机械设计齿轮传动精品课件.

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P1——功率kW n1——转速r/min
T1——转矩N· mm
力的方向： 1）径向力Fr指向各自的轮心； 2）圆周力Ft主动轮上与v相反；从动轮上与v相同；
练习：
§7-4齿轮传动的受力分析及计算载荷 2、渐开线标准斜齿圆柱齿轮受力分析 Fr 2T1 Fn 圆周力 Ft d Ft 1 F’ Ft 2T1 Fa F'
§7-2齿轮传动的失效形式及设计准则
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改善措施：
1）采用抗胶合性能好的齿轮材料对。 2）采用极压润滑油。 3） ↓表面粗糙度，↑HB。 4）材料相同时，使大、小齿轮保持一定硬度差。
5.塑性变形：滚压塑变和锤击塑变
§7-2齿轮传动的失效形式及设计准则
齿轮传动的失效形式及设计准则
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主动轮—碾压出沟槽
Fr Ft tan 2T1 tan d1
Fn Ft 2T1 cos d1 cos
§7-4齿轮传动的受力分析及计算载荷
T1 T1 2n1 1000 P1 1 1000 1000 60 6 P T1 9.5510 1 (N m m ) n1
直齿圆柱齿轮强度 计算1
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§7-3齿轮的材料及其选择原则
齿轮的材料及其选择原则
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一、常用的齿轮材料 由齿轮的失效形式可知，对齿轮材料性能的要求是： 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、齿芯 韧。 常用的齿轮材料包括：锻钢、铸钢、铸铁、非金属材料 1、锻钢： 1）软齿面齿轮 HBS≤350，正火、调质 中碳钢：40、45、50、55等 中碳合金钢：40Cr、40MnB、35SiMn
2、铸钢
§7-3齿轮的材料及其选择原则
齿轮的材料及其选择原则
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用于d＞400~600mm的大尺寸、不重要的，且批量 生产的齿轮。但需要进行正火或调质处理。
3、铸铁：常作为低速、轻载、不太重要场合的齿轮材 料； 例如HT200、HT300、HT350、QT450-10、 QT600-2等；
4、非金属材料：适用于高速、轻载、且要求降低噪声 的场合。例如尼龙、聚甲醛、夹布胶木等。 齿轮常用材料及力学性能见表7-1。 (p111有误)
§7-3齿轮的材料及其选择原则
齿轮传动的设计参数2
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N 60njLh
n为齿轮的转数，单位为r/min； j为齿轮每转一圈，同一齿面啮合的次数； Lh为齿轮的工作寿命，单位为小时。
σlim——为齿轮的疲劳极限，σlim＝σFlim， σlim＝σHlim S——为疲劳强度安全系数。 弯曲疲劳强度计算时： S= S F=1.25~1.50； 接触疲劳强度计算时： S= S H=1.0;
第7章 齿轮传动
§7-1 齿轮传动概述
§7-2 齿轮传动的失效形式及设计准则 §7-3 齿轮的材料及其选择原则 §7-4 齿轮传动的受力分析及计算载荷 §7-5 齿轮传动的强度计算 §7-6 齿轮的结构设计 §7-7齿轮传动的润滑
齿轮传动是机械传动中最重要的传动方式之一，其应 齿轮传动概述1 用范围十分广泛，型式多样，传递功率从很小到很大（可 高达数万千瓦）。 一、齿轮传动的主要特点： 1） 传动效率高 可达0.99。在常用的机械传动中，齿轮传 动的效率为最高； 2） 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； 3）与各类传动相比，齿轮传动工作可靠，寿命长； 4）结构紧凑 与带传动、链传动相比，在同样的使用条件 下，齿轮传动所需的空间一般较小； 5）与带传动、链传动相比，齿轮的制造及安装精度要求高， 价格较贵。 6）齿轮传动不宜用于大中心距的场合。
§7-2齿轮传动的失效形式及设计准则
2.齿面点蚀（续）
齿轮传动的失效形式及设计准则
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主动
被动
后果：齿廓表面破坏，振动↑，噪音↑，传动不平稳↑， 接触面↓，承载能力↓ F 1 1
B 1 2 H 2 1 12 1 2 E E 2 1
由于Fa∝tan，为了不使轴承承受的轴向力过大，螺 旋角不宜选得过大，常在=8º ～20º 之间选择。
力方向：Ft、Fr：与直齿轮相同
§7-3齿轮的材料及其选择原则
齿轮的弯曲疲劳极限σFlim
齿轮传动的设计参数2
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图7-8，p114 当材料品质和热处理质量很高时疲劳极限取偏上值， 材料为中等情况时取中间值，材料达到最低要求时取偏 下值，一般情况取中间偏下值。
§7-3齿轮的材料及其选择原则
齿轮的接触疲劳极限σHlim
齿轮传动的设计参数2
§7-2齿轮传动的失效形式及设计准则
齿轮传动的失效形式及设计准则
一、齿轮的主要失效形式 齿轮传动的失效主要是指轮齿的失效，其失效形式是多 种多样的。常见的失效形式有： 轮齿折断 齿面损伤 齿面磨损
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失效形式
齿面点蚀 齿面胶合
塑性变形
由于齿轮其它部分（齿圈、轮辐、轮毂等）通常是 按经验设计的，其尺寸对于强度和刚度而言均较富裕， 实践中也极少失效。
标准斜齿圆柱齿轮强度计算1
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cos
d1 cos
2T1 tan n 径向力 Fr F ' tan n d1 cos
轴向力
Fa Ft tan Fn
2T1 tan d1
法向载荷
Ft Ft F' cos n cos n cos cos t cos b
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设计准则 2.齿面点蚀 常出现在润滑良好的闭式软齿面传动中。 开式齿轮传动一般看不到点蚀现象。
-8§7-2齿轮传动的失效形式及设计准则 齿轮传动的失效形式及
现象：节线靠近齿根部位出现麻点 状小坑。 原因：σH＞[σH] 脉动循环应力 1）齿面受多次交变应力作用，产生接触疲劳裂纹； 2）节线处常为单齿啮合，接触应力大； 3）节线处为纯滚动，靠近节线附近滑动速度小，油膜不 易形成，摩擦力大，易产生裂纹。 4）润滑油进入裂缝，形成封闭高压油腔，楔挤作用使裂 纹扩展。（油粘度越小，裂纹扩展越快）
§7-3齿轮的材料及其选择原则
二、齿轮材料选用的基本原则
齿轮的材料及其选择原则
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1. 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；
飞行器：质量小；常用合金钢； 矿山机械：功率大，尺寸大，速度低，铸钢或铸铁； 家用或办公机械：功率小，低噪音，可用工程塑料；
2. 应考虑齿轮尺寸大小，毛坯成型方法及热处理和制造工艺；
从动轮——挤出脊棱
§7-2齿轮传动的失效形式及设计准则
齿轮传动的失效形式及设计准则
二、齿轮传动的设计准则 对一般工作情况下的齿轮传动，其设计准则是： 保证齿根弯曲疲劳强度，以免发生齿根折断。 保证齿面接触疲劳强度，以免发生齿面点蚀。 对高速重载齿轮传动，除以上两设计准则外，还应按齿 面抗胶合能力的准则进行设计。 由实践得知： 闭式软齿面齿轮传动（点蚀），以保证齿面接触疲劳 强度为主。 闭式硬齿面齿轮传动（折断），以保证齿根弯曲疲劳 强度为主。 开式或半开式齿轮传动（磨损和轮齿折断），以保证 齿根弯曲疲劳强度为主。
K 三、齿轮材料的许用应力 F FN Flim SF K N lim 弯曲疲劳许用应力 接触疲劳许用应力 H K HN Hlim S SH 式中：KN——寿命系数，是应力循环次数N对疲劳极限的 影响系数； p113，KFN查图7-6， KHN查图7-7
§7-1齿轮传动概述
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二、齿轮传动的分类 1.按工作条件或按装置型式分： 开式传动：适宜低速传动，润滑条件差，易磨损； 半开式传动：装有简单的防护罩，但仍不能严密防止 杂物侵入； 闭式传动：齿轮、轴承等全封闭于箱体内，润滑良好， 使用广泛。 2.按使用情况分： 动力齿轮——以传输动力为主，高速重载或低速重载传动。 传动齿轮——以传递运动为主，一般为轻载高精度传动。 按速度有高速与低速之分，按载荷有轻载与重载之分。
§7-2齿轮传动的失效形式及设计准则
1.轮齿折断 现象：①局部折断(斜)
齿轮传动的失效形式及设计准则
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②整体折断(直)
原因： 1) 疲劳折断
①轮齿受多次重复弯曲应力作用，齿根受拉一侧产生疲劳裂纹。 σ 1 3 2
齿根弯曲应力最大 σF＞[σF]
σ
（2主动）齿轮2单侧受载
t
t
(1主动)齿轮2双侧受载
特点：齿面硬度不高，限制了承载能力，但易于制造，成 本低，常用于对尺寸和重量无严格要求的场合。 加工工艺：锻坯——加工毛坯——热处理（正火、调质 HBS160~300）——切齿 精度7、8、9级。
§7-3齿轮的材料及其选择原则
齿轮的材料及其选择原则
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2）硬齿面：HBS＞350 低碳、低碳合金钢：15、20、 20Cr、20CrMnTi、20MnB 等 表面渗碳淬火，HRC58~65 中碳钢、中碳合金钢：40、45、35SiMn、 40Cr、 50Mn等 表面淬火，HRC45~55 特点：齿面硬度高、承载能力高、适用于对尺寸、重量有较高 要求的场合（如高速、重载及精密机械传动）。 加工工艺：锻坯—加工毛坯—切齿—热处理（表面淬火、 渗碳、氮化、氰化）—磨齿(表面淬火、渗碳)。 若氮化、氰化：变形小，不磨齿 。 专用磨床，成本高，精度可达4、5、6级。
齿轮传动概述2
§7-1齿轮传动概述
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3.按齿面硬度分： 软齿面齿轮（齿面硬度≤350HBS或38HRC ） 硬齿面齿轮（齿面硬度＞350HBS或38HRC）
§7-1齿轮传动概述
齿轮传动概述2
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三、本章的学习目的
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要求，能设计出传动可靠的齿轮。 设计齿轮是指设计和确定齿轮的主要参数以及结构形 式。
大尺寸采用铸钢或铸铁；中等尺寸采用锻钢；小尺寸不
重要时可选用圆钢； 渗碳工艺应选用低碳钢；氮化工艺应选用氮化钢；
§7-3齿轮的材料及其选择原则
二、齿轮材料选用的基本原则（续）
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3. 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。 6
HB1 ห้องสมุดไป่ตู้ HB2 i
4. 对于重载的闭式传动，为了避免胶合，宜选用不同的材料 和不同的硬度，且小齿轮的材料要优于大齿轮的材料。
σH
j=2 σF 脉动循环
-23§7-4齿轮传动的受力分析及计算载荷 直齿圆柱齿轮强度计算1 一、齿轮传动的受力分析 1、渐开线标准直齿圆柱齿轮受力分析
为了计算齿轮的强度和设计轴、轴承等轴系零件， 必须对齿轮进行受力分析。 以节点 P 处的啮合力为分析对象，并不计啮合轮齿间的 摩擦力，可得：
2T1 Ft d1
§7-2齿轮传动的失效形式及设计准则
齿轮传动的失效形式及设计准则
1.轮齿折断（续） ② 齿根应力集中(形状突变、刀痕等)，加速裂纹扩展→ 折断 • 2) 过载折断 受冲击载荷或短时过载作用，突然折断，尤其常见于 脆性材料（淬火钢、铸钢、铸铁）齿轮。 后果：传动失效 σF<[σF] 应采取的措施： 设计时应保证齿根弯曲疲劳强度 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
3.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损 伤形式。
§7-2齿轮传动的失效形式及设计准则
齿轮传动的失效形式及设计准则
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4.齿面胶合 现象：齿面在压力作用下发生粘焊、撕脱，并形成沟痕。 原因：高速重载——v↑，Δt ↑，油η↓，油膜破坏,表面金属直 接接触，融焊→相对运动→撕裂、沟痕→热胶合。 低速重载——P↑、v ↓，不易形成油膜→冷胶合。 后果：引起强烈的磨损和发热，传动不平稳，导致齿轮 报废。
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图7-9，p115
H 110MPa 对于夹布胶木 F 50MPa ，
举例
主动
§7-3齿轮的材料及其选择原则
2
从动 主动 σF
-22j=1 σH 脉动循环 j=1 对称循环
1
从动
3
对于受对称循环载荷的齿轮应取0.7Flim。
主动 j=2 脉动循环
1
从动
2
从动 3