[应用]齿轮传动

[应用]齿轮传动 齿轮传动 ?基本内容: 1. 齿轮传动的类型及特点; 2.齿轮传动的主要参数; 3.齿轮传动的主要失效形式; 4.齿轮材料及其热处理; 5.圆柱齿轮传动的几何计算; 6.圆柱齿轮传动的载荷计算; 7.直齿圆柱齿轮传动的强度计算; 8.斜齿圆柱齿轮传动的强度计算; 9.直齿锥齿轮传动; 10.齿轮传动的效率和润滑; 11.齿轮结构. ?重点与难点: 1重点:齿轮传动的主要失效形式和计算准则;齿轮传动的载荷计算及各类齿轮传动的受力分析;直齿圆柱齿轮传动的设计原理及强度计算. 2难点:针对不同条件恰当地确定设计准则和选用相应的设计数据. ?基本要求: 1熟悉齿轮传动的特点及应用; 2掌握不同条件下齿轮传动的失效形式、设计准则; 3掌握齿轮常用材料及热处理方法的选择; 4掌握齿轮传动的基本设计原理、设计程序、强度计算方法;重点应掌握圆柱齿轮传动的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度计算的理论依据、力学模型、 计算公式 六西格玛计算公式下载结构力学静力计算公式下载重复性计算公式下载六西格玛计算公式下载年假计算公式 及公式中各参数的物理意义和公式的运用; 5掌握齿轮的结构设计; 6了解圆柱齿轮和圆锥齿轮强度计算公式的推导; 7齿轮传动的精度等级和润滑设计. 12(l 概述 s(最高300 齿轮传动的适用范围很广，传递功率可高达数万千瓦，圆周速度可达150m, m,s)，直径能做到10m以上，单级传动比可达8或更大，因此在机器中应用很广。 12(1(1 优缺点 和其他机械传动比较，齿轮传动的主要优点是:工作可靠，使用寿命长;瞬时传动比为常数;传动效率高;结构紧凑;功率和速度适用范围很广等。缺点是:齿轮制造需专用机床和设备，成本较高;精度低时，振动和噪声较大;不宜用于轴间距离大的传动等。 12(1(2 分类 齿轮传动分类 按轴的布置方式分: 平行轴传动，交叉轴传动，交错轴传动 按齿线相对于齿轮母线方向分:直齿，斜齿，人宇齿，曲线齿 按齿轮传动工作条件分: 闭式传动，形式传动，半形式传动 按齿廓曲线分: 渐开线齿，摆线齿，圆弧齿 按齿面硬度分: 软齿面(?350佃)，硬齿面(>350佃) 12. 1(3 基本要求 齿轮传动应满足两项基本要求:1)传动平稳;2)承载能力高。 在齿轮设计、生产和科研中，有关齿廓曲线、齿轮强度、制造精度、加工方法以及热理工艺等，基本上都是围绕这两个基本要求进行的。 12(2 齿轮传动的主要参数 12，2(1 主要参数 ——基本齿廓。渐开线齿轮轮齿的基本齿廓及其基本参数见表12(2或查阅机械设计 手册 华为质量管理手册 下载焊接手册下载团建手册下载团建手册下载ld手册下载 。 ——模数。为了减少齿轮刀具种数，规定的标准模数见表12(3或查阅机械设计手册。 ——中心距。荐用的中心距系列见表12，4或查阅机械设计手册。 ——传动比i、齿数比u。主动轮转速nl与从动轮转速n2之比称为传动比i。大齿轮的齿数z2与小齿轮齿数z1之比称为齿数比u。 减速传动时，u=i;增速传动u=1/i 。 ——标准模数m: ?斜齿轮及人宇齿轮取法向模数为标准模数，锥齿轮取大端模数为标准模数。 ?标准中优先采用第一系列，括号内的模数尽可能不用。 ——变位系数。刀具从切制标准齿轮的位置移动某一径向距离(通称变位量)后切制的齿轮， 称为径向变位系数。刀具变位量用xm表示，x称为变位系数。刀具向齿轮中心移动，x为负值，反之为正值。随着x的改变，轮齿形状也改变，因而可使渐开线上的不同部分作为工作齿廓，以改善啮合性质。 ， 由变位齿轮所组成的齿轮传动，若两轮变位系数的绝对值相等，但一为正值，另一为负值，即x1=-x2称为“高度变位”，此时，传动的啮合角等于分度圆压力角，分度圆和节圆重合，中心距等于标准齿轮传动中心距，只是齿顶高和齿根高有所变化。 若x1=-x2;x1+x2?0，这种齿轮传动称为角度变位齿轮传动。此时，啮合角将不等于分度圆压力角，分度圆和节圆不再重合。 12(2，2 精度等级的选择 在渐开线圆柱齿轮和锥齿轮精度标准(GBl0095—-88和GBll365—89)中，规定了12个精度等级，按精度高低依次为1—12级，根据对运动准确性、传动平稳性和载荷分布均匀性的要求不同，每个精度等级的各项公差相应分成三个组:第工公差组、第?公差组和第?公差组。 12(3 齿轮传动的失效形式 齿轮传动的失效形式主要有轮齿折断和齿面损伤两类。齿面损伤又有齿面接触疲劳磨 损(点蚀)、胶合、磨粒磨损和塑性流动等。 12(3(1 轮齿折断 折断一般发生在齿根部位。折断有两种:一种是由多次重复的弯曲应力和应力集中造成的疲劳折断;另一种是因短时过载或冲击载荷而产生的过载折断。两种折断均起始于轮齿受拉应力一侧。齿宽较小的直齿圆柱齿轮，齿根裂纹一般是从齿根沿着横向扩展，发生全齿折断。齿宽较大的直齿圆柱齿轮常因载荷集中在齿的一端，斜齿圆柱齿轮和人字齿轮常因接触线是倾斜的，载荷有时会作用在一端齿顶上，故裂纹往往是从齿根斜向齿顶的方向扩展，发生轮齿局部折断。 增大齿根过渡曲线半径、降低表面粗糙度值、减轻加工损伤(如磨削烧伤、滚切拉伤)、采用表面强化处理(如喷丸、辗压)等，都有利于提高轮齿的抗疲劳折断能力。 12(3(2 齿面接触疲劳磨损(点蚀) 点烛是润滑良好的闭式传动常见的失效形式。由于齿面接触应力是交变的，应力经多次反复后，在节线附近靠近齿根部分的表面上，会产生若干小裂纹，封闭在裂纹中的润滑油，在压力作用下，产生楔挤作用而使裂纹扩大，最后导致表层小片状剥落而形成麻点。这种疲劳磨损现象，在齿轮传动中常称为“点蚀”。润滑油是接触疲劳磨损的媒介，实践证明:润滑油粘度愈低，愈易渗入裂纹，点蚀扩展愈快。点蚀将影响传动的平稳性并产生振动和噪声，甚至不能正常工作。新齿轮在短期工作后出现的点蚀痕迹，继续工作不再发展或反而消失的称为收敛性点蚀。收敛性点蚀只发生在软齿面(?350HB)上，原因是轮齿初期工作时表面接触不够好，在个别凸起处有很大的接触应力，但当点蚀形成后，凸起逐渐变平，接触面积扩大，待接触应力降至小于极限值时，点蚀即停止发展。 随着工作时间的延长而继续扩展的点蚀称为扩展性点蚀。常在软齿面轮齿经跑合后，接触应力高于接触疲劳极限值时发生。严重的扩展性点蚀能使齿轮在很短时间内报废。硬齿面 (>350HB)轮齿不发生收敛性点蚀。原因是齿面出现小凹坑后，由于材料的脆性，凹坑边缘不易被辗平，而是继续碎裂成为大凹坑，直到齿面完全破坏为止。 在短时过载下，硬齿面齿轮可能出现齿面破碎，软齿面齿轮则可能出现齿面塑性变形。 开式传动没有点蚀现象，这是由于齿面磨粒磨损比疲劳磨损发展得快的缘故。 提高齿面接触疲劳强度，防止或减轻点蚀的主要措施有:1)提高齿面硬度和降低表面粗糙度值;2)在许可范围内采用大的变位系数和，以增大综合曲率半径;3)采用粘度较高的润滑油;4)减小动载荷等。 12(3(3 齿面胶合 胶合是比较严重的粘着磨损。高速重载传动因滑动速度高而产生的瞬时高温会使油膜破 裂，造成齿面间的粘焊现象，粘焊处被撕脱后，轮齿表面沿滑动方向形成沟痕。低速重 载传动不易形成油膜，摩擦热虽不大，但也可能因重载而出现冷焊粘着。 防止或减轻齿面胶合的主要措施有:1)采用角度变位齿轮传动以降低啮合开始和终了时的滑动系数;2)减小模数和齿高以降低滑动速度;3)采用极压润滑油;4)选用抗胶合性能好的齿轮副材料;5)材料相同时，使大、小齿轮保持适当硬度差;6)提高齿面硬度和降低表面粗糙度值等。 12(3(4齿面磨粒磨损 当表面粗糙的硬齿与较软的轮齿相啮合时，由于相对滑动，软齿表面易被划伤而产生齿面磨粒磨损。外界硬屑落人啮合轮齿间也将产生磨粒磨损。磨损后，正确齿形遭到破坏，齿厚减薄，最后导致轮齿因强度不足而折断。 对于闭式传动，减轻或防止磨粒磨损的主要措施有:1)提高齿面硬度;2)降低表面粗糙度值;3)降低滑动系数;4)注意润滑油的清洁和定期更换等。 对于开式传动，应特别注意环境清洁，减少磨粒侵入。 12(3(5齿面塑性流动 齿面较软的轮齿，重载肘可能在摩擦力作用下产生齿面塑性流动，从而破坏正确齿形。由于在主动轮齿面的节线两侧，齿顶和齿根的摩擦力方向相背，因此在节线附近形成凹槽;从动轮则相反，由于摩擦力方向相对，因此在节线附近形成凸脊。这种损坏常在低速重载、频繁起动和过载传动中见到。适当提高齿面硬度，采用粘度较大的润滑油，可以减轻或防止齿面塑性流动。 12(3(6 计算准则 齿轮的计算准则由失效形式确定。 闭式传动的齿轮，主要失效形式是接触疲劳磨损、弯曲疲劳折断和胶合。目前，一般只进行接触疲劳强度和弯曲疲劳强度计算。当有短时过载时，还应进行静强度计算。对于高速大功率的齿轮传动，还应进行抗胶合计算。闭式传动常先按接触疲劳强度求出齿轮直径和齿宽，再校核其弯曲疲劳强度。齿面硬度很高的闭式传动，也可以按弯曲疲劳强度确定齿轮模数，再校核其接触疲劳强度。 开式传动的齿轮，主要失效形式是弯曲疲劳折断和磨粒磨损，磨损尚无完善的计算方法，故目前只进行弯曲疲劳强度计算，用适当加大模数的办法以考虑磨粒磨损的影响。有短时过载的，仍应进行静强度计算。开式传动只需进行弯曲疲劳强度计算求取齿轮模数，为了补偿磨粒磨损，模数应增大10,一15,。 12(4 齿轮材料及其热处理 12(4(1齿轮材料 齿轮材料应具备下列条件: 1) 齿面具有足够的硬度，以获得较高的抗点蚀、抗磨粒磨损、抗胶合和抗塑性流 动的能力; 2) 在变载荷和冲击载荷下有足够的弯曲疲劳强度; 3) 具有良好的加工和热处理工艺性; 4) 价格较低。 最常用的材料是钢。钢的品种很多，且可通过各种热处理方式获得适合工作要求的综合性能。其次是铸铁，还有非金属材料。 锻钢 硬齿面齿轮可用整体淬火、表面淬火、渗碳淬火、渗氮和碳氮共渗等方法得到。软齿面齿轮可由正火或调质得到，精切齿形可在热处理后进行。 软齿面齿轮制造工艺简便、经济，但齿面强度低。若改用硬齿面，则齿面接触强度大为提高，在相同条件下，传动尺寸要比软齿面的小得多。同时，也有利于提高抗磨粒磨损、抗胶合和抗塑性流动的能力。因此，采用合金钢、硬齿面齿轮是当前发展的趋势。采用硬齿面齿轮时，除应注意材料的力学性能外，还应适当减少齿数、增大模数，以保证轮齿具有足够的弯曲强度。 铸钢 直径较大的齿轮采用铸钢，其毛坯应进行正火处理以消除残余应力和硬度不均匀现象。常用的牌号为ZG270—500一ZG340—640，或低合金铸钢ZG40Mn、ZG40Cr。 铸铁 普通灰铸铁的铸造性能和切削性能好、价廉、抗点蚀和抗胶合能力强，但弯曲强度低、冲击性差，常用于低速、无冲击和大尺寸的场合。铸铁中石墨有自润滑作用，尤其适用于开式传动。铸铁性脆，为避免载荷集中引起齿端折断，齿宽宜较窄。常用牌号有HT200一HT350。 球墨铸铁的力学性能和抗冲击性能远高于灰铸铁，可替代某些调质钢的大齿轮。常用牌号有QT500—7、QT600—3等。 非金属材料 高速、小功率和精度要求不高的齿轮传动，可采用夹布胶木、尼龙等非金属材料。非金属材料的弹性模量较小，可减轻因制造和安装不精确所引起的不利影响，传动时的噪声小。由于非金属材料的导热性差，与其啮合的配对齿轮仍应采用钢或铸铁制造，以利于散热。 12(4(2齿轮热处理 钢制齿轮常用的热处理方法主要有以下几种: 整体淬火 整体淬火后再低温回火。常用材料为中碳钢或中碳合金钢，如45、40Ct等。表面硬度可达45HRC一55HRC。这种热处理工艺较简单，但轮齿变形较大，心部韧度较低。质量不易保证，不适于承受冲击载荷。热处理后必须进行磨齿、研齿等精加工。 表面淬火 表面淬火后再低温回火。常用材料为中碳钢或中碳合金钢。表面硬度可达48HRC— HRC。由于心部韧度高，能用于承受中等冲击载荷。中、小尺寸齿轮可采用中频或高频感应热，大尺寸齿轮可采用火焰加热。火焰加热比较简单，但齿面难于获得均匀的硬度，质量不易保证。因只在薄层表面加热，轮齿变形不大，可不最后磨齿，但若硬化层较深，则变形较大，应进行最后精加工。 渗碳淬火 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，如15、20、15Cr、20Cr、20CrMnTi等。低碳钢渗碳淬火后，因其心部强度较低，且与渗碳层不易很好结合，载荷较大时有剥离的可能，轮齿的弯曲强度也较低，重要场合宜采用低碳合金钢，其齿面硬度可达58HRC一63HRC。齿轮经渗碳淬火后，轮齿变形较大，应进行磨齿。 渗氮 渗氮齿轮硬度高、变形小，适用于内齿轮和难于磨削的齿轮。常用材料有:42CrMo、38CrMoM等。由于硬化层很薄，在冲击载荷下易破碎，磨损较严重时也会因硬化层被磨掉而报废，故宜用于载荷平稳、润滑良好的传动。 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。 正火和调质 批量小、单件生产、对传动尺寸没有严格限制时，常采用正火或调质处理。材料为中碳钢或中碳合金钢。轮齿精加工在热处理后进行。为了减少胶合危险，并使大、小齿轮寿命相近，小齿轮齿面硬度应比大齿轮高数十个HB单位。 12(5圆柱齿轮传动(外啮合)的几何计算(略) 12(6圆柱齿轮传动的载荷计算 12(6(1直齿圆柱齿轮传动的受力分析 根据作用力与反作用力的关系，作用在主动轮和从动轮上各对应力大小相等、方向相反。从动轮上的圆周力是驱动力，其方向与回转方向相同;主动轮上的圆周力是阻力，其方向与回转方向相反;径向力分别指向各轮轮心(内齿轮为远离轮心方向)。 12(6(2 斜齿圆柱齿轮传动的受力分析 在切于两基圆柱的啮合平面内，法向力Fn可分解为三个相互垂直的分力:圆周力F;t径向力F;轴向力F。 ra 圆周力F和径向力F方向的判断与直齿圆柱齿轮传动相同。轴向力F的方向决定于主tra动轮轮齿螺旋线方向和齿轮回转方向，可用“左(右)手法则”判断:根据主动轮的轮齿螺旋线方向，左旋用左手，右旋用右手，握住主动轮的轴线，除拇指外其余四指代表旋转方向，拇指的指向即主动轮轴向力的方向。从动轮轴向力方向与其方向相反，大小相等。 12(6(3计算载荷 根据名义转矩求得的圆周力称为名义圆周力。实际圆周力要比名义圆周力大。为此，用各种系数对名义圆周力进行修正以考虑各种因素的影响，故实际圆周力为 K= K K KK αβAv 式中 K——载荷系数;K——使用系数;K——动载系数;K——齿间载荷分配系数， αAv K——齿向载荷分布系数。 β 计算载荷=载荷系数×名义载荷，即:F =K×F c 12(7 直齿圆柱齿轮传动的强度计算 12(7(1齿面接触疲劳强度计算(公式和参数查手册) 重要概念:影响齿轮齿面接触疲劳强度的主要几何参数是齿轮的分度圆直径(或中心距)。 12(7(2 齿根弯曲疲劳强度计算(公式和参数查手册) 重要概念:影响齿轮齿根弯曲疲劳强度的主要几何参数是齿轮的模数。 12(8 斜齿圆柱齿轮传动的强度计算 12(8(1 齿面接触疲劳强度计算(公式和参数查手册) 1(计算公式 斜齿圆柱齿轮传动齿面不产生疲劳点蚀的强度条件与直齿轮相同。推导计算公式的出发点和直齿圆柱齿轮相似，但有以下几点不同:1)斜齿圆柱齿轮的法向齿廓为渐开线，故齿廓啮合点的曲率半径应代以法向曲率半径;2)接触线总长度随啮合位置不同而变化，同时 还受端面重合度和纵向重合度的共同影响;3)接触线倾斜有利于提高接触疲劳强度，用螺旋角系数考虑其影响。计人载荷系数、螺旋角系数后，得斜齿圆柱齿轮传动齿面接触疲劳强度的校核公式和设计公式。(公式和参数查手册) 12(8(2 齿根弯曲疲劳强度计算 斜齿圆柱齿轮传动的接触线是倾斜的，故轮齿往往是局部折断。齿根弯曲应力比较复杂，很难精确计算，通常按斜齿轮的法面当量直齿圆柱齿轮进行，分析的截面应为法向截面，模数应为法向模数。考虑接触线倾斜对弯曲强度的有利影响，再引入螺旋角系数，于是得斜齿圆柱齿轮齿根弯曲疲劳强度的校核公式。 对于人字齿轮，和直齿圆柱齿轮传动相同的原因，在进行设计计算时，也无法直接应用式还需先按简化公式求出主要尺寸和参数，然后再作较精确的校核计算。(公式和参数查手册) 12(10 齿轮传动的效率和润滑 12(10(1齿轮传动的效率 齿轮传动的功率损失主要包括:1)啮合中的摩擦损失;2)润滑油被搅动的油阻损失;3)轴承中的摩擦损失。 闭式齿轮传动的效率 = 考虑齿轮啮合损失时的效率 × 考虑油阻损失时的效率 × 轴承的效率 12(10(2 齿轮传动的润滑 齿轮传动的润滑方式主要取决于齿轮的圆周速度，详见第15章。润滑油的粘度一般也是根据齿轮的圆周速度选择的。课本和手册有关表列出了润滑油的荐用值，根据查得的粘度选定润滑油的牌号。 12(11 齿轮结构 齿轮结构型式主要由毛坯材料、几何尺寸、加工工艺、生产批量、经济等因素确定，各部分尺寸由经验公式求得;相关的经验公式可查机械设计手册或图册。 齿轮结构型式主要有: 龆轮轴:齿轮与轴做成一体; 实心轮:较小的齿轮; 辐板轮:中等尺寸的锻造齿轮或铸造齿轮; 轮辐式:材料为铸铁或铸钢的大尺寸齿轮。