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作者:admin 发布时间:2019-10-26 07:36

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  第4章 齿 轮 传 动 基本要求及重点、难点: 齿轮传动的失效形式和设计准则。齿轮常用材料及热处理形式。齿轮传动的计算载荷。齿轮传动的受力分析,齿轮传动的承载能力计算。齿轮●的结构。齿轮传动的设计(材料、热处理、精度、主要参数的选择与确定、几何尺寸计算、结构、齿轮公差等)。 基本要求: 1) 掌握齿轮传动的失效形式及其机理、失效部位,以及针对不同失效形式的设计计算准则。 2) 掌握选用齿轮材料及热处理方式的基本要求。 3) 理解计算载荷的定义及载荷系数的物理意义、影响因素及减小载荷系数的措施。 4) 熟练掌握齿轮传动的受力分析方法——包括假设条件、力的作用点、各分力大小的计算与各分力方向的判断。 重点与难点: 4.1 概 述 一、齿轮传动的类型 4.2 齿轮传动的失效形式及设计准则 齿轮传动因其润滑方式不同,材料及热处理方式不同,齿轮传动的载荷和速度范围不同,即工作条件及齿面硬度的不同,所表现出的主要失效形式也不同。 下面分别讨论各种主要的失效形式: 二、计算准则 开式齿轮传动 主要失效形式为:齿面磨损、轮齿折断 4.3 齿轮的常用材料 一、对材料的基本要求: ? ? 四、材料的选择原则 (1)齿轮材料必须满足工作条件的要求。 工作条件的要求是选择齿轮材料时首先应考虑的因素。 (2)应考虑齿轮尺寸的大小、毛坯成型方法及热处理和制造工艺。 (3)正火碳钢,不论毛坯的制作方法如何,只能用于制作在载荷平稳或轻度冲击下工作的齿轮,不能承受大的冲击载荷;调质碳钢可用于制作在中等冲击载荷下工作的齿轮;合金钢常用于制作高速、重载并在冲击载荷下工作的齿轮,飞行器中的齿轮传动,要求◆■齿轮尺寸尽可能小,应采用表面硬化处理的高强度合金钢。 (4)考虑配对两齿轮的齿面硬度组合,对金属制的软齿面齿轮,配对两轮齿面的硬度差应保持(25~50)HBW或更多。当小齿轮与大齿轮的齿面具有较大的硬度差,且速度又较高时,在运转过程中较硬的小齿轮齿面对较软的大齿轮齿面,会起较显著的冷作硬化效应,从而提高了大齿轮齿面的疲劳极限。 4.4 直齿圆柱齿轮传动的受力分析 为了计算轮齿的强度、设计轴和轴承,需先分析轮齿上的作用力。 ——小齿轮的节圆直径,对标准齿轮即为分度圆直径,; ——啮合角,对标准齿轮, ——小齿轮传递的转距, 二、计算载荷 由于◇•■★▼原动机及工作机性能的影响,以及齿轮的制造误差,特别是基节误差和齿形误差的影响,会使法向载荷增大。此外,在同时啮合的齿对间,载荷的分配并不是均匀的,即使在一对齿上,载荷也不可能沿接触线均匀分布,因此在计算齿轮传动的强度时,应按计算载荷。 后一对轮齿在未进入啮合区时就提前进入啮合,瞬时传动比发▪▲□◁生了变化。 基圆齿距pb2 pb1时的影响情况 4.5直齿圆柱齿轮传动的强度计算 应用齿面接触强度设计公式和校核公式的几点说明: (1)一对相啮合的齿轮,齿面接触应力相等。 (2)由于两齿轮的材料、热处理方法不同,因而其许用应力一般不相同,计算时应取两者中的较小值。 (3)齿轮传动的接触疲劳强度取决于中心距或齿轮分度圆直径。 (4)齿宽可由 求得,取为大齿轮的齿宽 ,为补偿装配和调整时大、小齿轮的轴向位置偏移,并保证轮齿接触宽度,取小齿轮的齿宽 。 设计新的齿轮传动时,尺寸均未知,所以式(4.9)无法用于设计计算。为此,需将该式进行简化,以便先作初步计算,求出主要尺寸和相关参数后,再进行精确的校核计算。 式(4.9)可简化为 二、齿根弯曲疲劳强度的计算 ?(flexural stress) 强度条件 : 对于齿轮传动,重合度大于1,可认为在双齿对啮合区内啮合时,啮合的轮齿能分担△▪▲□△载荷,齿根所受的弯矩并不是最大,而是当轮齿刚进入到单齿对啮合区啮合时,仅有一对齿承受全部载荷,齿根所受的弯矩为最大。故对齿轮传动,应假设载荷▼▲作用于单齿对啮合的最高点来计算齿根的弯曲强度。对于大多数的齿轮传动,实际上多由在齿顶处啮合的轮齿分担较多的载荷,为便于计算,通常假设全部载荷作用于齿顶来计算齿根的弯曲强度。 1)齿形系数 3)齿根应力(集中)修正系数Ysa 齿根应力(集中)修正系数,取决于齿根圆角半径、齿数和变位系数等因素,由图4.16查取。 齿根弯曲强度校核公式 齿根弯曲强度设计公式和校核公式的几点说明: (1)由于 、 与z有关,而相啮合的齿轮一般齿数不等,所以 。 (2)由于两齿轮的材料、热处理方法不同,因而其许用应力一般也不相同。 (3)按齿根弯曲强度设计时,应代入 和 中较大者,齿根弯曲强度校核时,也应同时满足。 (4)齿根弯曲应力的大小,主要取决于模数。计算出模数,应取标准值,对于传递动力的齿轮,模数不宜过小,一般应使 三、直齿圆柱齿轮的参数、精度选择和许用应力 1.设计参数的选择 3)齿宽系数 齿宽系数选得越大,齿轮越宽。增大齿宽系数可使中心距和模数减小,从而缩小径向尺寸和减小齿轮的圆周速度,但轮齿过宽,会使载荷沿齿向分布不均程度严重。应严格按表4.7选取。 4)中心距 中心距按承载能力要求算出后,圆整成整数,最好个位数为“0”或“5”。 2.齿轮传动的精度 我国渐开线圆柱齿轮和圆锥齿轮均己制定有精度标准。标准中规定了13个精度等级,0级精度最高,12级精度最低,常用的是6~9级。齿轮副中两个齿轮的精度等级一般取成相同,也允许取成不同。 制造和安装齿轮传动装置时,不可避免会产生误差。 通常对齿轮传动提出下面4个方面的精度和使用要求。 (1)传递运动的准确性 (2)传动的平衡性 (3)载荷分布的均匀性 (4)传动侧隙 精度设计包括 ①选择齿轮的精度等级 ②选择检验参数 ③设计侧隙 ④设计齿轮和箱体的尺寸公差和表面粗糙度 1)精度等级 (1)运动精度 指传递运动的准确程度。主要限制齿轮在一转内实际传动比的最大变动量,即要求齿轮在一转内最大和最小传动比的变化不超过工作要求所允许的范围。运动精度等级的高低影响齿轮传递速度或分度的准确性。 (2)工作平稳性精度 指齿轮传动的平稳程度,冲击、振动及噪声的大小。它主要用来限制齿轮在传动中瞬时传动比的变化不超过工作要求所允许的范围。工作平稳性精度等级的高低影响齿轮传动的平稳、振动和噪声,以及机床的加工精度。 (3)接触精度 指啮合齿面沿齿宽和齿高的实际接触程度(影响载荷分布的均匀性)。它主要用来限制齿轮在啮合过程中的实际接触面积要符合传递动力大小的要求,以保证齿轮传动的强度及磨损寿命。 选择精度等级时,应根据齿轮传动的用途、工作条件、传递功率及圆周速度的大小,以及其他技术要求,并以主要的精度要求作为选择的依据。确定精度等级时,还要考虑加工条件,正确处理精度要求与加工技术及经济的矛盾。 各类机器齿轮传动精度等级范围 2)齿厚的极限偏差及侧隙 为了防止齿轮在运转中由干轮齿的制造误差、传动系统的弹性变形以及热变形等因素使啮合轮齿卡死,同时也为了在啮合轮齿之间存留润滑剂等,啮合齿对的齿厚与齿槽间应留有适当的间隙(即侧隙)。 3.许用接触应力 许用接触应力应按下式计算: 查取寿命系数 时,其应力循环次数有以下两种情况: 4.许用弯曲应力 4.6斜齿圆柱齿轮传动的强度计算 一、斜齿圆柱齿轮传动的受力分析: 一对直齿圆锥齿轮传动如图所示,确定两轮所受三个分力的方向。 图示圆锥—斜齿圆柱齿轮减速器。 (1) 标出各轴的转向; (2) 为使Ⅱ轴所受轴向力较小,合理确定3、4轮的螺旋线 所受的各个分力。 讨论题: 二级圆柱齿轮减速器,其中一级为直齿轮,另一级为斜齿轮。试问斜齿轮传动应置于高速级还是低速级?为什么?若为直齿锥齿轮和圆柱齿轮组成减速器,锥齿轮传动应置于高速级还是低速级?为什么? 在二级圆柱齿轮传动中,斜齿轮传动放在高速级,直齿轮传动放在低速级。其原因有三点:1)斜齿轮传动工作平稳,在与直齿轮精度等级相同时允许更高的圆周速度,更适于高速。2)将工作平稳的传动放在高速级,对下级的影响较小。如将工作不很平稳的直齿轮传动放在高速级,则斜齿轮传动也不会平稳。3)斜齿轮传动有▷•●轴向力,放在高速级轴向力较小,因为高速级的转矩较小。 由锥齿轮和斜齿轮组成的二级减速器,一般应将锥齿轮传动放在高速级。其原因是:低速级的转矩较大,齿轮的尺寸和模数较大。当锥齿轮的锥距R和模数m大时,加工困难,制造成本提高。 分析题: 某输送带由电机通过三级减速传动系统来驱动,减速装置有:二级斜齿圆柱齿轮传动、滚子链传动、V带传动。试分析如图所示传动布置方案○▲-•■□的不合理之处,简单说明错误原因,画出正确的传动方案布置图。 答题要点: 1)V带传动比较适合高速传动,而不适合低速传动,应布置在高速级; 2)链传动不适合高速传动,而适合低速传动,应布置在低速级; 3)齿轮减速器的输入和输出端设计不合理,应在齿轮远离轴承的一侧输入、输出。 4)减速器中斜齿轮的旋向选择不合理,中间轴的两个齿轮的旋向应该相同,使其所受轴向力方向相反。 5)链传动的松紧边布置不合理。应紧边在上,松边在下。 修改为: 填空题 1.一般开式齿轮传动的主要失效形式是_________和_________;闭式齿轮传动的主要失效形式是_________和_________;又闭式软齿面齿轮传动的主要失效形式是_________;闭式硬齿面齿轮传动的主要失效形式是_________。 2.对于闭式软齿面齿轮传动,主要失效形式为_________,一般是按_________强度进行设计,按_________强度进行校核,这时影响齿轮强度的最主要几何参数是_________; 3.对于开式齿轮传动,虽然主要失效形式是_________,但通常只按_________强度计算。这时影响齿轮强度的主要几何参数是_________。 4.在齿轮传动中,齿面疲劳点蚀是由于_________的反复作用而产生的,点蚀通常首先出现在_________。 5.齿轮设计中,对闭式软齿面传动,当直径d1一定,一般z1选得_________些;对闭式硬齿面传动,则取_________的齿数z1,以使_________增大,提高轮齿的弯曲疲劳强度;对开式齿轮传动,一般z1选得_________些。 6.设计圆柱齿轮传动时,当齿轮_________布置时,其齿宽系数φd可选得大些。 7.对软齿面(硬度≤350 HBW)齿轮传动,当两齿轮均采用45钢时,一般采用的热处理方式为:小齿轮_________,大齿轮_________。 8.减小齿轮内部动载荷的措施有_________、_________、_________。 9.斜齿圆柱齿轮的齿形系数YFa与齿轮的参数_________、_________ 和________有关;而与_________无关。 10.影响齿轮齿面接触应力σH的主要几何参数是________和________;而影响其极限接触应力σHlim的主要因素是_________和_________。 11.一对减速齿轮传动,若保持两轮分度圆的直径不变,减少齿数并增大模数,其齿面接触应力将_________。 12.一对齿轮传动,若两轮的材料、热处理方式及许用应力均相同,只是齿数不同,则齿数多的齿轮弯曲强度_________;两齿轮的接触疲劳强度_________。 13.一对直齿圆柱齿轮,齿面接触强度已足够,而齿根弯曲强度不足,可采用下列措施:_________,_________,_________来提高弯曲疲劳强度。 14.在材料、热处理及几何参数均相同的直齿圆柱、斜齿圆柱和直齿圆锥三种齿轮传动中,承载能力最高的是_________传动,承载能力最低的是_________传动。 15.齿轮传动的润滑方式主要根据齿轮的_________选择。闭式齿轮传动采用油浴润滑时的油量根据_________确定。 满载★△◁◁▽▼时,采用滚动轴承的齿轮传动,平均效率列◁☆●•○△于表4.12。 2.实体式齿轮 3.腹板式齿轮 本 章 小 结 本章主要介绍了齿轮传动的特点、材料及热处理、失效形式和计算准则,详细分析了直齿、斜齿圆柱齿轮,和直齿圆锥齿轮的受力情况并进行了接触疲劳强度和弯曲疲劳强度计算,同时对齿轮传动的效率、润滑及结构也作了简单说明。 二、实心式da≤160~200mm 四、轮辐式齿轮 齿顶圆直径da>500mm的齿轮,虽或da≤500mm但形状复杂、不便于锻造的齿轮,常采用铸造毛坯(铸铁或铸钢)。 一、 齿轮传动的效率 齿轮传动中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。 4.8 齿轮传动的效率、润滑及结构 齿轮传动的效率 η1—啮合中的效率损失; η2—润滑油被搅动的油阻损失; η3—轴承中摩擦损失 表4.12 采用滚动轴承时齿轮传动的平均效率 直齿圆柱齿轮强度计算3 节点处的综合曲率半径为: 法向计算载荷: 接触线长度: 重合度系数: 端面重合度: ——接触线长度变化系数 螺旋角系数 由于斜齿圆柱齿轮接触线是倾斜的,有利于提高齿面接触强度,其影响程度与b有关,故在计算接触应力sH时要考虑螺旋角系数Zb,由经验可知: 纵向重合度: 如 ,取 斜齿圆柱齿轮齿面接触疲劳强度校核公式 节点区▼▼▽●▽●域系数: 斜齿圆柱齿轮齿面接触疲劳强度设计公式 三、齿根弯曲疲劳强度的计算 斜齿圆柱齿轮传动的齿根弯曲疲劳强度计算也应按当量直齿圆柱齿轮进行。 模数用的是法面模数mn。 还需引入螺旋角系数Yb。 这样斜齿圆柱齿轮齿根弯曲强度的验算公式为: 斜齿圆柱齿轮弯曲疲劳强度校核计算公式为 斜齿圆柱齿轮弯曲疲劳强度设计计算公式为 重合度系数 应力修正系数 按当量齿数查取 齿形系数 按当量齿数查取 螺旋角影响系数,按 若 ,则取 。当 时,按 计算。 纵向重合度 当 时,按 计算。 螺旋角β 斜齿圆柱齿轮传动设计计算方法和参数选择基本上与直齿圆柱齿轮相同。 螺旋角b通常为8°~25°,载荷大或平稳性要求高时选大值。 b值大则轴向力大,轴承装置结构复杂。 4.7直齿圆锥齿轮传动的强度计算 承载能力计算原则: 近似转化为当量直齿圆柱齿轮(齿宽中点处背锥展开),当量直齿轮分度圆半径即为齿宽中点处背锥母线长, 模数为齿宽中点处平均模 数 法向力即为齿宽中点处的合力 其强度计算即可引用直齿 圆柱齿轮传动的相应公式进行计算。 一、几何参数 齿宽系数 则 二、轮齿的受力分析 各力的大小: 各力的方向: (1)主动锥齿轮的径向力与从动锥齿轮的轴向力大小相等,方向相反; (2)主动锥齿轮轴向力与从动锥齿轮的径向力大小相等,方向相反; (3)锥齿轮轴向力的方向平行轴线)主动锥齿轮的圆周力与转动方向相反,从动锥齿轮的圆周力与转动方向相同。 三、直齿圆锥齿轮齿面接触疲劳强度计算 利用直齿圆柱齿轮的接触疲劳强度计算公式 则直齿锥齿轮齿面接触疲劳强度校核公式为 因为 故 因为 则 直齿锥齿轮齿面接触疲劳强度校核公式为 直齿锥齿轮齿面接触疲劳强度设计公式为 四、直齿锥齿轮齿根弯曲疲劳强度计算 直齿锥齿轮齿根弯曲疲劳强度校核公式为 直齿锥齿轮齿根弯曲疲劳强度设计公式为 0 1 2 …… 6 7 8 9 …… 11 12 最高 最低 常用 轮齿载荷分布的不均匀性 第Ⅲ公差组精度等级 3 传递运动的平稳性 第Ⅱ公差组精度等级 2 传递运动的准确性 第Ⅰ公差组精度等级 1 主要影响 公差组 序号 齿轮的精度对齿轮的工作性能,工作噪声,都有很大的影响,齿轮精度的提高使齿轮传动更平稳,载荷在各轮齿间,在同一轮齿上沿长度方向的分布更均匀,使齿轮的承载能力得到提高,由于传动平稳性提高,使得传动噪声减小,特别是对高速传动,加速传动这是非常重要的。提高齿轮精度的最大缺点是齿轮成本提高。 作用:贮藏润滑油,补偿齿轮变形,补偿齿轮传动的制造误差及装配误差。 齿轮副的侧隙 侧隙量的大小按齿轮工作条件决定,与精度等级无关。在中心距极限偏差一定的条件下,通过改变齿厚偏差的大小来确定最小侧隙 对高速、高温、重载工作的齿轮传动,应具有较大的侧隙; 一般齿轮传动,应具有中等大小的侧隙; 经常正反转、转速又不高的齿轮传动,应具有较小的侧隙。 齿厚极限偏差的选取原则: ——齿轮材料接触疲劳极限 ——接触疲劳强度计算的寿命系数 ——接触疲劳强度安全系数 注意:大、小齿轮的许用接触应力一般是不同的 1)接触疲劳极限应力sHlim sHlim是指实验齿轮的失效概率为1%,经持久疲劳实验确定的疲劳极限应力。 sHlim与材质和硬度有关,并有一定的离散性(由于材质性能及表面状态的差异)。 2)接触强度寿命系数ZN 寿命系数ZN是考虑了齿轮的设计寿命低于实验齿轮的寿命(无限寿命)时,接触疲劳许用应力可以提高的系数。 ZN的数值按齿轮的应★◇▽▼•力循环次数N从图查取。 载荷不稳定时 载荷稳定时 ——齿轮每转一周,同一侧齿面的啮合次数 ——齿轮转速 ——齿轮的设计寿命 ——较长周期作用的最大转矩 ——指第 个循环 ——指数 3)接触强度最小安全系数SHmin 最小安全系数SHmin的选取考虑的因素: 使用场合的重要程度、工况条件、材质的可靠性、计算的准确程度、载荷分析是否符合实际等。 一般按表选取。 许用弯曲应力的计算公式为 ——齿轮的齿根弯曲疲劳极限 ——弯曲疲劳强度计算的寿命系数 ——尺寸系数 ——弯曲疲劳强度安全系数 大、小齿轮的许用弯曲应力一般也是不同的。 1)齿根弯曲疲劳极限应力sFlim sFlim是不同材料的齿轮经长期的重复载荷作用后,齿根保持不破坏时的极限应力 。 实验条件为: 失效概率为1% 从图中查取(看图)。 注意的问题: 对于受对称循环载荷的齿轮应取0.7sFlim。 2)弯曲强度寿命系数YN 寿命系数YN是考虑齿轮设计寿命低于实验寿命时,许用弯曲应力提高的系数。 YN根据弯曲应力循环次数N从图4.22中查取(看图)。 3)尺寸系数YX 尺寸系数YX是考虑由于所设计的齿轮模数大于实验模数时齿根弯曲疲劳极限应力降低而引入的修正系数。 YX取决于齿轮材料热处理方式和模数大小。 从图4.23中查取。 4)齿根弯曲强度的最小安全系数SFmin 最小安全系数SFmin的确定应注意齿轮的使用场合和重要程度。 分析中间齿轮接触应力和弯曲应力的特点 假设条件同前,只是轮齿倾斜一个角度,斜齿轮比直齿轮传动平稳,噪声小,所以应用的比较广泛。 受力分析的思路:将总的法向力Fn,分解为三个力,都变为圆周力函数,因为圆周力可根据扭 矩T1与小轮分度圆直径d1求得,因而各分力皆可求得。 受力分析 C C C C 1.各力的大小 —— 节圆螺旋角,对标准斜齿轮即为分度圆螺旋角; —— 啮合平面的螺旋角,亦即基圆螺旋角; —— 端面压力角。 2、力的方向 圆周力:主动轮与转向相反;从动轮与转向相同。 径向力:指向圆心。 Fr1 Fr2 Ft1 Ft2 Fa1 Fa2 关于轴向力的方向可以这样分析,首先确定主动轮的旋向,(将轴线垂直放置,齿向线左端高为左旋,右端高为右旋),如为左旋则用左手握住轴线,使四指指向旋转方向,拇指所指方向即为主动轮所受轴向力的方向,如为右旋则用右手握住轴线,使四指指向旋转方向,拇指所指方向即为主动轮所受轴向力的方向。 注意这种方法只能用来判断主动轮的所受轴向力的方向,从动轮的轴向力方向与主动轮相反。 轴向力:可用左、右手判断。 讨论 输入轴 输出轴 轴1 轴2 轴3 n1 1 2 3 4 当轴上只有一个产生轴向力的零件时,应设法使承受径向载荷较小的轴承承受轴向力,当同一轴上有两个产生轴向力的零件时应适当选择螺旋角方向,使两轮的轴向力部分抵消。 二、斜齿圆柱齿轮齿面接触疲劳强度计算 赫兹应力计算公式,即: 弹性系数: 节点区域系数,是考虑节点处齿廓形状对接触应力的影响系数,由图4.14查取: 2)节点区域系数ZH 3)重合度系数Ze 重合度系数,是考虑重合度影响轮齿啮合接触线总长,从而影响接触应力大小的修正系数。 对于直齿圆柱齿轮 4)齿宽系数 此式对于直齿或斜齿圆柱齿轮均适用 齿根弯曲力学模型 按悬臂梁理论,当载荷作用于齿顶时,在齿根危险截面上存在三种应力:弯曲应力、压应力、剪应力。 略去压应力sc和剪应力t的影响,只按弯曲应力进行计算。 齿形系数,表示由于两齿轮形状的不同对其弯曲强度影响的系数。 由齿轮尺寸关系可知,hFa、SFa与模数m成正比,因此YFa仅与齿廓形状有关而与模数无关。当z↗、变位系数x↗、压力角a↗时,齿根厚度↗, YFa ↘,从而使齿根•●弯曲应力降低。 2)重合度系数 重合度系数,是考虑把载荷作用于齿顶时产生的弯曲应力折算到作用于单对齿啮合最高点时的应力折算系数,即重合度对弯曲应力的影响系数。 4)齿宽系数 增大 可减少齿轮传动装置的尺寸和重量(尤其是重载齿轮传动),但会导致载荷分布不均。 齿宽系数 应根据不同类型机器的工况而定,一般从表4-7中查取。 1)传动比i和齿数比u i和u应按机器工作要求及结构尺寸要求来选取: 一般闭式齿轮减速传动,为结构紧凑,通常单级直齿圆柱、圆锥齿轮传动比i≦5;斜齿圆柱齿轮传动i≦8 开式齿轮可稍大些。 齿数比u定义为大齿轮齿数和小齿轮齿数之比。 2)齿数z和模数m 对于软齿面的闭式齿轮传动,接触应力主要与分度圆直径(或中心距)有关,因此,在满足齿根弯曲强度的条件下,宜采用较多的齿数,较小的模数,以增大重合度,提高传动平稳性。 中速、中载:z1=20~40 高速、重载:适当多一些 动力传动齿轮:m≧1.5~2mm 软齿面的闭式齿轮传动 对于硬齿面的闭式齿轮传动和开式齿轮传动,齿数▲●…△不应选的过多,但z1≧zmin。 C C 1、工作情况系数 表4.4 工作情况系数 下面分析基圆齿距pb2 pb1时的影响情况 理想情况下,只有基圆齿距相等( pb1= pb2)时才能正确啮合,瞬时传动比才恒定。 这种情况称为啮入冲击 当pb1≠ pb2,将产生内部附加载荷 。 这种情况称为换齿冲击 动载(荷)系数Kv的查取 一般齿轮传动设计,动载荷系数Kv可在图4.9中查取。 图4.9 Kv v/(m·s-1) 消除或减少影响的措施 采用修形齿、修缘齿可减少啮合冲击,并可以部分补偿基圆齿距误差及变形的影响,从而降低动载系数。 举例 一、齿面接触疲劳强度计算: 强度条件: 标准直齿圆柱齿轮传动,啮合角等于分度圆压力角 减速传动 增速传动 4.齿面胶合(Tooth-face Scuffing) 在高速重载的齿轮传动中,由于齿面间压力大,相对滑动速度高,因而发热量大,使啮合区温度增高而引起润滑失效,相啮合两齿面金属直接接触并在瞬间相互粘连,齿轮继续转动时,较弱齿面上的金属沿滑动方向被撕出沟纹这种现象称为齿面胶合。 在低速重载传动◆▼中,也可能出现胶合。 温度过高,引起油膜破裂 热胶合:高速重载,齿面间摩擦力,发热量大; 冷胶合:低速重载,速度过低,不易产生油膜。 产生原因: 产生的部位: 在齿顶及齿根处,相对滑动速度较大,因此胶合沟纹首先出现在齿顶面及齿根面啮合处。 齿面胶合实例 防止或减轻的途径: 采用角度变位齿轮传动以降低滑动系数 采用较小模数,降低相对滑动速度 选用抗胶合能力强的润滑剂(极压润滑剂) 选用粘度较大的润滑油 选择抗胶合好的齿轮副材料 材料相同时,使大、小齿轮保持适当硬度差 提高齿面硬度和降低表面粗糙度值 使用前进行跑合 5.塑性变形(Plastic Distortion) 齿面较软的齿轮在载荷及摩擦力较大时,轮齿表面金属可能产生塑性流动,从而失去原来的正确齿形,这种现象称为轮齿的塑性变形。 产生原因:①齿面太软;②载荷太大。 产生的场合:低速重载和起动、过载频繁的齿轮传动。 变形与摩擦力方向的关系 塑性变形实例 防止或减轻的途径: 适当提高润滑油的粘度 适当提高齿面硬度 小结 弯曲折断 磨损 塑性变形 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 现象与原因? 改进措施? 点蚀 胶合◇…=▲ 齿轮的计算准则取决于齿轮可能出现的失效形式。 一对实际啮合齿轮不可能同时产生以上5种失效形式,在具体工作条件下,主要以以上5种失效形式的一种或两种。 确定轮齿究竟产生哪种失效,主要取决于齿轮齿面硬度和具体工作条件。 计算准则: 对于软齿面闭式齿轮传动:常因齿面点蚀而失效,故通常先按齿面接触疲劳强度进行设计,然后校核齿根弯曲疲劳强度。 对于硬齿面闭式齿轮传动:其齿面接触承载能力较高,故通常先按齿根弯曲疲劳强度进行设计,然后校核齿面接触疲劳强度。 对于开式齿轮传动:按齿根弯曲疲劳强度进行 设计,不需要校核齿面接触疲劳强度。 设计准则: 高速重载:胶合 重载软齿:塑性变形 短时过载:除以上计算准则外,还应进行静强度计算。 高速大功率:除以上设计准则外,还应进行抗胶合计算。 基本要求: 选取材料及热处理方法应考虑下列要求: 1)齿面应有足够的硬度,以保证其抗点蚀和抗磨损的能力; 2)轮齿要有足够的强度(对受冲击载荷的齿轮,芯部还应有足够的韧性)以保证其抗折断的能力; 3)根据摩擦学的观点,大、小齿轮的齿面硬度应有一定的硬度差(HBW1-HBW2=25~50)或采用不同牌号的材料,有利于其抗胶合能力的提高; 4)工艺性及经济性要满足要求。 常用的齿轮材料是各种牌号的优质碳素钢、合金结构钢、铸铁和铸钢等。表4-2列出了常用的齿轮材料及其热处理后的硬度。 二、常用材料 1)闭式软齿面齿轮传动常用的材料有35,45,40Gr和35SiMn经调质或正火处理。此类材料的特点是制造方便,多用于对强度、速度和精度要求不高的一般机械传动中。 2)闭式硬齿面齿轮传动常用的材料有20,20Gr,20GrMnTi表面渗碳淬火和45,40Gr表面淬火或整体淬火,一般齿面硬度为45~65 HRC。通常两齿轮轮齿采用相同的齿面硬度。此类材料的特点是制造较复杂,精度要求高,多用于高速、重载及精密机械中。 3)当齿轮尺寸较大(如直径大于400~600 mm)而轮坯不易锻造时,可采用铸钢;开式低速传动可采用灰口铸铁;球墨铸铁有时可代替铸钢。 三、热处理方式 1)整体淬火 2)表面淬火 3)渗碳淬火 4)调质和正火处理 5)氮化及氰化处▪•★理 1)整体淬火 适用场合:需低温回火消除内应力,不适用于承受冲击载荷的齿轮 效果:处理后,齿面硬度HRC≥50,但轮齿变形大,需磨削或研磨后处理 常用材料:45、40Cr等 2)表面淬火 适用场合:承受中等冲击载荷的齿轮需进行表面淬火处理 效果:芯部未淬硬,故有一定的冲击韧性,齿面硬度HRC≥45~55,且齿面接触强度高、耐磨性好。淬火后齿形变化不大,可不磨齿 常用材料:45、40Cr等 3)渗碳淬火 适用场合:冲击载荷很大,需采用渗碳淬火齿轮 效果:齿面硬度可达HRC≥ 56~62,强度高,耐磨性好,轮芯具有较高的冲击韧性,但易变形,一般要磨齿 常用材料:20Cr、20CrMnTi等 4)调质和正火处理 适用场合:不需要高硬度的一般齿轮传动可采用该方法 效果:硬度不高HBW≤300,可先热处理后切齿。这类齿轮在使用中易跑合、工艺过程简单 常用材料:调质(中碳钢、中碳合金钢) 正火(Q275、Q295、中碳钢) 5)氮化及氰化处理 适用场合:处理后有很高的硬度和强度,但硬化层较薄较脆,不宜承受冲击载荷 效果:变形小,不需进行磨齿加工 常用材料:渗氮(42CrMo、38CrMoAl) 小结: 调质和正火处理,属软齿面齿轮传动 表面淬火、渗碳淬火及氮化处理等,属硬齿面齿轮传动 齿面硬度匹配 1.软齿面传动时: HBW小=HBW大+(30~50) HBW小 HBW大对大齿轮冷作硬化 2.硬齿面传动时: HBW小≈HBW大 一、直齿圆柱齿轮传动的受力分析 研究的对象:一对标准安装的标准直齿圆柱齿轮。 假设:只有一对轮齿啮合且略去摩擦力,研究轮齿齿廓在节点啮合时的相互作用力。 C * * 5) 掌握直齿圆柱齿轮传动的齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度计算的力学模型、理论依据、力作用点及计算点(或截面)、应力的类型及变化特性,掌握强度计算公式中各参数的物理意义及其对应力(或强度)的影响,掌握斜齿圆柱齿轮传动强度计算的特点。 6) 掌握齿轮传动的设计方法与步骤(包括材料、热处理方式和精度选择、参数选择和结构设计)。 齿轮图片 矿石球磨机 内啮合齿轮传动 圆锥齿轮传动 人字齿轮传动 斜齿轮传动 1.按照两轴相对位置和齿的螺旋方向分类; 2.按照齿轮的工作条件的不同可分为:闭式传动(如汽车变速箱、机床主轴箱齿轮,减速器齿轮)、开式传动(如水泥搅拌机齿轮、卷扬机齿轮)和半开式传动; 3.按照齿轮齿面硬度的不同,齿轮传动可分为软齿面传动(≤350 HBw)和硬齿面传动(350 HBw) ; 4.齿轮传动还可以根据其传动比i 是否恒定,可以分为圆形齿轮传动(i 恒定即定比传动)和非圆形齿轮传动(i 是变化的即变比传动); 本章只介绍圆形齿轮传动。 5.按照齿轮节圆线速度的高低可分为: 低速传动 中速传动 高速传动 6.按照齿轮传递的功率大小可分为: 轻载传动;中载传动;重载传动 ? 二、齿轮传动的特点: 三、齿轮传动应满足的基本要求 1.传动准确平稳 (provision of angular velocity ratios that are exactly constant) 即要求其瞬时传动比i 恒定不变,以免齿轮传动在工作的过程中产生冲击、振动和噪声。 2.承载能力高 (higher capacity) 即要求齿轮传动尺寸小,重量轻,传递◆◁•较大的动力,且有较长的安全使用寿命。满足齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度。 失效部位: 一般情况下,齿轮传动的失效部位主要集中在轮齿 (带传动的失效部位是带,链传动的失效部位是链条)。 一、失效形式 1.轮齿折断(Tooth Fracture) 轮齿折断分类及产生的原因 过载折断 折断分类 疲劳折断 疲劳折断产生原因:①齿根处弯曲应力较大;②齿根处过渡圆弧处有应力集中,当轮齿重复受载后,弯曲变应力的作用,齿根处产生疲劳裂纹,并逐步扩展,致使轮齿疲劳折断。 过载折断产生原因:①突然过载或者强烈冲击;②模数太小,齿根厚度太小,材料太脆。 全齿折断:直齿轮 局部折断:斜齿轮接触线倾斜、 齿宽方向接触不良 折断形式 在斜齿圆柱齿轮传动中,轮齿工作面上的接触线为一斜线,轮齿受载后,如有载荷集中时,就会发生局部折断。若制造及安装不良或轴的弯曲变形过大,轮齿局部受载过大时,即使是直齿圆柱齿轮,也会发生局部折断。 产生的部位: 通常发生在轮齿的根部。 因轮齿受力似悬臂梁受力情况,齿的根部应力最大且有应力集中。 轮齿折断是一种最危险的失效形式,应避免其发生。 轮齿折断实例 防止或减轻的途径: 设计保证sF≤[sF] 增大齿根圆角半径 适当降低齿根圆角表面粗糙度 齿根处采用强化措施(如喷丸处理) 避免出现热处理裂纹 减轻加工损伤,如磨削烧伤、滚切拉伤 增大轴及轴承的刚性,使齿轮接触线上受载均匀 采用合理的热处理方法,齿芯有足够的韧性 2.齿面点蚀(Surface Pitting) 齿面点蚀的概念:齿轮工作时,齿面受脉动循环变应力的作用。在这种变应力的作用之下,齿面首先产生疲劳裂纹,然后齿面金属小块剥落,形成小凹坑。这种小凹坑不断增多或扩展成大凹坑,这种现象称为齿面点蚀。 ①齿面接触应力太大; ②当出现裂纹时,油渗入裂纹产生楔裂作用。 产生原因: 产生的部位: 实践表明齿面点蚀首先出现在节线附近的齿根表面处。因节线附近相对滑动速度低,不易形成油膜,齿啮合对数少。 注意的问题: 1)润滑油的品质对齿面点蚀有重要影响。粘度低的润滑油加快裂纹的扩展。 收敛性点蚀 扩展性点蚀 点蚀 a.闭式软齿面齿轮出现的是收敛性点蚀 b.闭式硬齿面齿轮不太容易出现疲劳点蚀 ,但一经发生就将形成扩展性点蚀 c.开式齿轮传动一般看不到点蚀现象 2) 点蚀实例 防止或减轻的途径: 设计保证sH≤[sH] 提高齿面硬度 降低齿面粗糙度 采用合理的变位,大的变位系数和xS=x1+x2可以增大综合曲率半径 增大润滑油粘度 减小动载荷 3.齿面磨损(Tooth-face Wear) 齿面磨损 磨粒磨损:硬颗粒进入啮合面 研磨磨损:齿面相互摩擦 齿面磨损产生的严重后果是:齿廓失去正确形状,侧隙增大,冲击与噪声变得更为明显,甚至折断轮齿。 磨损是开式齿轮传动的主要失效形☆△◆▲■式。 砂粒、金属微粒进入啮合齿面,产生磨粒磨损。 产生原因: 齿面磨损实例 跑合: 闭式齿轮传动在开始运转期间,由于齿面粗糙而压强很大,因此也发生齿面研磨磨损;运转一段时间之后,齿面粗糙度降低,压强减小,加上润滑条件的改善,磨损现象逐渐减少,这一过程称为磨合(跑合)。 跑合无害有益,但应及时更换箱体内的润滑油,以免出现磨粒磨损。 防止或减轻的途径: 采用硬齿面或采用闭式齿轮传动 降低表面粗糙度值 减低滑动系数 注意润滑油的清洁 加防护装置

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