第14单元学时数2学时

广西水电职院教案用纸章节名称：第六章齿轮传动§6-1齿轮传动的失效形式§6-2齿轮材料及其热处理§6-3齿轮传动精度简介目的要求：了解轮齿的失效形式及计算准则；齿轮材料及热处理；齿轮传动的精度教学重点：轮齿的失效形式教学难点及突破难点的办法：课堂讲授，多媒体教学讲授法课外作业：6-2教学过程时间分配§6-1齿轮传动的失效形式一、轮齿折断二、齿面点蚀三、齿面胶合四、齿面磨粒磨损五、齿面塑性变形★计算准则§6-2齿轮材料及其热处理一、齿轮材料应具备的基本要求二、齿轮常用材料§6-3齿轮传动精度简介101010101010101010第六章齿轮传动第一节齿轮传动的失效形式一、齿轮传动的失效形式及计算准则1．轮齿的失效形式①轮齿折断（图形见课件）②齿面点蚀（图形见课件）③齿面胶合（图形见课件）措施：提高齿面硬度；减小齿面粗糙度；增加润滑油粘度；加抗胶合添加剂。④齿面磨损分跑合磨损和磨粒磨损。（图形见课件）措施：减小齿面粗糙度；改善润滑条件，清洁环境；提高齿面硬度。⑤齿面塑性变形（图形见课件）2．齿轮的设计准则①保证足够的齿根弯曲疲劳强度，以免发生齿根折断。②保证足够的齿面接触疲劳强度，以免发生齿面点蚀。③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。由工程实践得知：闭式软齿面齿轮传动，以保证齿面接触疲劳强度为主；闭式硬齿面或开式齿轮传动，以保证齿根弯曲疲劳强度为主。第二节齿轮常用材料及热处理由轮齿失效形式可知，选择齿轮材料时，应考虑以下要求：轮齿的表面应有足够的硬度和耐磨性，在循环载荷和冲击载荷作用下，应有足够的弯曲强度。即齿面要硬，齿芯要韧，并具有良好的加工性和热处理性。制造齿轮的材料主要是各种钢材，其次是铸铁，还有其它非金属材料。一、钢钢材可分为锻钢和铸钢两类，只有尺寸较大（d＞400~600mm）,结构形状复杂的齿轮宜用铸钢外，一般都用锻钢制造齿轮。软齿面齿轮多经调质或正火处理后切齿，常用45、40Cr等。因齿面硬度不高，易制造，成本低，故应用广，常用于对尺寸和重量无严格限制的场合。由于在啮合过程中，小齿轮的轮齿接触次数比大齿轮多。因此，若两齿轮的材料和齿面硬度都相同时，则一般小齿轮的寿命较短。为了使大、小齿轮的寿命接近，应使小齿轮的齿面硬度比大齿轮的高出30~50HBS。对于高速、重载或重要的齿轮传动，可采用硬齿面齿轮组合，齿面硬度可大致相同。二、铸铁由于铸铁的抗弯和耐冲击性能都比较差，因此主要用于制造低速、不重要的开式传动、功率不大的齿轮。常用材料有HT250、HT300等。三、非金属材料对高速、轻载而又要求低噪音的齿轮传动，也可采用非金属材料，加夹布胶木、尼龙等。常用的齿轮材料，热处理方法、硬度、应用举例见表6-1。表6-1常用的齿轮材料、热处理硬度和应用举例材料牌号热处理方法硬度应用举例齿芯HBS齿面HRC优质碳素钢35正火150~180低速轻载的齿轮或中速中载的大齿轮45162~21750180~22045调质217~255合金钢35SiMn217~26940Cr241~286优质碳素钢35表面淬火180~21040~45高速中载、无剧烈冲击的齿轮。如机床变速箱中的齿轮45217~25540~50合金钢40Cr241~28648~5520Cr渗碳淬火56~62高速中载、承受冲击载荷的齿轮。如汽车、拖拉机中的重要齿轮20CrMnTi56~6238CrMOAlA氮化229850HV载荷平稳、润滑良好的齿轮铸钢ZG45正火163~197重型机械中的低速齿轮ZG55179~207球墨铸铁QT700-2225~305可用来代替铸钢QT600-2229~302灰铸铁HT250170~241低速中载、不受冲击的齿轮。如机床操纵机构的齿轮HT300187~255第三节齿轮传动精度简介一、精度等级渐开线圆柱齿轮标准（GB/T10095—88）中，规定了12个精度等级，第1级精度最高，第12级最低。一般机械中常用7~8级。高速、分度等要求高的齿轮传动用6级，对精度要求不高的低速齿轮可用9级。根据误差特性及它们对传动性能的影响，齿轮每个精度等级的公差划分为三个公差组，即第I公差组（影响运动准确性），第II公差组（影响传动平稳性），第III公差组（影响载荷分布均匀性）。一般情况下，可选三个公差组为同一精度等级，也可以根据使用要求的不同，选择不同精度等级的公差组组合。常用的齿轮精度等级与圆周速度的关系及使用范围见表6-2。表6-2齿轮传动精度等级（第II公差组及其应用）注：第I、III公差组的精度等级参阅有关手册，一般第III公差级不低于第II公差组的精度等级。二、齿侧间隙考虑到齿轮制造以及工作时轮齿变形和受热膨胀，同时为了便于润滑，需要有一定的齿侧间隙。合适的侧隙可通过适当的齿厚极限偏差和中心距极根偏差来保证，齿轮副的实际中心距越大、齿厚越小，则侧隙越大。标准中规定渐开线圆柱齿轮的齿厚偏差有C、D、E、F、G、H、J、K、L、M、N、P、R、S等14种，每种代号所规定的齿厚偏差值可查有关手册。在齿轮工作图上用代号表示精度等级和齿厚极限偏差。例：8—7—7GMGB/T10095—88代号，从左至右表示第I、II、III公差组精度等级分别为8级、7级、7级，齿厚上偏差代号为G、下偏差代号为M。精度等级齿面硬度HBS圆周速度v(m.s-1)应用举例直齿圆柱齿轮斜齿圆柱齿轮直齿圆锥齿轮6≤350≤18≤36≤9高速重载的齿轮传动，如机床、汽车中的重要齿轮，分度机构的齿轮，高速减速器的齿轮等＞350≤15≤307≤350≤12≤25≤6高速中载或中速重载的齿轮传动，如标准系列减速器的齿轮，机床和汽车变速箱中的齿轮等＞350≤10≤208≤350≤6≤12≤3一般机械中的齿轮传动，如机床、汽车和拖拉机中的一般齿轮，起重机械中的齿轮，农业机械中的重要齿轮等＞350≤5≤99≤350≤4≤8≤2.5低速重载的齿轮，低精度机械中的齿轮等＞350≤3≤6广西水电职院教案用纸第四节标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算一、轮齿的受力分析章节名称：第六章齿轮传动§6-4标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算§6-5斜齿圆柱齿轮传动§6-5锥齿圆柱齿轮传动§6-6齿轮的结构设计§6-7齿轮传动的润滑目的要求：掌握斜齿圆柱齿轮受力分析方法，了解斜齿圆柱齿轮强度计算过程及各基本参数选择的基本要求。教学重点：齿轮的受力分析方法，教学难点及突破难点的办法：齿轮强度计算过程讲授法课外作业：6-4，6-5，6-6教学过程时间分配§6-5斜齿圆柱齿轮传动一、轮齿受力分析二、接触疲劳强度计算三、弯曲疲劳强度计算§6-5锥齿圆柱齿轮传动一、轮齿受力分析二、接触疲劳强度计算三、弯曲疲劳强度计算§6-6齿轮的结构设计§6-7齿轮传动的润滑2学时图6-6所示为齿轮啮合传动时主动齿轮的受力情况，不考虑摩擦力时，轮齿所受总作用力Fn将沿着啮合线方向，Fn称为法向力。Fn在分度圆上可分解为切于分度圆的切向力Ft和沿半径方向并指向轮心的径向力Fr。圆周力Ft=112dTN径向力Fr=FttgN(6-1)法向力Fn=costFN式中:d1为主动轮分度圆直径,mm；为分度圆压力角，标准齿轮=20°。设计时可根据主动轮传递的功率P1（KW）及转速n1(r/min)，由下式求主动轮力矩T1=9.55×106×11nP（Nmm）（6-2）根据作用力与反作用力原理，Ft1=-Ft2，Ft1是主动轮上的工作阻力，故其方向与主动轮的转向相反，Ft2是从动轮上的驱动力，其方向与从动轮的转向相同。同理，Fr1=-Fr2，其方向指向各自的轮心。二、载荷与载荷系数由上述求得的法向力Fn为理想状况下的名义载荷。由于各种因素的影响，齿轮工作时实际所承受的载荷通常大于名义载荷，因此，在强度计算中，用载荷系数K考虑各种影响载荷的因素，以计算载荷Fnc代替名义载荷Fn。其计算公式为nncKFF(6-3)式中：K为载荷系数，见表6-3。表6-3载荷系数k原动机工作机的载荷特性均匀、轻微冲击中等冲击大冲击电动机多缸内燃机1~1.21.2~1.61.2~1.61.6~1.81.6~1.81.9~2.1a)b)图6-6直齿圆柱齿轮传动的受力分析单缸内燃机1.6~1.81.8~2.02.2~2.4二、齿根弯曲疲劳强度计算齿根处的弯曲强度最弱。计算时设全部载荷由一对齿承担，且载荷作用于齿顶，将轮齿看作悬臂梁，其危险截面可用30o切线法确定，即作与轮齿对称中心线成30o夹角并与齿根过渡曲线相切的两条直线，连接两切点的截面即为齿根的危险截面，如图6-7所示。运用材料力学的方法，可得轮齿弯曲强度校核的公式为F=112bmdKTFSY≤F或σF=32112mZKTdFSY≤F（6-4）或由上式得计算模数m的设计公式m≥3211][2FdFSZYKT(6-5)式中:d=b/d1称齿宽系数（b为大齿轮宽度），由表6-4查取；FSY称为齿形系数，由图6-8查取；[F]为弯曲许用应力，由式6-8计算。三、齿面接触疲劳强度计算齿面接触疲劳强度计算是为了防止齿间发生疲劳点蚀的一种计算方法，它的实质是使齿面节线处所产生的最大接触应力小于齿轮的许用接触应力，齿面接触应力的计算公式是以弹性力学中的赫兹公式为依据的，对于渐开线标准直齿圆柱齿轮传动，其齿面接触疲劳强度的校核公式为HubduKTZZHE211)1(2≤H或HuduKTZZdHE311)1(2≤H(6-6)将上式变换得齿面接触疲劳强度的设计公式d1≥32112uuZZKTHHEd(6-7)式中：“±”分别用于外啮合、内啮合齿轮；ZE为齿轮材料弹性系数，见表6-5；ZH为节点区域系数，标准直齿轮正确安装时ZH=2.5；[σH]为两齿轮中较小的许用接触应力，由式6-9计算；u为齿数比，即大齿轮齿数与小齿轮齿数之比。五、设计参数的选择及许用应力1.主要参数的选择(1)齿数z。对于软齿面的闭式传动，在满足弯曲疲劳强度的条件下，宜采用较多齿数，一般取z1=20~40。因为当中心距确定后，齿数多，则重合度大，可提高传动的平稳性。对于硬齿面的闭式传动，首先应具有足够大的模数以保证齿根弯曲强度，为减小传动尺寸，宜取较少齿数，但要避免发生根切，一般取z1=17~20。图6-7危险截面位置及应力(2)模数m。模数影响轮齿的抗弯强度，一般在满足轮齿弯曲疲劳强度条件下，宜取较小模数，以增大齿数，减少切齿量。(3)齿宽系数Ψd。齿宽系数是大齿轮齿宽b和小齿轮分度圆直径d1之比，增大齿宽系数，可减小齿轮传动装置的径向尺寸，降低齿轮的圆周速度。但是齿宽越大，载荷分布越不均匀。为便于装配和调整，常将小齿轮齿宽加大5~10mm，但设计计算时按大齿轮齿宽计算。2.许用应力一般的齿轮传动，其弯曲疲劳许用应力为[σF]=FFSlimYN（6-8）接触疲劳许用应力为[σH]=HHSlimZN（6-9）式中：σFlim为齿轮单向受载时的弯曲疲劳极限，查图6-9；σHlim为接触疲劳极限，查图6-10，由于实验齿轮的材质、热处理等性能的差异，实验值有一定的离散性，故图示数据为中间值；受对称循环变应力的齿轮（如惰轮，行星轮），应将图中查得数值乘以0.7；SF、SH为疲劳强度的最小安全系数，通常SF=1、SH=1，对于损坏后会引起严重后果的，可取SF=1.5、SH=1.25~1.35；YN、ZN为寿命系数，用以考虑当齿轮应力循环次数NN0时，许用应力的提高系数，其值分别查图6-11、12，图中横坐标为应力循环次数N，按下式计算：hnjLN60式中：n为齿轮转速（r/min）；j为齿轮每转一周，同一侧齿面啮合的次数；hL为齿轮在设计期限内的总工作时数，h。例6-1设计一带式运输机减速器的直齿圆柱齿轮传动，已知i=4,n1=750r/min,传递功率P=5KW，工作平稳，单向传动，单班工作制，每班8h，工作期限10年。第五节标准斜齿圆柱齿轮传动的强度计算一、轮齿的受力分析a)b)图6-13斜齿圆柱齿轮的受力分析图6-13