d2=mz2 計 算 齒 寬： b=fd d1,確定齒寬：B2=int(b) B1= B2+(35)mm,13,標(biāo)準(zhǔn)斜齒圓柱齒輪強(qiáng)度計算,標(biāo)準(zhǔn)斜齒圓柱齒輪強(qiáng)度計算1,一、輪齒的受力分析,由于Fatanb，為了不使軸承承受的軸向力 過大，螺旋角b不宜選得過大，常在b=820之 間選擇。,嚙合傳動中，輪齒的受力分析,14,標(biāo)準(zhǔn)斜齒圓柱齒輪強(qiáng)度計算2,標(biāo)準(zhǔn)斜齒圓柱齒輪強(qiáng)度計算,二、計算載荷,計算載荷,嚙合過程中，由于嚙合線總長一般是變 動的值，具體計算時可

12、下式近似計算：,式中：L為所有嚙合輪齒上接觸線長度之和， 即右圖中接觸區(qū)內(nèi)幾條實線長度之和。,因此，,載荷系數(shù)的計算與直齒輪相同，即：KKA Kv K K,15,標(biāo)準(zhǔn)斜齒圓柱齒輪強(qiáng)度計算3,三、齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計算,強(qiáng)度計算時，通常以斜齒輪的當(dāng)量齒輪為對 象，借助直齒輪齒根彎曲疲勞計算公式，并引入 斜齒輪螺旋角影響系數(shù)Y，得：,斜齒輪齒面上的接觸線為一斜線。受載時， 輪齒的失效形式為局部折斷（如右圖）。,校核計算公式：,設(shè)計計算公式：,標(biāo)準(zhǔn)斜齒圓柱齒輪強(qiáng)度計算,式中：YFa、YSa應(yīng)按當(dāng)量齒數(shù)zv=z/cos3b查表確定,斜齒輪螺旋角影響系數(shù)Y的數(shù)值可查圖確定,斜齒圓柱齒輪輪齒受載及折斷,16

13、,標(biāo)準(zhǔn)斜齒圓柱齒輪強(qiáng)度計算4,校核計算公式：,設(shè)計計算公式：,標(biāo)準(zhǔn)斜齒圓柱齒輪強(qiáng)度計算,借助直齒輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算公式， 并引入根據(jù)上述關(guān)系后可得：,斜齒輪的sH,17,錐齒輪傳動的強(qiáng)度計算1,對軸交角為90的直齒錐齒輪傳動：,標(biāo)準(zhǔn)錐齒輪傳動的強(qiáng)度計算,一、設(shè)計參數(shù),直齒錐齒輪傳動是以大端參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)值，強(qiáng)度計算時，是以錐齒輪齒寬中點(diǎn)處的當(dāng)量齒輪作為計算時的依據(jù)。,直齒錐齒輪傳動的幾何參數(shù),令fR=b/R為錐齒輪傳動的齒寬系數(shù)，設(shè)計中常取fR =0.250.35。,18,錐齒輪傳動的強(qiáng)度計算2,二、輪齒的受力分析,直齒錐齒輪的輪齒受力分析模型如下圖，將總法向載荷集中作用于齒寬中 點(diǎn)處的法面截

14、面內(nèi)。Fn可分解為圓周力Ft，徑向力Fr和軸向力Fa三個分力。,各分力計算公式：,標(biāo)準(zhǔn)錐齒輪傳動的強(qiáng)度計算,軸向力Fa的方向總是由錐齒輪的小端指向大端。,嚙合傳動中，輪齒的受力分析,19,錐齒輪傳動的強(qiáng)度計算3,三、齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計算,直齒錐齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度可近似地按齒寬中點(diǎn)處的當(dāng)量圓柱齒輪進(jìn)行計算。采用直齒圓柱齒輪強(qiáng)度計算公式，并代入當(dāng)量齒輪的相應(yīng)參數(shù)，得直齒錐齒輪彎曲強(qiáng)度校核式和設(shè)計式如下：,上式中載荷系數(shù)K=KAKVKK。KAKV 取法與前者相同，KF、KH可取1，而KFKH1.5KHbe。KHbe為軸承系數(shù)，與齒輪的支承方式有關(guān)。,標(biāo)準(zhǔn)錐齒輪傳動的強(qiáng)度計算,校核計算公式：,設(shè)計計算

15、公式：,軸承系數(shù)表,20,錐齒輪傳動的強(qiáng)度計算4,四、齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算,標(biāo)準(zhǔn)錐齒輪傳動的強(qiáng)度計算,直齒錐齒輪的齒面接觸疲勞強(qiáng)度，仍按齒寬中點(diǎn)處的當(dāng)量圓柱齒輪計算。工作齒寬取為錐齒輪的齒寬b。,綜合曲率為：,利用赫茲公式，并代入齒寬中點(diǎn)處的當(dāng)量齒輪相應(yīng)參數(shù)，可得錐齒輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算公式如下：,校核計算公式：,設(shè)計計算公式：,21,齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計,齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計,通過強(qiáng)度計算確定出了齒輪的齒數(shù)z、模數(shù)m、齒寬B、螺旋角b、分度圓直徑d 等主要尺寸。,在綜合考慮齒輪幾何尺寸，毛坯，材料，加工方法，使用要求及經(jīng)濟(jì)性等各方面因素的基礎(chǔ)上，按齒輪的直徑大小，選定合適的結(jié)構(gòu)形式，再根據(jù)推薦的經(jīng)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸計算。,常見的結(jié)構(gòu)形式有,齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要是確定輪緣，輪輻，輪轂等結(jié)構(gòu)形式及尺寸大小。,輪輻式結(jié)構(gòu),中型尺寸齒輪結(jié)構(gòu),小尺寸齒輪結(jié)構(gòu),大尺寸齒輪結(jié)構(gòu),腹板式結(jié)構(gòu),22,齒輪傳動的潤滑,齒輪傳動的潤滑,一、齒輪傳動潤滑的目的,齒輪傳動時，相嚙合的齒面間有相對滑動，因此就會產(chǎn)生摩擦和磨損，