第10章齿轮传动wxd.ppt
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1、武汉科技大学专用 作者: 潘存云教授,1,第10章 齿轮传动,主要内容: 1.齿轮传动的特点、失效形式及设计准则 2.齿轮传动的基本设计原理及强度计算方法 3.齿轮的结构及润滑方式,重点内容: 1.齿轮传动的失效形式及设计准则 2.齿轮传动的受力分析 3.标准直齿、斜齿圆柱齿轮传动的基本设计 原理及强度计算方法,武汉科技大学专用 作者: 潘存云教授,2,潘存云教授研制,潘存云教授研制,34 机械零件的接触强度,如齿轮、凸轮、滚动轴承等。,机械零件中各零件之间力的传递,总是通过两个零件的接触形式来实现的。常见两机械零件的接触形式为点接触或线接触。,武汉科技大学专用 作者: 潘存云教授,3,潘存云
2、教授研制,潘存云教授研制,若两个零件在受载前是点接触或线接触。受载后,由于变形其接触处为一小面积,通常此面积甚小而表层产生的局部应力却很大,这种应力称为接触应力。这时零件强度称为接触强度。,接触失效形式常表现为:,疲劳点蚀,后果:减少了接触面积、损坏了零件的光滑表面、降低了承载能力、引起振动和噪音。,机械零件的接触应力通常是随时间作周期性变化的,在载荷重复作用下,首先在表层内约20m处产生初始疲劳裂纹,然后裂纹逐渐扩展(润滑油被挤迸裂纹中将产生高压,使裂纹加快扩展,终于使表层金属呈小片状剥落下来,而在零件表面形成一些小坑 ,这种现象称为渡劳点蚀。,武汉科技大学专用 作者: 潘存云教授,4,潘存
3、云教授研制,潘存云教授研制,由弹性力学可知,应力为:,对于钢或铸铁取泊松比: 1=2=0.3 , 则有简化公式。,上述公式称为赫兹(HHertz)公式,“+”用于外接触, “-”用于内接触。,武汉科技大学专用 作者: 潘存云教授,5,潘存云教授研制,H -最大接触应力或赫兹应力;,b -接触长度;,Fn -作用在圆柱体上的载荷;,-综合曲率半径;,-综合弹性模量; E1、 E2 分别为两 圆柱体的弹性模量。,接触疲劳强度的判定条件为:,武汉科技大学专用 作者: 潘存云教授,6,作用: 不仅用来传递运动、而且还要传递动力。,要求: 运转平稳、足够的承载能力。,分类,开式传动,有简单防护罩,大齿轮
4、浸入油池,润滑得到改善、适于非重要应用;,裸露、灰尘、易磨损,适于低速传动。,10-1 概述,半开式传动,闭式传动,全封闭、润滑良好、适于重要应用。,按类型分,按装置型式分,按使用情况分,软齿面齿轮(齿面硬度350HBS),直齿圆柱齿轮传动,斜齿圆柱齿轮传,锥齿轮传动,人字齿轮传动,动力齿轮,传动齿轮,按齿面硬度分,硬齿面齿轮(齿面硬度350HBS),以动力传输为主,常为高速重载或低速重载传动。,以运动准确为主,一般为轻载高精度传动。,武汉科技大学专用 作者: 潘存云教授,7,齿轮传动的特点:, 传动效率高-可达99;在常用的机械传动中,齿轮传动的效率为最高;, 结构紧凑;与带传动、链传动相比
5、,在同样的使用条件下,齿轮传动所需的空间一般较小, 工作可靠,寿命长;与各类传动相比, 传动比稳定;无论是平均值还是瞬时值。这也是齿轮传动获得广泛应用的原因之一;, 制造及安装精度要求高,价格较贵。与带传动、链传动相比,学习本章的目的,本章学习的根本目的是掌握齿轮传动的设计方法,也就是要能够根据齿轮工作条件的要求,能设计出传动可靠的齿轮。,设计齿轮-设计确定齿轮的主要参数以及结构形式。,主要参数有:模数m、齿数z、螺旋角以及压力角a、 齿高系数h*a、径向间隙系数c*。,武汉科技大学专用 作者: 潘存云教授,8,潘存云教授研制,10-2 轮齿的失效形式及设计准则,轮齿折断,一般发生在齿根处,严
6、重过载突然断裂、疲劳折断。,一、轮齿的失效形式,失效形式,潘存云教授研制,武汉科技大学专用 作者: 潘存云教授,9,提高轮齿抗折断能力的措施: 1)增大齿根过渡圆角半径,消除加工刀痕,减小齿根 应力集中;,2)增大轴及支承的刚度,使轮齿接触线上受载较为均匀;,3)采用合适的热处理,使轮齿芯部材料具有足够的韧性;,4)采用喷丸、滚压等工艺对,对齿根表层进行强化处理。,武汉科技大学专用 作者: 潘存云教授,10,潘存云教授研制,齿面接触应力按脉动循环变化当超过疲劳极限时,表面产生微裂纹、高压油挤压使裂纹扩展、微粒剥落。点蚀首先出现在节线处,齿面越硬,抗点蚀能力越强。软齿面闭式齿轮传动常因点蚀而失效
7、。,齿面点蚀,10-2 轮齿的失效形式及设计准则,轮齿折断,失效形式,一、轮齿的失效形式,武汉科技大学专用 作者: 潘存云教授,11,齿面点蚀,齿面胶合,高速重载传动中,常因啮合区温度升高而引起润滑失效,致使齿面金属直接接触而相互粘连。当齿面向对滑动时,较软的齿面沿滑动方向被撕下而形成沟纹。,措施: 1.提高齿面硬度,2.减小齿面粗糙度,3.增加润滑油粘度低速,4.加抗胶合添加剂高速,10-2 轮齿的失效形式及设计准则,轮齿折断,失效形式,一、轮齿的失效形式,武汉科技大学专用 作者: 潘存云教授,12,潘存云教授研制,齿面胶合,齿面磨损,措施:1.减小齿面粗糙度,2.改善润滑条件,清洁环境,磨
8、粒磨损,跑合磨损,跑合磨损、磨粒磨损。,齿面点蚀,10-2 轮齿的失效形式及设计准则,轮齿折断,失效形式,一、轮齿的失效形式,3.提高齿面硬度,武汉科技大学专用 作者: 潘存云教授,13,潘存云教授研制,齿面胶合,齿面磨损,齿面点蚀,10-2 轮齿的失效形式及设计准则,轮齿折断,失效形式,齿面塑性变形,一、轮齿的失效形式,表面凸出,表面凹陷,武汉科技大学专用 作者: 潘存云教授,14,二、齿轮传动的设计准则,保证足够的齿根弯曲疲劳强度,以免发生齿根折断。,保证足够的齿面接触疲劳强度,以免发生齿面点蚀。,闭式软齿面齿轮传动,以保证齿面接触疲劳强度为主。,对高速重载齿轮传动,除以上两设计准则外,还
9、应按齿面抗胶合能力的 准则进行设计。,闭式硬齿面传动,以保证齿根弯曲疲劳强度为主。,开式齿轮传动(易磨损,一般不出现点蚀),设计准则: a)按齿面接触疲劳强度(防止齿面点蚀)进行强度计算, 设计齿轮参数, HH b)校核齿根弯曲疲劳强度, F F,主要失效形式:齿面点蚀,齿根弯曲疲劳折断,主要失效形式:齿根弯曲疲劳折断,齿面点蚀 设计准则:a)按齿根弯曲疲劳强度(防止齿根疲劳折断)进行强度计算, 设计齿轮参数, F F b)校核齿面接触疲劳强度, H H ,主要失效形式:齿面磨损,齿根弯曲疲劳折断 设计准则:防止齿根疲劳折断进行强度计算,设计齿轮参数, 考虑 磨损对齿厚的影响, F(0.70.
10、8)F,由工程实践知:,武汉科技大学专用 作者: 潘存云教授,15,一、对齿轮材料性能的要求,齿轮的齿体应有较高的抗折断能力,齿面应有较强的抗点蚀、抗磨损和较高的抗胶合能力,即要求:齿面硬、芯部韧。,10-3 齿轮材料及选用准则,常用齿轮材料,锻钢,铸钢,铸铁,常作为低速、轻载、不太重要的场合。,适用于高速、轻载、且要求降低噪声的场合。,非金属材料,二、常用齿轮材料,钢材的韧性好,耐冲击,通过热处理和化学处理可改善材料的机械性能,最适于用来制造齿轮。,耐磨性及强度较好,常用于大尺寸齿轮。,含碳量为0.150.6%的碳素钢或合金钢。一般齿轮用碳素钢,重要齿轮用合金钢。,武汉科技大学专用 作者:
11、潘存云教授,16,常用的热处理方式: 1)退火与正火 (1)退火:把零件加热到一定温度,保温一定时间,随炉缓慢冷 却的工艺过程。为淬火作准备。 (2)正火:与退火不同之处,正火是在静止的空气中冷却。 2)淬火与回火 (1)淬火:把零件加热到一定温度,保温一定时间,急剧冷却 的工艺过程。 (2)回火:将淬火后的零件再加热到一定温度,保温一定时 间,在空气中或油中冷却的工艺过程。 其目的:消除淬火后的脆性和内应力。 3)调质:淬火后高温回火。其目的:获得较高的综合机械性能。 4)化学热处理:渗碳、渗氮。,热处理方法,目的:有规律地改变金属材料的组织,从而获得所要求的性能。,武汉科技大学专用 作者:
12、 潘存云教授,17,一般用于中碳钢和中碳合金钢,如45、40Cr、35SiMn等。调质处理后齿面硬度为:220260HBS。因为硬度不高,故可在热处理后精切齿形,且在使用中易于跑合。,2.调质,1. 正火,能消除内应力、细化晶粒、改善力学性能和切削性能。机械强度要求不高的齿轮可用中碳钢、正火处理。大直径的齿轮可用铸钢、正火处理。,一般用于中碳钢和中碳合金钢,如45、40Cr等。表面淬火后轮齿变形小,可不磨齿,硬度可达5256HRC,面硬芯软,能承受一定冲击载荷。,3.表面淬火,武汉科技大学专用 作者: 潘存云教授,18,4. 渗碳淬火,渗碳钢为含碳量0.150.25%的低碳钢和低碳合金钢,如2
13、0、20Cr等。齿面硬度达5662HRC,齿面接触强度高,耐磨性好,齿芯韧性高。常用于受冲击载荷的重要传动。通常渗碳淬火后要磨齿。,渗氮是一种化学处理。渗氮后齿面硬度可达6062HRC。氮化处理温度低,轮齿变形小,适用于难以磨齿的场合,如内齿轮。材料为:38CrMoAlA。,5. 渗氮,武汉科技大学专用 作者: 潘存云教授,19,潘存云教授研制,武汉科技大学专用 作者: 潘存云教授,20,潘存云教授研制,5862HRC,武汉科技大学专用 作者: 潘存云教授,21,三、齿轮材料选用的基本原则,1)必须满足工作条件的要求,如强度、寿命、可靠性、经济 性等;,2)应考虑齿轮尺寸大小,毛坯成型方法及热
14、处理和制造工艺;,3)正火碳钢,只能用于制作在载荷平稳或轻度冲击下工作的 齿轮;调质碳钢可用于在中等冲击载荷下工作的齿轮;,6)钢制软齿面齿轮,其配对两轮齿面的硬度差应保持在30 50HBS或更多。,4)合金钢常用于制作高速、重载并在冲击载荷下工作的齿轮;,5)航空齿轮要求尺寸尽可能小,应采用表面硬化处理的高强 度合金钢;,武汉科技大学专用 作者: 潘存云教授,22,10-4 齿轮传动的计算载荷,齿轮传动强度计算中所用的载荷,通常取沿齿面接触线单位长度上所受的载荷,即:,实际传动中由于原动机、工作机性能的影响以及制造误差的影响,载荷会有所增大,且沿接触线分布不均匀。,接触线单位长度上的最大载荷
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