机械设计齿轮设计

齿轮传动设计1轮齿的失效形式2齿轮材料及热处理3齿轮传动的精度4直齿圆柱齿轮传动的作用力及计算载荷5直齿圆柱齿轮传动的齿面接触强度计算6直齿圆柱齿轮传动的弯曲强度计算7斜齿圆柱齿轮传动8直齿圆锥齿轮传动9齿轮的构造10齿轮传动的润滑和效率设计：潘存云一.轮齿的失效形式轮齿折断失效形式设计：潘存云一般发生在齿根处，疲劳折断、突然过载突然断裂、。潘存云教授研制轮齿的失效形式轮齿折断失效形式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。齿面点蚀轮齿的失效形式轮齿折断失效形式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设计：潘存云轮齿的失效形式轮齿折断失效形式齿面点蚀齿面胶合齿面磨损措施：1.减小齿面粗糙度2.改善润滑条件磨粒磨损跑合磨损跑合磨损、磨粒磨损。设计：潘存云轮齿的失效形式轮齿折断失效形式齿面点蚀齿面胶合齿面磨损从动齿主动齿齿面塑性变形从动齿主动齿从动齿主动齿从动齿主动齿二、设计准则闭式齿轮传动：1）软齿面（≤350HBS）齿轮主要失效形式是齿面点蚀，故可按齿面接触疲劳强度进行设计计算，按齿根弯曲疲劳强度校核。2）硬齿面（350HBS）或铸铁齿轮，由于抗点蚀能力较高，轮齿折断的可能性较大，故可按齿根弯曲疲劳强度进行设计计算，按齿面接触疲劳强度校核。开式齿轮传动：齿面磨损为其主要失效形式，故通常按照齿根弯曲疲劳强度进行设计计算，确定齿轮的模数，考虑磨损因素，再将模数增大10%——20%，而无需校核接触强度。一、齿轮材料的基本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、加工工艺性能及热处理性能良好。钢：许多钢材经适当的热处理或表面处理，可以成为常用的齿轮材料；7.8齿轮的常用材料及许用应力二、齿轮常用材料及其热处理45：调质或正火，软齿面齿轮调质+表面淬火，硬齿面齿轮40cr：调质或表面淬火20cr：渗碳淬火，里软外硬,承受冲击、振动；铸钢：用于较大齿轮或结构复杂不易锻造的齿轮毛坯；铸铁：灰铸铁常作为低速、轻载、不太重要场合的齿轮材料；球磨铸铁用于大齿轮非金属材料：适用于高速、轻载、且要求降低噪声的场合。7.8齿轮的常用材料及许用应力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飞行器：质量小、传递功率大可靠性高，选则合金钢如20Gr矿山机械：功率大，速度较低，粉尘含量高，用铸钢或铸铁家用及办公：工程塑料考虑齿轮尺寸大小，毛坯成型方法及热处理和制造工艺大尺寸齿轮用铸造毛坯，铸钢或铸铁中等级及小尺寸齿轮用锻造毛坯，齿轮用锻钢钢制软齿面齿轮，其配对两轮齿面的硬度差应保持在30~50HBS或更多。7.8齿轮的常用材料及许用应力7.8齿轮的常用材料及许用应力三、许用应力7.8齿轮的常用材料及许用应力试验齿轮的接触疲劳极限sHlim查表试验齿轮的弯曲疲劳极限sFlim查表铸铁正火结构钢和铸钢调质钢和铸钢渗碳淬火及表面淬火钢铸铁正火结构钢和铸钢调质钢和铸钢渗碳淬火及表面淬火钢弯曲疲劳寿命系数YN接触疲劳寿命系数ZN设计：潘存云设计：潘存云O2O1ttω1（主动）N1N2cααd12αFnT1§7-9直齿圆柱齿轮传动的强度计算一、轮齿上的作用力1112dTFtcos/tnFFtgFFtr1圆周力：径向力：法向力：小齿轮上的转矩：mmNnPT1611055.9P--为传递的功率（KW）n1----小齿轮上的转速各作用力的方向如图O2ω2（从动）O1N1N2ttω1（主动）T1cααd12d22αFtFrFnFn为了计算轮齿强度，设计轴和轴承，有必要分析轮齿上的作用力。力的方向设计：潘存云二、计算载荷上述法向力为名义载荷，理论上沿齿宽均匀分布，但由于轴和轴承的变形，传动装置制造和安装误差等原因载荷并不是均匀分布，出现载荷集中的现象。图示轴和轴承的刚度越小，齿宽b越宽，载荷集中越严重。Fn---名义载荷受力变形制造误差安装误差附加动载荷此外轮齿变形和误差还会引起附加动载荷，且精度越低，圆周速度越高，动载荷越大。载荷集中计算齿轮强度时，采用用计算载荷FC=KFn代替名义载荷Fn以考虑载荷集中和附加动载荷的影响，K----载荷系数表7-6载荷系数K原动机电动机多缸内燃机单缸内燃机均匀中等冲击大的冲击工作机械的载荷特性1.1~1.21.2~1.61.6~1.81.8~2.01.1~1.21.6~1.81.6~1.81.9~2.12.2~2.41.齿面接触疲劳强度计算直齿圆柱齿轮强度计算3齿面接触疲劳强度的校核式：][)1(5.3H211HssiibdKTzE齿面接触疲劳强度的设计式：iiKTZddHEs)1()][5.3(12317.9渐开线标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算三、齿轮的强度计算ZE:齿轮材料的弹性系数，反映了一对齿轮的材料对接触应力的影响。表7-7K：载荷系数表7-6T1:作用在小齿轮上转矩i:传动比b：齿宽d1:小齿轮分度圆直径ψd:齿宽系数=b/d1表7-8注意：1.相互啮合的一对齿轮其齿面接触应力是相同的。2.相互啮合的一对齿轮其许用接触应力一般不同，若校核接触强度或按接触强度设计齿轮传动，应选[σ]H1与[σ]H2中的较小值代入计算公式。3.齿轮的齿面接触疲劳强度取决于小齿轮直径d或中心距a的大小，d或a减小，增大齿面接触疲劳强度的校核式：][)1(5.3H211HssiibdKTzE7.9渐开线标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算Hs齿面接触疲劳强度的设计式：iiKTZddHEs)1()][5.3(12312.齿根弯曲疲劳强度计算][2F12sF1FssZbmYYKT引入齿宽系数后，可得设计公式：1dbd3][2FsF21d1sYYZKTm7.9渐开线标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算齿面弯曲疲劳强度校核公式：K:载荷系数T1:小齿轮的转矩b:齿宽m:模数Z1:小齿轮的齿数YF:齿形系数,据齿数选择表7-9Ys:应力修正系数,据齿数选择表7-91.弯曲强度计算，要求两齿轮都需校核，或只校核与较大者。2.求得的模数取标准值。][2F12sF1FssZbmYYKT3][2FsF21d1sYYZKTm11][FFss22][FFss111][FSaFaYYs222][FSaFaYYs7.9渐开线标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算注意：齿轮传动精度等级的选择及其应用精度等级直齿圆柱齿轮9级斜齿圆柱齿轮直齿圆锥齿轮圆周速度v(m/s)8级7级6级≤15≤10≤5≤3≤25≤17≤10≤3.5≤9≤6≤3≤2.5应用高速重载齿轮传动，如飞机、汽车和机床中的重要齿轮；分度机构的齿轮传动。高速中载或低速重载齿轮传动，如飞机、汽车和机床中的重要齿轮；分度机构的齿轮传动。机械制造中对精度无特殊要求的齿轮。低速及对精度要求低的齿轮设计：潘存云§7-12齿轮的构造设计：潘存云直径较小的钢质齿轮，当齿根圆直径与轴径接近时，可以将齿轮与轴做成一体，称为齿轮轴。否则可能引起轮缘断裂。1.齿轮轴e圆柱齿轮：e2-2.5e圆锥齿轮：e1.6-2设计：潘存云直径较小的钢质齿轮，当齿根圆直径与轴径接近时，可以将齿轮与轴做成一体，称为齿轮轴。如果齿轮的直径比轴径大得多，则应把齿轮和轴分开制造。1.齿轮轴2.实心齿轮设计：潘存云dh=1.6ds;lh=(1.2.~1.5)ds,并使lh≥bc=0.3b;δ=(2.5.~4)mn,但不小于8mmd0和d按结构取定，当d较小时可不开孔3.腹板式齿轮设计：潘存云dd0bdsdhda斜度1:10lhδc500ad3.腹板式齿轮dh=1.6ds;lh=(1.2.~1.5)ds,并使lh≥bc=0.3b;δ=(2.5.~4)mn,但不小于8mmd0和d按结构取定。设计：潘存云bdsdhda斜度1:10lhδc设计：潘存云设计：潘存云dh=1.6ds(铸钢);dh=1.6ds(铸铁)lh=(1.2.~1.5)ds,并使lh≥bc=0.2b;但不小于10mmδ=(2.5.~4)mn,但不小于8mmh1=0.8ds;h2=0.8h1;s=1.5h1;但不小于10mme=0.8ds;h2=0.8h1设计：潘存云bdsdhda斜度1:20cδlhh1eeh2s4.轮辐式齿轮400ad设计：潘存云设计：潘存云dh=1.6ds;lh=(1.2.~1.5)dsc=(0.2~0.3)b;∆=(2.5~4)me;但不小于10mmd0和d按结构取定设计：潘存云dd0Rbdsdhdalh斜度1:10∆设计：潘存云设计：潘存云d0d∆Rbdsdhdalh斜度1:20dh=(1.6~1.8)ds;lh=(1.2.~1.5)dsc=(0.2~0.3)b;s=0.8c;∆=(2.5~4)me;但不小于10mmd0和d按结构取定设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云油池润滑采用惰轮的油池润滑喷油润滑齿轮传动的润滑和效率开式齿轮常采用人工定期润滑。可用润滑油或润滑脂。闭式齿轮传动的润滑方式由圆周速度v确定。当v≤12m/s时，采用油池润滑。当v12m/s时，采用油泵喷油润滑。适用于多级齿轮，且大小不等的场合。理由：1)v过高，油被甩走，不能进入啮合区；2)搅油过于激烈，使油温升高，降低润滑性能；3)搅起箱底沉淀的杂质，加剧轮齿的磨损。齿轮传动的损耗：表11-9齿轮传动的平均效率圆柱齿轮圆锥齿轮传动装置6级或7级精度的闭式传动8级精度的闭式传动开式传动0.980.970.970.960.930.95啮合中的摩擦损耗；搅动润滑油的油阻损耗；轴承中的摩擦损耗。二齿轮传动效率一、基本参数的确定1.齿数Z一般设计中取ZZmin。一般情况下，闭式软齿面齿轮传动中Z1=24-40，开式齿轮传动Z1=17-20.对于周期性变化的载荷，为避免最大载荷总作用在某一对或某几对轮齿上而使磨损过于集中，Z1,Z2应互为质数。传动比误差在±5%2.模数m影响齿轮弯曲强度，设计时在保证弯曲强度条件下取较小模数其选取标准值。3.中心距a中心距取整值4.齿宽和齿宽系数b=ψdd1取整数。对于圆柱齿轮传动，考虑安装因素，通常使小齿轮齿宽比大齿轮宽5-10mm。b2=bb1=b2+(5-10)7.15标准直齿圆柱齿轮传动的设计计算与实例分析5.传动比一对直齿圆柱齿轮i3,最大到5.实例分析设计一对单级直齿圆柱齿轮减速器中的齿轮。已知传动功率P=10KW，采用电动机驱动，小齿轮的转速n1=955r/min。传动比i=u=4.2，单向转动，载荷平稳，使用寿命10年，单班制工作。分析由题意可知，根据减速器工作情况，设计出一对闭式齿轮传动。选定不同齿面硬度，轮齿失效形式不同，其设计准则也不同。1.选择齿轮材料及精度等级按表7-4选择齿轮的材料为：小齿轮用45钢调质，硬度为217-255HBS；大齿轮选45钢正火，硬度为169-217HBS.因为是普通减速器，精度等级选8级。2.确定设计准则由于减速器为闭式齿轮传动，且两齿轮均为软齿面齿轮，失效形式主要是齿面点蚀。先按齿面接触疲劳强度进行设计计算，确定齿轮的主要参数和尺寸，然后再按弯曲疲劳强度校核齿根弯曲强度。3.按齿面接触疲劳强度设计应用公式求出d1值。（1）转矩T1T1=9.55X106P/n1=105N.mm（2）载荷系数K查表7-6k=1二、直齿圆柱齿轮设计的大致过程（软齿面）1.选材及精度等级2.按齿面接触疲劳强度设计(1).确定齿数和齿宽系数并验算传动比误差(2).计算转矩T(3).确定载荷系数(4).确定许用接触应力(5).计算，确定模数(圆整)3.校核齿根弯曲疲劳强度(1).分度圆直径(2).齿宽(3).齿形系数和应力修正系数(4).许用弯曲应力(5).校核计算4.计算齿轮圆周速度，验