1、第11章 齿轮传动（重点）,内容,11-1 轮齿的失效形式,11-2 齿轮材料及热处理,11-3 齿轮传动的精度,11-4 直齿圆柱齿轮传动的作用力及计算载荷,11-5 直齿圆柱齿轮传动的齿面接触强度计算,11-6 直齿圆柱齿轮传动的轮齿弯曲强度计算,11-7 斜齿圆柱齿轮传动,11-8 直齿圆锥齿轮传动,11-9 齿轮的构造,11-10 齿轮传动的润滑和效率,重点介绍直齿圆柱、斜齿圆柱、直齿圆锥齿轮传动的设计。,按工作条件分,按速度与载荷 情况分,齿轮传动的分类,概 述,11-1 轮齿的失效形式,一、失效形式,齿轮传动的失效主要是轮齿的失效，常见的失效形式有：,轮齿折断是闭式硬齿面、脆性材料
2、齿轮传动的主要失效形式,折断,轮齿折断： 疲劳折断：轮齿受的弯曲应力是循环变化的，在齿根的过渡圆角处具有较大的应力集中。在循环应力的反复作用下，齿根部产生疲劳裂纹，裂纹逐渐扩展，最终引起轮齿疲劳折断。 过载折断：齿轮受到过载或冲击时,引起轮齿的突然折断。属于静强度破坏。,11-1 轮齿的失效形式,11-1 轮齿的失效形式,提高轮齿抗折断能力的措施:,(1)增大齿轮的模数;,(2)增大齿根过渡圆角的半径,减小应力集中;,(3)提高齿轮的制造、安装精度;,(4)采用喷丸,滚压等工艺,对齿根表层进行强化处理.,齿面点蚀 轮齿工作时，其工作表面上任一点所产生的接触应力是按脉动循环变化的。 H反复作用产
3、生裂纹裂纹扩展麻点状脱落点蚀。 齿面抗点蚀能力主要与齿面硬度有关，齿面硬度越高，抗点蚀能力越强。,点蚀是闭式软齿面齿轮传动的主要失效形式。一般出现在齿根表面靠近节线处。,11-1 轮齿的失效形式,11-1 轮齿的失效形式,提高轮齿抗点蚀能力的措施:,(1)提高齿面材料的硬度;,(2)降低齿面粗糙度,提高齿轮的加工精度;,(3)用较高粘度的润滑油.,3.齿面胶合 润滑失效表面粘连沿运动方向撕裂齿面胶合 热胶合：在高速重载的齿轮传动中，当齿面所受的压力很大且润滑效果差，或压力很大而速度很高时，由于发热大，瞬时温度高，破坏了齿面的润滑油膜，造成润滑失效，致使相啮合的齿面发生粘联现象，此时两齿面有相对
4、滑动，粘接的地方被撕裂。 冷胶合：低速重载的齿轮，齿面间的润滑油膜不易形成，也会发生胶合现破坏。这时齿面温度无明显增高。,高速重载、低速重载闭式传动的主要破坏形式。,11-1 轮齿的失效形式,11-1 轮齿的失效形式,提高齿面抗胶合措施： 提高齿面硬度；减小齿面粗糙度； 低速传动采用高粘度润滑油； 高速传动采用抗胶合添加剂的润滑油。,4.齿面磨损 分为：磨粒磨损和跑合磨损 在开式传动中，由于轮齿外露，灰尘、硬屑粒等磨粒性物质容易进入啮合区，引起磨粒磨损。齿面磨损后，正确齿形遭到破坏，齿侧间隙增大，齿厚减薄，引起冲击和振动，最终导致轮齿因强度不够而折断。,开式齿轮传动易发生磨粒磨损。,11-1
5、轮齿的失效形式,11-1 轮齿的失效形式,提高轮齿抗磨损能力的措施:,(1)提高齿面材料的硬度;,(2)采用闭式齿轮传动,保证润滑;,(3)保持清洁的工作环境.,5. 齿面塑性变形 软齿面齿轮在低速重载或有短时过载的传动中，由于摩擦力的作用可能出现齿面表层金属沿滑动方向流动而发生塑性变形。,11-1 轮齿的失效形式,11-1 轮齿的失效形式,提高轮齿抗塑性变形能力的措施:,(1)提高齿面材料的硬度;,(2)用较高粘度的润滑油.,二、设计准则： 齿轮传动设计时，针对不同的工作情况及失效形式，都应分别确立相应的设计准则，即：先根据主要失效形式进行强度计算，确定其主要几何尺寸，然后对其他失效形式进行
6、必要的校核。,11-1 轮齿的失效形式,11-2 齿轮材料及热处理,齿轮材料的基本要求 ： 齿面具有足够的硬度，使其具有较高的抗磨损、抗点蚀、抗胶合及抗塑性变形的能力； 齿根具有足够的弯曲强度，使其具有抗折断的能力； 齿轮材料要具有良好的加工和热处理工艺性； 价格低廉。,二、常用的齿轮材料,11-2 齿轮材料及热处理,三、常用的热处理方法（P166）,调质、正火：得软齿面，强度低，工艺简单。,11-2 齿轮材料及热处理,得硬齿面，强度高。,常用的齿轮材料热处理方法及力学性能（P166表11-1）,四、齿轮材料选用的基本原则,齿轮材料必须满足工作条件的要求，如强度、寿命、可靠性、经济性等； 应考
7、虑齿轮的尺寸大小，毛坯成型方法及热处理和制造工艺； 钢制软齿面齿轮，小轮的齿面硬度应比大齿轮高2050HBS 。 硬齿面齿轮传动，两轮的齿面硬度可大致相同，或小轮硬度略高。,11-2 齿轮材料及热处理,11-3 齿轮传动的精度,安装制造误差影响正常工作 保证齿轮精度,一、轮齿上的作用力 一对直齿圆柱齿轮，若略去齿面间的摩擦力，轮齿在节点C处的法向力Fn可分解为两个互相垂直的分力：切于分度圆上的圆周力Ft 和径向力Fr。,11-4 直齿圆柱齿轮传动的作用力及计算载荷,齿轮传动的受力分析是进行强度计算的前提，同时也是为轴的设计以及轴承的选择作准备，必须能够熟练掌握。,11-4 直齿圆柱齿轮传动的作
8、用力及计算载荷,过齿轮所在轴线 不能传递扭矩,垂直于齿轮所在轴线 传递有用力矩,齿轮高副间 实际存在的力,直齿圆柱齿轮受力分析,若P为小齿轮所传递的名义功率(kW)，n1为小齿轮的转速(r/min)，则小齿轮传递的名义转矩为,11-4 直齿圆柱齿轮传动的作用力及计算载荷,11-4 直齿圆柱齿轮传动的作用力及计算载荷,方向判断：,Ft2与2同向（驱动力）,径向力Fr：外齿轮指向各自齿轮中心；内齿轮背离其齿轮中心。,练习：,二、计算载荷 上述载荷Fn、Ft、Fr均是作用在轮齿上的名义载荷，并不等于齿轮工作时所承受的实际载荷。,11-4 直齿圆柱齿轮传动的作用力及计算载荷,所以，须将名义载荷修正为计
9、算载荷，进行齿轮的强度计算时，按计算载荷进行计算。 计算载荷：,11-5 直齿圆柱齿轮传动的齿面接触强度计算,一、计算公式 接触应力的计算点： 节点。 力学模型： 将一对轮齿的啮合简化为两个圆柱体接触的模型。 此时，齿面最大接触应力可近似地用赫兹公式，即式(9-9)。,进行计算，式中正号用于外啮合，负号用于内啮合。 如图所示，两轮节点曲率半径为,11-5 直齿圆柱齿轮传动的齿面接触强度计算,令齿数比u=z2/z1=d2/d1，则,在节点处一般仅有一对齿啮合，即载荷由一对齿承担，接触点的法向力为,11-5 直齿圆柱齿轮传动的齿面接触强度计算,齿面接触强度校核公式：引入弹性系数ZE查表11-4、区
10、域系数ZH（标准齿轮为2.5）和计算载荷，可得一对标准直齿圆柱齿轮传动的齿面接触强度校核公式如下：,设计公式 ：如取齿宽系数d=b/d1，则式可变换为下列设计公式,11-5 直齿圆柱齿轮传动的齿面接触强度计算,二、许用接触应力 许用接触应力H按下式计算：,式中：Hlim为试验齿轮的接触疲劳极限，用各种材料的齿轮试验测得，可按表P166，11-1查取；两齿轮材料不同时，应取H1 和H2 中较小值代入式(11-4)、(11-5)中计算。SH为齿面接触疲劳安全系数，按表11-4查取。,11-5 直齿圆柱齿轮传动的齿面接触强度计算,受力分析：,11-6 直齿圆柱齿轮传动的轮齿弯曲强度计算,动画,沿啮合
11、线方向作用于齿顶的法向力Fn可分解为互相垂直的两个分力F1=FncosF和F2= FnsinF。前者使齿根产生弯曲应力F和剪应力，后者使齿根产生压应力c。因剪应力和压应力的数值较小，可忽略不计，故在计算轮齿弯曲疲劳强度时只考虑弯曲应力。危险剖面上的弯曲应力为,令齿形系数,11-6 直齿圆柱齿轮传动的轮齿弯曲强度计算,轮齿弯曲强度的验算公式,应力集 中系数,因hF和sF均与模数成正比，故YFa值只与齿形中的尺寸比例有关而与模数m无关，对于标准齿轮仅与齿数z和变位系数x有关。正常齿制标准齿轮的YFa值可根据齿数z(zv)由图11-8查得；根据齿数z(zv)应力集中系数（齿根修正系数）YSa由图11
12、-9查得。,11-6 直齿圆柱齿轮传动的轮齿弯曲强度计算,三、设计公式：轮齿弯曲强度设计公式,11-6 直齿圆柱齿轮传动的轮齿弯曲强度计算,四、许用弯曲应力： 许用弯曲应力F按下式计算：,式中 F E为试验齿轮的齿根弯曲疲劳极限，按表11-1查取。 sF为轮齿弯曲疲劳安全系数，按表11-5查取。,一、主要参数的选择,1齿数的选择：,11-7 设计圆柱齿轮时主要材料和参数的选择,一般情况下，闭式软齿面齿轮传动: 取 z1=2040闭式硬齿面齿轮传动、开式齿轮传动: 取z1=1720 z2=uz1,当d1已按接触疲劳强度确定时，,z1,m,重合度e,传动平稳,抗弯曲疲劳强度降低,齿高h ,减小切削
13、量、减小滑动率,因此，在保证弯曲疲劳强度的前提下，齿数选得多一些好！,11-7 设计圆柱齿轮时主要材料和参数的选择,2齿数比u,3齿宽系数fd的选择,fd 齿宽b 有利于提高强度，但fd过大会导致沿齿向载荷分布不均匀。,fd的选取可参考齿宽系数表116,按公式算得齿宽b后，应加以必要的圆整。对于圆柱齿轮传动，为补偿安装时的轴向位移，应取大齿轮齿宽 b2 =b, 小齿轮齿宽b1=b2+(510)mm,齿数比 ，由传动比定，为避免大齿轮齿数过多，导致径向尺 寸过大，一般应使i7。,11-8 斜齿圆柱齿轮传动,过齿轮所在轴线 不能传递扭矩,垂直于齿轮所在 轴线传递有用力矩,齿轮高副间 实际存在的力,
14、沿齿轮所在轴线 不能传递扭矩,11-8 斜齿圆柱齿轮传动,一、轮齿上的作用力,轴向力：主动轮轴向力Fa1的方向根据主动轮螺旋方向和回转方向用“主动轮左(右)手法则”判断。 当主动轮右旋时，用右手握住齿轮的轴线，让四指的弯曲方向与主动轮的转动方向相同，大拇指所指的方向即为轴向力的方向；主动轮左旋时，用左手来判断，方法同上。,11-8 斜齿圆柱齿轮传动,右,右,左,左,用“主动轮左右手法则”判断轴向力Fa的方向时，要正确判断图中齿轮的旋向。,11-8 斜齿圆柱齿轮传动,配对齿轮旋向相反,Ft1,Ft2,Fr1,Fr2,Fa1,Fa2,Ft3,Fr3,Fa3,Ft4,Fr4,Fa4,同轴齿轮旋向相同
15、 (非同级齿轮),11-8 斜齿圆柱齿轮传动,二、强度计算 斜齿轮啮合传动时，载荷作用在法面内，而法面齿形近似于当量齿轮的齿形，因此，斜齿轮传动的强度计算可转换为当量直齿轮强度计算。由于斜齿轮传动的接触线是倾斜的，且重合度较大，传动平稳。因此，斜齿轮传动的承载能力比相同尺寸的直齿轮传动略有提高。 1. 齿面接触强度计算 校核公式,11-8 斜齿圆柱齿轮传动,螺旋角系数,斜齿轮强度计算2,设计公式：,11-8 斜齿圆柱齿轮传动,ZE 、 ZH与前面相同； Z螺旋角系数：,2. 齿根弯曲强度计算 斜齿轮齿根弯曲疲劳强度校核公式为,引入齿宽系数d=b/d1，可得轮齿弯曲强度设计公式,以上两式中：mn
16、为法向模数，其他参数同前。,11-8 斜齿圆柱齿轮传动,11-9 直齿圆锥齿轮传动,11-9 直齿圆锥齿轮传动,一、齿轮上的作用力 两圆锥齿轮啮合传动，轮齿间的相互作用的法向力Fn可视为集中作用在平均分度圆上，即齿宽中点C处。法向力Fn分解为相互垂直的三个分力，即圆周力Ft 、径向力Fr和轴向力Fa 。,11-9 直齿圆锥齿轮传动,当1+2=90时有：sin1=cos2cos1=sin2dm1=d1-bsin1,二、强度计算,1. 齿面接触强度计算 校核公式：圆锥齿轮传动的强度计算可以近似地按平均分度圆处的当量圆柱齿轮传动(如图所示)进行计算。轴交角为90的一对钢制直齿圆锥齿轮的齿面接触强度校
17、核公式为：,11-9 直齿圆锥齿轮传动,设计公式：,注： 这里的Rb/Re,一般取0.250.3；Re外锥距； 对一级直齿锥齿轮传动，取u。,11-9 直齿圆锥齿轮传动,锥齿轮强度计算4,2.齿根弯曲强度计算 校核公式：,11-9 直齿圆锥齿轮传动,注：m为大端模数。,设计公式：,11-10 齿轮的构造,实心齿轮：齿轮的直径很小时，一般都做成实心式结构。,11-10 齿轮的构造,齿轮轴：但齿根圆到键槽底部的距离e很小时，便将齿轮和轴做在一起，称为齿轮轴。否则可能引起轮缘断裂。,11-10 齿轮的构造,齿根圆到键槽底部的距离e很什么情况下才算小呢？ 圆柱齿轮：e 2m（2mt ）圆锥齿轮： e
18、1.6m（m为齿轮小端模数）,11-10 齿轮的构造,腹板式结构齿轮：当齿顶圆直径小于500mm,11-10 齿轮的构造,带加强肋的腹板式铸造锥齿轮,11-10 齿轮的构造,轮辐式齿轮：齿顶圆直径大于400mm。,轮辐式齿轮,11-11 齿轮传动的润滑和效率,开式及半开式齿轮传动：采用人工定期加油润滑。,闭式齿轮传动：,喷油润滑：,油池润滑：齿轮圆周速度 v 12ms时,v 12ms时,1.齿轮传动的润滑方式：,为什么齿轮圆周线速度是决定采取哪种润滑方式的依据？ 圆周速度过高，油被甩走，不能进入啮合区 搅油过于激烈，使油温升高，降低润滑性能； 搅起箱底沉淀的杂质，加剧轮齿的磨损。,惰轮蘸油润滑:,对于多级齿轮传动,由于几个大齿轮 直径不相等,采用惰轮蘸油润滑,油池润滑,惰轮蘸油润滑,喷油润滑,11-11 齿轮传动的润滑和效率,3. 齿轮传动的效率,11-11 齿轮传动的润滑和效率,作业：11-3，11-7，11-13，11-15,第11章 齿轮传动（重点）,11-8 斜齿圆柱齿轮传动,11-8 斜齿圆柱齿轮传动,11-8 斜齿圆柱齿轮传动,11-8 斜齿圆柱齿轮传动,11-8 斜齿圆柱齿轮传动,11-8 斜齿圆柱齿轮传动,11-8 斜齿圆柱齿轮传动,11-8 斜齿圆柱齿轮传动,
