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1、机械设计基础主讲：吕亚清机械工程学院机械基础研究室2004-2005第一学期1第十一章 齿轮传动111概述概述112齿轮的材料及热处理齿轮的材料及热处理113轮齿失效形式及设计准则轮齿失效形式及设计准则114齿轮传动的精度齿轮传动的精度115直齿圆柱齿轮传动的作用力及计算载荷直齿圆柱齿轮传动的作用力及计算载荷116直齿圆柱齿轮强度计算直齿圆柱齿轮强度计算117齿轮的构造齿轮的构造118齿轮传动的润滑和效率齿轮传动的润滑和效率2004-2005第一学期2 按工作按工作 条件条件 分分 类类按载荷按载荷 情况情况分分 类类 闭式传动闭式传动硬齿面硬齿面 HBS350开式传动开式传动齿轮传动的分类齿
2、轮传动的分类:低速轻载低速轻载:V13m/S;Fn510KN中速中载中速中载:3m/SV10m/S;10KNFn50KN高速重载高速重载:V10m/S;Fn50KN软齿面软齿面 HBS350 11 111 1概述概述 2004-2005第一学期3轮齿材料的基本要求：轮齿材料的基本要求：齿面要硬，齿芯要韧齿面要硬，齿芯要韧u锻钢锻钢-（中低碳钢、合金钢）（中低碳钢、合金钢）1.齿表面齿表面硬度硬度大齿轮大齿轮25-50HBS常用材料：常用材料：45，35SiMn,40Cr,35CrMn.2.齿表面硬度齿表面硬度350HBS的齿轮的齿轮热处理：淬火热处理：淬火,表面淬火表面淬火-40-60HRC常
3、用材料：常用材料：45，35SiMn,40Cr,20CrMnTi 11 112 2齿轮的材料和热处理齿轮的材料和热处理 2004-2005第一学期4轮齿材料的基本要求：轮齿材料的基本要求：齿面要硬，齿芯要韧齿面要硬，齿芯要韧u铸钢铸钢热处理：正火，回火热处理：正火，回火材料：材料：ZG310-570,ZG340-640应用：大尺寸齿轮（应用：大尺寸齿轮（400-600）u铸铁铸铁材料：材料：HT200,HT300,QT500-7应用：开式、低速、无冲击场合应用：开式、低速、无冲击场合u非金属材料非金属材料材料：夹布胶木、尼龙材料：夹布胶木、尼龙应用：高速、轻载、要求噪声低应用：高速、轻载、要求
4、噪声低 11 112 2齿轮的材料和热处理齿轮的材料和热处理 2004-2005第一学期5 钢制齿轮加工工艺过程钢制齿轮加工工艺过程 硬齿面齿轮：硬齿面齿轮：坯料坯料热热(正正)切齿切齿表面硬化处理表面硬化处理(淬火、氰化、淬火、氰化、氮化氮化)精加工（磨齿）精加工（磨齿）软齿面齿轮：软齿面齿轮：坯料坯料热热(正、调正、调)切齿切齿(一般一般8级、精切级、精切7级级)2004-2005第一学期6硬度硬度u硬度：硬度：金属局部抵抗其它更硬物体压入其表面的能力金属局部抵抗其它更硬物体压入其表面的能力u布氏硬度布氏硬度HBSHBS：硬度机压头为淬火钢球，不能测太硬的材料，一般：硬度机压头为淬火钢球，
5、不能测太硬的材料，一般HBS450HBS450HBWHBW：硬度机压头为硬质合金钢球，适用于：硬度机压头为硬质合金钢球，适用于450650HBW450650HBWuHRCHRC、HRBHRB、HRA:HRA:洛氏硬度洛氏硬度120120金刚石锥体，载荷金刚石锥体，载荷150kgf,150kgf,不能测硬、脆的薄层零件不能测硬、脆的薄层零件uHV:HV:维氏硬度维氏硬度136 136 金刚石四角锥体，载荷小，金刚石四角锥体，载荷小，5-30kgf5-30kgfu三种硬度单位之比较：三种硬度单位之比较：HV(HV(维氏维氏)HBS()HBS(布氏布氏)；HRC(HRC(洛氏洛氏)10 HBS)10
6、 HBS2004-2005第一学期7热处理方法热处理方法1 退火退火u降低硬度、提高韧性、细化晶降低硬度、提高韧性、细化晶粒、消除内应力粒、消除内应力2 正火正火u用于处理低中碳钢，代替低中用于处理低中碳钢，代替低中碳钢的退火。提高硬度，增加碳钢的退火。提高硬度，增加韧性，韧性，易于切削，减少应力易于切削，减少应力3 淬火（蘸火）淬火（蘸火）u提高硬度和耐磨性、但内应力增大，会发脆，应再回火提高硬度和耐磨性、但内应力增大，会发脆，应再回火4 回火回火 u消除淬火后的内应力，以获得零件所需的性能，提高韧性消除淬火后的内应力，以获得零件所需的性能，提高韧性u低温回火：低温回火：高强度、高硬度及良好
7、的耐磨性高强度、高硬度及良好的耐磨性u中温回火：中温回火：高弹性、硬度中等高弹性、硬度中等u高温回火：高温回火：强度、塑性、韧性都较好强度、塑性、韧性都较好(调质调质淬火淬火+高温回高温回火火)正火正火(空冷空冷)退火退火(炉冷炉冷)回火回火加热加热保温保温 淬火淬火时间时间温度温度2004-2005第一学期8表面热处理表面热处理u表面热处理：表面热处理：表面增硬，芯部韧表面增硬，芯部韧u表面淬火法（火焰加热、感应加热表面淬火法（火焰加热、感应加热）u化学热处理（渗碳、氮化、氰化化学热处理（渗碳、氮化、氰化.）2004-2005第一学期9 113 轮齿的失效形式及计算准则轮齿的失效形式及计算准
8、则一、失效形式一、失效形式1.1.轮齿折断轮齿折断2.2.齿面磨料磨损齿面磨料磨损3.3.齿面疲劳点蚀齿面疲劳点蚀4.4.齿面胶合齿面胶合5.5.齿面塑性变形齿面塑性变形二、二、计算准则计算准则2004-2005第一学期101.1.轮齿折断轮齿折断产生原因产生原因:u齿根弯曲应力大齿根弯曲应力大u齿根应力集中齿根应力集中折断类型折断类型:u疲劳折断疲劳折断反复应力反复应力疲劳裂纹疲劳裂纹轮齿疲劳折断轮齿疲劳折断u突然折断突然折断齿轮为脆性材料时，受到过载或冲击时齿轮为脆性材料时，受到过载或冲击时产生产生u变形折断变形折断制造或安装不准确，以及轴的变形制造或安装不准确，以及轴的变形引起引起发生部
9、位：发生部位：u轮齿根部轮齿根部(全齿折断全齿折断)、缺角、缺角(斜齿轮局部折断斜齿轮局部折断)采取措施采取措施:u增大齿根过渡圆角、消除加工倒痕增大齿根过渡圆角、消除加工倒痕减小应力集中减小应力集中 u增大轴及支承的刚性增大轴及支承的刚性受载均匀受载均匀 u合适热处理合适热处理齿芯具有足够韧性、表面强化齿芯具有足够韧性、表面强化Fn2004-2005第一学期112.2.齿面磨料磨损齿面磨料磨损发生机理：发生机理：u磨料磨料(沙粒、铁屑等沙粒、铁屑等)进入啮合区进入啮合区齿面磨损齿面磨损齿形破坏齿形破坏齿根减薄（根部严重）齿根减薄（根部严重）断齿断齿发生部位：发生部位：齿面齿面发生状况：发生状
10、况：u开式齿轮传动的主要失效形式开式齿轮传动的主要失效形式采取措施采取措施:u加强润滑加强润滑u开式改闭式传动开式改闭式传动2004-2005第一学期123.3.齿面疲劳点蚀齿面疲劳点蚀产生原因产生原因:u轮齿在节圆附近一对齿受力，载轮齿在节圆附近一对齿受力，载荷大荷大u滑动速度低形成油膜条件差滑动速度低形成油膜条件差u接触疲劳产生麻点接触疲劳产生麻点 发生部位：发生部位：u偏向齿根的节线附近偏向齿根的节线附近u闭式齿轮传动的主要破坏形式闭式齿轮传动的主要破坏形式u开式传动中一般不会出现点蚀现开式传动中一般不会出现点蚀现象象采取措施采取措施:u提高材料硬度提高材料硬度增强抗点蚀能力增强抗点蚀能
11、力u合理选择润滑油合理选择润滑油防止防止裂纹扩展裂纹扩展2004-2005第一学期134.4.齿面胶合齿面胶合产生原因产生原因:u高速重载；散热不良；高速重载；散热不良；u滑动速度大；齿面粘连后撕脱滑动速度大；齿面粘连后撕脱 发生部位：发生部位：u沿运动方向撕裂沿运动方向撕裂采取措施采取措施:u减小模数，降低齿高减小模数，降低齿高u抗胶合能力强的润滑油抗胶合能力强的润滑油u材料的硬度及配对材料的硬度及配对2004-2005第一学期14产生原因：产生原因：u齿面较软，载荷及摩擦力又很大齿面较软，载荷及摩擦力又很大齿面沿摩擦力方向塑性变形齿面沿摩擦力方向塑性变形主凹、从凸主凹、从凸21发生状况：发
12、生状况：u低速重载低速重载软齿面软齿面闭式传动闭式传动的主要破坏形式。的主要破坏形式。5.5.齿面塑性变齿面塑性变 形形采取措施：采取措施：u提高齿面硬度提高齿面硬度u采用粘度较大的润滑油采用粘度较大的润滑油2004-2005第一学期15u防齿面点蚀防齿面点蚀齿面接触疲劳强度计算齿面接触疲劳强度计算求尺寸求尺寸d d或或a a 限制接触应力限制接触应力u防轮齿折断防轮齿折断齿根弯曲疲劳强度计算齿根弯曲疲劳强度计算求模数求模数 限制弯曲应力限制弯曲应力闭式闭式软软齿面齿面以保证以保证接触接触疲劳强度为主疲劳强度为主闭式闭式硬硬齿面齿面 以保证以保证弯曲弯曲疲劳强度为主疲劳强度为主开式传动开式传动
13、 以保证弯曲疲劳强度为准则以保证弯曲疲劳强度为准则二、计算准则二、计算准则2004-2005第一学期16相对运动相对运动 储存润滑剂储存润滑剂 组组:传递运动的准确性传递运动的准确性组组:传递运动的平稳性传递运动的平稳性组组:载荷分布的均匀性载荷分布的均匀性12级级,常用常用69级级二二.齿轮精度齿轮精度三三.齿轮副侧隙齿轮副侧隙一一.齿轮精度等级齿轮精度等级标准齿轮标准齿轮:理论上理论上(分度圆分度圆)齿厚齿厚=齿槽齿槽 实际上实际上齿厚齿厚齿槽齿槽齿轮副侧隙齿轮副侧隙 齿厚减簿齿厚减簿精度等级的精度等级的选择选择表表11114 4齿轮传动的精度齿轮传动的精度 安装制造安装制造误差误差影响正
14、常工作影响正常工作 精度精度2004-2005第一学期17圆周力圆周力t：径向力径向力r：Fn11-511-5直齿圆柱齿轮传动作用力及计算载荷直齿圆柱齿轮传动作用力及计算载荷 FrFnFt 设一对标准齿轮正确安装设一对标准齿轮正确安装 ，齿廓在齿廓在C点接触，略去点接触，略去f不计不计轮齿间的总压力为轮齿间的总压力为n,沿啮合线沿啮合线指向齿面指向齿面一一.n 的分解的分解：对对n进行分解：进行分解：沿半径方向指向齿面沿半径方向指向齿面沿分度圆切线方向指向齿面沿分度圆切线方向指向齿面2004-2005第一学期18 Ft2T11 (11-1)FrFtg Fn Ft cos 1:小齿轮转矩小齿轮转
15、矩mm,1:小齿轮分度圆直径小齿轮分度圆直径mm,:压力角压力角FrFnFtP功率功率kw，转速，转速r/min二二.作用力的大小：作用力的大小：2004-2005第一学期19三三.作用力的方向及判断作用力的方向及判断与与1 反向反向 与与2 同向同向t2(从从):由啮合点指向轮心由啮合点指向轮心 (外外)Ft2Fr2Fr1Ft1Fr1Fr2Ft2示意图示意图Ft1C12Ft2Ft1Fr2Fr1Vt1(主主):tr2004-2005第一学期20计算载荷计算载荷:Fca=KFn Fn名义载荷名义载荷 K载荷系数载荷系数查表查表四四.计算载荷计算载荷 载荷系数用以考虑以下因素的影响：载荷系数用以考
16、虑以下因素的影响：1.考虑原动机和工作机的工作特性、轴和联轴器系统的质量考虑原动机和工作机的工作特性、轴和联轴器系统的质量和刚度以及运行状态等外部因素引起的附加载荷；和刚度以及运行状态等外部因素引起的附加载荷；2.考虑齿轮副在啮合过程中因制造及啮合误差（基圆齿距误考虑齿轮副在啮合过程中因制造及啮合误差（基圆齿距误差、齿形误差和轮齿变形等）和运转速度而引起的内部附差、齿形误差和轮齿变形等）和运转速度而引起的内部附加载荷；加载荷；3.考虑由于轴的变形和齿轮制造误差等引起载荷沿齿宽分布考虑由于轴的变形和齿轮制造误差等引起载荷沿齿宽分布不均匀的影响；不均匀的影响；4.考虑同时参与啮合的各对轮齿间载荷分
17、配不均匀的影响。考虑同时参与啮合的各对轮齿间载荷分配不均匀的影响。2004-2005第一学期21FnFnFtFtFrFr 一、齿面接触疲劳强度计算一、齿面接触疲劳强度计算轮齿齿面的接触疲劳强度计算近似以节轮齿齿面的接触疲劳强度计算近似以节点为准。应用弹性力学赫兹公式并点为准。应用弹性力学赫兹公式并整理得：整理得：设计公式：设计公式：验算公式：验算公式：说明说明:当一对齿轮的材料、传动比、齿宽系数一时，轮齿的当一对齿轮的材料、传动比、齿宽系数一时，轮齿的表面接触强度仅取决于小轮分度圆直径表面接触强度仅取决于小轮分度圆直径d d1 1。H1H1=H2H2;H H 1 1 H H 2 2以较小以较小
18、H H 值代入计算。值代入计算。11-611-6直齿圆柱齿轮强度计算直齿圆柱齿轮强度计算 2004-2005第一学期22二、齿根二、齿根弯曲疲劳强度计算弯曲疲劳强度计算1.力的分析 Y YF F为齿形系数，与压力角、齿顶为齿形系数，与压力角、齿顶高系数、齿数有关，而与模数无关。高系数、齿数有关，而与模数无关。见见P173P173图图8-448-44。弯曲应力弯曲应力2.2.强度计算强度计算FHFnFnlFVs s1 1Fn F F法向力法向力F Fn nF FH H=F=Fn ncoscos F F（弯曲）弯曲）F Fv v=F=Fn nsinsin F F（压缩）压缩）忽略忽略2004-20
19、05第一学期23设计公式：设计公式：验算公式：验算公式：说明：说明：1 1）接触应力接触应力 H1H1=H2 H2，弯曲应力，弯曲应力 F1F1F2 F2（两轮分别校核）（两轮分别校核）2 2）材料不同材料不同,通常通常 H1H1 H2H2,F1F1 F2F2 计算时以计算时以 H H 的小值及的小值及Y YF F/F F 的大值代入的大值代入3 3）Z Z1 1传动平稳性传动平稳性，m m 弯曲强度弯曲强度 设计时：软齿面设计时：软齿面 Z Z1 1取稍大值为好取稍大值为好 Z Z1 1=24=24 4040 硬齿面硬齿面 要求要求m m，则取，则取Z Z1 1 17174 4）齿宽系数）齿
20、宽系数 a a 中心距中心距a a结构紧凑结构紧凑 b b载荷分布不均载荷分布不均易产生载荷集中易产生载荷集中断齿断齿2004-2005第一学期24定义：连杆机构由若干个构件通过低副连接而组成，又称为低定义：连杆机构由若干个构件通过低副连接而组成，又称为低副机构。副机构。共同特点：共同特点：原动件原动件1的运动经过不与机架直接相连的中间构件的运动经过不与机架直接相连的中间构件2传递到从动件传递到从动件3上。中间构件称为连杆。上。中间构件称为连杆。构件多呈杆构件多呈杆状状简称简称为杆为杆根据杆数命根据杆数命名，例如：名，例如：四杆机构四杆机构动画动画动画动画动画动画 1 11 1连杆机构及其传动特点连杆机构及其传动特点 2004-2005第一学期25