標準直齒圓柱齒輪傳動的失效形式

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1、輸送機齒輪減速器 典型零部件的設(shè)計與選用 學習情境三 任務(wù)一：齒輪的設(shè)計與選用 任務(wù)一：齒輪的設(shè)計與選用 圖 3-1b所示為輸送機齒輪減速器裝配圖， 根據(jù)已知條件計算可得：中間軸傳遞功率 P=4.87kW，轉(zhuǎn)速 n=315.2r/min，二級齒輪傳動比 i23=3.5.載荷平穩(wěn)，空載啟動。單向連續(xù)運轉(zhuǎn)， 試設(shè)計此減速器中間軸上的圓柱齒輪傳動。 齒輪傳動的類型、特點； 漸開線標準直齒圓柱齒輪基本參數(shù)、幾何尺寸計算、 嚙合傳動特性與傳動條件； 標準直齒圓柱齒輪傳動的失效形式； 標準直齒圓柱齒輪常用的材料、傳動精度及其選 用方法； 標準直齒圓柱齒輪的設(shè)計計算； 標準直齒圓柱齒輪基本參數(shù)的選擇； 標準

2、直齒圓柱齒輪的結(jié)構(gòu)類型和確定方法； 標準直齒圓柱齒輪的設(shè)計方法與計算步驟。 任 務(wù) 知 識 掌握齒輪傳動的類型、標準直齒圓柱齒輪基本參數(shù) 及幾何尺寸計算方法； 掌握標準直齒圓柱齒輪傳動的失效形式及設(shè)計準則； 掌握閉式齒輪傳動設(shè)計時，齒輪強度設(shè)計 公式的使用方法； 能夠根據(jù)齒輪傳動工作工況，正確選定齒輪材料； 掌握標準直齒圓柱齒輪基本參數(shù)選擇時經(jīng)驗值的 應(yīng)用及齒輪結(jié)構(gòu)類型的確定方法； 掌握標準直齒圓柱齒輪的設(shè)計方法與計算步驟； 了解齒輪傳動有關(guān)國家標準及行業(yè)標準，熟練運 用（查選）齒輪傳動設(shè)計時所需的各類圖表； 任 務(wù) 技 能 知識鏈接 2 3 齒輪傳動 的特點 1 優(yōu)點 :工作可靠，使用壽命長

3、，瞬時傳動比為常數(shù)，傳動效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，功率和速度適用范圍廣。 缺點： 齒輪制造需專用設(shè)備 ，成本 高；傳動比是有級的，而不是無級 的；精度低時，振動和噪音較大； 不宜用于軸間距離大的傳動。 知識鏈接 齒輪傳動 的類型 2 齒 輪 傳 動 平面齒輪傳動 (圓柱齒輪） 空間齒輪傳動 直齒圓柱齒輪傳動 斜齒圓柱齒輪傳動 相交軸傳動 （錐齒輪傳動） 交錯軸傳動 內(nèi)嚙合 外嚙合 齒輪齒條 內(nèi)嚙合 外嚙合 齒輪齒條 直齒 斜齒 交錯軸斜齒輪傳動 蝸桿蝸輪 準雙曲面齒輪 曲線齒 人字齒齒輪傳動 1、按軸的布置方式 平行軸 交錯軸 相交軸 2、 按工作條件： 3、按齒廓曲線： 漸開線 常用 擺線 計時儀器

4、 圓弧 承載能力較強 開式 適于低速及不重要的場合 半開式 農(nóng)業(yè)機械 ， 建筑機械及簡單機械設(shè)備 ， 只有簡單防護罩 閉式 潤滑 、 密封良好 ， 汽車 、 機床及航空發(fā)動機等齒輪傳動中 4.按使用情況： 動力齒輪 以動力傳輸為主，常為高速重載或低速重載傳動。 傳動齒輪 以運動準確為主，一般為輕載高精度傳動。 5.按齒面硬度： 軟齒面齒輪（齒面硬度 350HBS ） 硬齒面齒輪（齒面硬度 350HBS） 漸開線的 形成及特 性 3 1、漸開線的形成 2、漸開線的性質(zhì) （ 1）發(fā)生線沿基圓滾過的線段長度等于基圓上被滾 過的相應(yīng)弧長。 （ 2）漸開線上任意一點法線必然與基圓相切。因為 當發(fā)生線在基

5、圓上作純滾動時，切 B點為漸開線上 K 點的曲率中心， BK為其曲率半徑和 K點的法線。 （ 3） 漸開線上各點的曲率半徑不同。 隨著 K點離基圓 愈遠，相應(yīng)的曲率半徑愈大；而 K點離基圓愈近，相 應(yīng)的曲率半徑愈小。 A點的曲率半徑為零。 （ 4）漸開線的形狀只取決于基圓大小。基圓越大， 漸開線越平直，當基圓半徑趨于無窮大時，漸開線變 （ 5）基圓內(nèi)無漸開線。 （ 6）漸開線上各點的壓力角不相等。 漸開線齒廓的 壓力角 。 作用于漸開線上 K點的正壓力 FN方向 (法線方向 )與點 K的速 度 vK方向所夾的銳角 K稱為漸 開線在 K點的壓力角。 齒廓上各點壓力角是變化的。 基圓半徑 rb為定

6、值，所以漸開 線齒廓上各點的壓力角不相等， 離中心愈遠 (即 rK愈大 )，壓力 角愈大，基圓上的壓力角 b=0。 K b K r rc o s 標準直齒圓 柱齒輪的基 本參數(shù) 4 1、 漸開線齒輪各部分的名稱和符號 齒輪圓周上 輪齒的數(shù)目 稱為齒數(shù) ,用 z表示。 2、漸開線直齒圓柱齒輪的基本參數(shù) (1)模數(shù) m 模數(shù)單位為 mm，標準模數(shù)見表（小模數(shù)、中等模數(shù)與大模數(shù)）。 它是確定齒輪尺寸的重要參數(shù)，也是齒輪強度計算的一個重要 參數(shù)。 pm mzd 齒輪的分度圓是計算齒輪各部分尺寸的基準， 其圓周長為 則 zpd pzd 齒數(shù)、模數(shù)、壓力角、齒頂高系數(shù)及頂隙系數(shù) 不同模數(shù)齒輪的比較 4,3

7、,2,18 mz （ 2）壓力角 （齒形角） 漸開線齒廓在分度圓上的壓力角。用 表示。 我國規(guī)定標準壓力角為 =20 (此外， 在某些場合也采用 14.5 、 15 、 22.5 及 25 ) 可以給分度圓一個完整的定義：分度 圓是設(shè)計齒輪時給定的一個圓，該圓 上的模數(shù) m和壓力角 均為標準值。 r rbc o s (3)齒數(shù) z 表明：齒輪的大小和漸開線齒輪 形狀都與齒數(shù)有關(guān) (4)齒頂高系數(shù) (5)頂隙系數(shù) *ah *c 標準值： =1， =0.25 非標準短齒： =0.8， =0.3 *ah *c *c*ah 3、標準直齒輪的幾何尺寸計算 標準齒輪：標準齒輪是指 m、 、 ha*、 c*

8、 均取標準值，具有標準的齒頂高 和齒根高，且分度圓齒厚等于齒槽寬的齒輪。 一個齒輪： d=mz da=d+2ha=(z+2 ha*)m df=d-2hf=(z-2 ha*-2 c*)m db=dcos ha= ha*m hf=( ha*+ c*)m h=ha+hf=(2 ha*+ c*)m P= m meS 21一對標準齒輪： m、 z決定了分度圓的大小，而齒輪的大小主要取決于分度圓，因此 m、 z是決 定齒輪大小的主要參數(shù) 輪齒的尺寸與 m， ha* ， c* 有關(guān)與 z無關(guān) 至于齒形，與 m， z， 有關(guān) c o smp b 漸開線標準圓柱內(nèi)齒輪幾何尺寸 da=d 2ha=m(Z 2ha*

9、) df=d-2hf=m(Z-2ha*-2c*) a=(d1 d2)/2=m(Z1 Z2)/2 漸開線標準 直齒圓柱齒 輪的嚙合傳 動 5 1、漸開線齒輪傳動的嚙合特性 （ 1） 五線合一 一對具有漸開線齒廓齒輪的嚙合傳動， 是依靠主動齒輪的齒廓推動從動齒輪的齒廓來 實現(xiàn)的。 五線合一： 嚙合線、過嚙合點的公法 線、基圓的公切線和正壓力作用線、發(fā)生線五 線合一。 圖中： B1為嚙合終止點 B2為嚙合起始點 B1B2為實際嚙合線段 N1N2為理論嚙合線段 N1、 N2為極限嚙合點 （ 2）傳動比恒定性： 2211 c o sc o s kkkk 1 2 2 1 12 b b r ri 兩齒廓正確

10、嚙合時既不分離 ,也不相 互嵌入 ,即在公法線上的分速度相等 , 有 : kovkov kk 222111 ; 2211 bb rr 漸開線齒廓滿足齒廓嚙合基本定律。 連心線與齒廓接觸點的公法線的交點稱 為 嚙合節(jié)點 。過節(jié)點所作的兩個相切的圓稱 為 節(jié)圓 。傳動比與節(jié)圓半徑成反比。 即：一對相互嚙合的齒廓無論在任何位置嚙 合，其兩輪的傳動比恒等于連心線被齒廓接 觸點的公法線所分成的兩段的反比。這就是 齒廓嚙合基本定律。 滿足齒廓嚙合基本定律的一對齒廓稱為 共軛齒廓 。漸開線齒廓是應(yīng)用最廣泛的共軛 齒廓。 常數(shù) 1 2 1 2 1 2 2 1 12 b b r r r r PO POi C （

11、 3）嚙合角不變 C 嚙合線與兩節(jié)圓公切線所夾的銳 角稱為嚙合角，用 表示 。顯 然，齒輪傳動嚙合角不變，正壓 力的大小、方向也不變。因此， 傳動過程比較平穩(wěn)；傳力性能良 好。 cos =rb1/r1= rb2/r2 =常數(shù) （ 4） 中心距可分性： O2N2 O1N1 = = rb2 rb1 上式表明：漸開線齒輪的 傳動比等于兩輪基圓半徑 的反比，為一常數(shù)。安裝 時若中心距略有變化不會 改變傳動比大小，此特性 稱為中心距可分性。 C 1 2 111 222 1 2 2 1 12 2/c o s 2/c o s z z zm zm r ri b b 5 2、漸開線直齒圓柱齒輪的正確嚙合條件 一

12、對齒相鄰兩齒同側(cè)齒廓間在嚙合線上的法 線距離 (法向齒距 )相等，如圖所示的 k1k2線段。 由漸開線的性質(zhì)可知： pb1=pb2 c o smp b m1cos 1= m2cos 2 由 推導出： 結(jié)論： m1= m2=m， 1= 2=200 推論： 5 3、漸開線直齒圓柱齒輪的 連續(xù)傳動的條件 為了使齒輪傳動不至中斷，在輪齒相互交 替工作時，必須保證前一對輪齒尚未脫離嚙合 時，后一對輪齒就應(yīng)進入嚙合。為了滿足連續(xù) 傳動要求，前一對輪齒齒廓到達嚙合終點 K1時， 尚未脫離嚙合時，后一對輪齒至少必須開始在 K2點嚙合，此時線段 K1K2恰好等于 Pb 。所以， 連續(xù)傳動的條件為： 。 的比值稱

13、為齒輪傳動的重合度，用 表示。 即， 一般?。?=1.1 1.4； 標準齒輪有： 12 1/12 bpKK 112 bp KK 1/12 bpKK bpKK /12 5 4、標準安裝中心距 標準安裝：頂隙 C為標準值，側(cè)隙為零 2211 2 es mes 2211 eess 能實現(xiàn)無側(cè)隙嚙合 標準中心距： 2 )( 21 2121 zzmrrrra 頂隙 mcmhmchhhC aaaf * )( 標準值 一對模數(shù)和壓力角都相等的標準齒輪要想標準安裝，必須兩 輪的分度圓相切，即分度圓與節(jié)圓重合 6、齒輪傳動的失效形式 輪齒象一個懸臂梁，受載后齒根部 產(chǎn)生的彎 曲應(yīng)力最大。當該應(yīng)力值超過材料的彎曲

14、疲勞 極限時，齒根處產(chǎn)生疲勞裂紋，并不斷擴展使 輪齒斷裂。此外，突然過載、嚴重磨損及安裝 制造誤差等也會造成輪齒折斷。是閉式硬齒面 鋼齒輪和鑄鐵齒輪傳動的主要失效形式 提高輪齒抗折斷能力的措施： 增大齒根圓角半徑，消除加工刀痕 以降低齒根應(yīng)力集中；增大軸及支承物的剛度以減輕局部過載的 程度；對輪齒進行表面處理以提高齒面硬度。 (1) 輪齒 折斷 (2) 齒面 點蝕 輪齒工作面某一固定點受到近似脈動的交 變應(yīng)力作用，由于疲勞而產(chǎn)生的麻點狀剝 蝕損傷的現(xiàn)象。點蝕是閉式傳動常見的失 效形式。開式齒輪由于磨損很少出現(xiàn)點蝕。 點蝕首先出現(xiàn)在節(jié)線附近。 主要措施： 提高齒面硬度；降低齒面粗糙度；增大潤滑油

15、粘度；采用合 理變位。 灰塵、砂粒、金屬微粒等落入輪齒間，會使齒面間產(chǎn)生 摩擦磨損。嚴重時會因齒面減薄過多而折斷。磨損是開 式傳動的主要失效形式。 主要措施： 采用閉式傳動；提高齒面硬度；降低齒面粗糙 度；采用清潔的潤滑油。 (3) 齒面 磨損 (4) 齒面 膠合 高速重載傳動中，齒面間壓力大，瞬時溫度高，潤滑油 膜被破壞，齒面間會發(fā)生粘接在一起的現(xiàn)象，在輪齒表 面沿滑動方向出現(xiàn)條狀傷痕，稱為膠合。 防止膠合的措施： 提高齒面硬度；降低齒面粗糙 度；增大潤滑油粘度；限制油溫。 (5) 齒面 塑性 變形 重載且摩擦力很大時，齒面較軟的輪齒表面就會 沿摩擦力方向產(chǎn)生塑性變形。 措施： 提高齒面硬度

16、；增大潤滑油粘度。 主動齒輪齒面所受 摩擦力背離節(jié)線， 齒面在節(jié)線附近下 凹；從動齒輪齒面 所受摩擦力指向節(jié) 線，齒面在節(jié)線附 近上凸。 7、齒輪的常用材料及選用 由輪齒的失效分析可知， 齒輪材料的基本要求 ：齒面 硬、齒芯韌 (1)齒面應(yīng)有足夠的硬度，以抵抗齒面磨損、點蝕、膠合以及塑性變 形等； (2)齒芯應(yīng)有足夠的強度和較好的韌性，以抵抗齒根折斷和沖擊載荷： (3)應(yīng)有良好的加工工藝性能及熱處理性能，使之便于加工且便于提 高其力學性能。 最常用的齒輪材料是鋼，此外還有鑄鐵及一些非金屬 材料等。 1 鍛鋼 鍛鋼因具有強度高、韌性好、便于制造、便于熱處理等優(yōu)點， 大多數(shù)齒輪都用鍛鋼制造。鍛鋼包

17、括各種牌號的優(yōu)質(zhì)非合金和合金 結(jié)構(gòu)鋼，是齒輪制造常用的材料。 2鑄 鋼 當齒輪直徑較大（ 400mm）時，或齒輪的結(jié)構(gòu)形狀復雜時，由 于齒輪毛坯不便鍛造，可選用鑄鋼制造。鑄鋼的耐磨性及強度均好， 但由于鑄造齒輪的內(nèi)應(yīng)力較大，故應(yīng)當經(jīng)過退火或正火處理。 3鑄 鐵 灰鑄鐵的抗彎性能和抗沖擊性能較差，但抗膠合性能及抗疲勞點 蝕性能尚好，鑄鐵中的石墨又有自潤滑作用，主要用來制造低速、 工作載荷平穩(wěn)、傳遞功率不大，以及對結(jié)構(gòu)尺寸和重量無嚴格要求 的齒輪傳動，特別是開式齒輪傳動。高強度的球墨鑄鐵作為齒輪新 材料，其力學性能比灰鑄鐵好，與鑄鋼接近，因而得到越來越廣泛 的應(yīng)用。 材料選用 (1)軟齒面齒輪：齒

18、面硬度 350）齒輪傳動（折斷）： 先按輪齒彎曲疲勞強度進行設(shè)計，然后再校核齒面接觸疲勞強度。 鑄鐵 齒輪傳動： 則只需計算輪齒的彎曲疲勞強度。 開式 齒輪傳動（磨損）： 通常只按輪齒彎曲疲勞強度的設(shè)計公式計算模數(shù)，然后可根據(jù)具體情 況，把求得的模數(shù)加大 10 15%，無需校核接觸疲勞強度。 3、 齒 輪 強度計算 10、 齒輪傳動設(shè)計參數(shù)的選擇 （ 1） 齒數(shù) 和模 數(shù) 齒輪傳動設(shè)計包括強度計算、幾何尺寸計算和結(jié)構(gòu)設(shè) 計，設(shè)計參數(shù)的選擇是齒輪傳動強度設(shè)計中的關(guān)鍵， 也是齒輪幾何尺寸計算和齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)。 當 d1已按接觸疲勞強度確定時， z1 m 重合度 傳動平穩(wěn) 抗彎曲疲勞強度降低 齒

19、高 h 減小切削量、降低成本 10、 齒輪傳動設(shè)計參數(shù)的選擇 （ 1） 齒數(shù) 和模 數(shù) 模數(shù)和齒數(shù)選擇的原則： 保證齒根彎曲疲勞強度的條件下， 小模數(shù)多齒數(shù) 模數(shù) m 的選擇： 模數(shù)影響輪齒的抗彎強度，一般在滿足輪齒彎 曲疲勞強度的前提下，宜取較小模數(shù)，以增大齒數(shù)，減少切齒量。 對于傳遞動力的齒輪，可按 m =(0.01 0.02)a初選，但要保證 m2mm 。 一般情況下，軟齒面閉式齒輪傳動 : z1=24 40 Z1+Z2最好取 100 200 硬齒面閉式及 開式齒輪傳動 : z1=17 20 z2=uz1 10、 齒輪傳動設(shè)計參數(shù)的選擇 2/)( 21 zzma （ 2） 傳動 中心 距

20、 齒輪傳動中心距 a是在按齒面接觸疲勞強度計算出 d 1，或 按齒根彎曲疲勞強度計算出模數(shù) m，并選定齒數(shù) z1和 z2后由 計算得到的。中心距應(yīng)當圓整為 5的整數(shù)。如果計算出的中 心距不是末位為 0或 5的整數(shù)，可按公式 調(diào)整齒數(shù)或模數(shù)，但調(diào)整后的中心距 a不得小于保證接觸疲 勞強度所需要的中心 距。 10、 齒輪傳動設(shè)計參數(shù)的選擇 （ 3） 齒數(shù) 比 齒數(shù)比 與傳動比 i的意義不同， 齒數(shù)比 是 大齒輪齒數(shù) 與小齒輪齒數(shù)之比 ，其值大于 1；而 傳動比 是主動齒輪的 轉(zhuǎn)速與從動齒輪的轉(zhuǎn)速之比，其大小等于 從動齒輪的齒 數(shù)與主動齒輪的齒數(shù)之比 。對于減速傳動，顯然 =i；而 對于增速傳動，

21、=1/i。 齒輪傳動設(shè)計時， 值不宜現(xiàn)在過大，以免因大齒輪的 直徑過大而使整個裝置的尺寸過大。通常直齒圓柱齒輪 傳動取 5，斜齒圓柱齒輪傳動取 6；當 6時宜采用 多級傳動。對于齒數(shù)比（傳動比）要求不高的傳動，調(diào) 整齒數(shù)后齒數(shù)比（傳動比）誤差，允許不超過（ 3% 5%）。 10、 齒輪傳動設(shè)計參數(shù)的選擇 （ 4） 齒寬 系數(shù) 與齒 寬 由 齒輪的強度計算公式 可知，增大齒寬系數(shù)，可以減小齒 輪直徑和中心距，使齒輪傳動結(jié)構(gòu)緊湊并降低齒輪的圓周速 度。但是，增大齒寬系數(shù)使得齒寬增大，而齒寬越大，載荷 沿齒寬分布的不均勻性就越嚴重，從而增大齒面接觸疲勞應(yīng) 力或齒根彎曲疲勞應(yīng)力。 一般齒輪傳動的齒寬系

22、數(shù)值 d查書 中表 3-8。 對于減速器中的齒輪傳動，常用以中心距表示的齒寬系數(shù)， 是齒寬 b與中心距 a之比。輕型減速器 d=0.2 0.4；中型減速 器 d=0.4 0.6；重型減速器 d=0.8； 在減速器中，一般將小齒輪做得比大齒輪寬 5 10mm，而 將大齒輪的寬度做得與嚙合寬度相等。 齒輪的結(jié) 構(gòu)設(shè)計 11 通過齒輪傳動的強度計算，只能確定齒輪的主要參 數(shù)，如模數(shù)、齒數(shù)、分度圓直徑、齒頂圓直徑、齒寬 等，而齒圈、輪轂、輪輻等結(jié)構(gòu)型式和尺寸大小等， 通常都是由齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計來確定的 通常齒輪的結(jié)構(gòu)型式和各部分的尺寸，主要是根據(jù)經(jīng)驗和齒輪的 加工工藝確定， 即先根據(jù)齒輪的直徑和所選定的

23、材料，選定合適的 結(jié)構(gòu)型式 ，然后再按照推薦的經(jīng)驗公式或數(shù)據(jù)，來確定齒輪各部分 的尺寸，最后完成結(jié)構(gòu)設(shè)計。 結(jié)構(gòu)型式： （ 1）齒輪軸；（ 2）實心式齒輪；（ 3）輻板式齒輪； （ 4）輪輻式齒輪；（ 5）組合式齒輪 （ 1） 齒輪 軸 d為齒輪分度圓直徑與 ds為軸的直徑相差很小， d 1.8 ds 時，將齒輪和軸制成材料相同的整體，稱為齒 輪軸 齒輪軸的剛性很大，但軸必須與齒輪用同一種材 料制造，材料成本較高，而且軸和齒輪其中之一損 壞時，二者將同時報廢而造成浪費。 （ 2） 實心 式齒 輪 當齒輪的齒頂圓直徑 da200mm 時，可采用實體式結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)型式的齒輪常用鍛鋼制造。 （ 3

24、） 輻板 式齒 輪 當齒輪的齒頂圓直徑 da=200 500mm時，可采用輻板 式結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的齒輪多用鍛鋼制造。不重要件采用 鑄造結(jié)構(gòu) （ 4） 輪輻 式齒 輪 當齒輪的齒頂圓直徑 da500mm時，一般可采用輪 輻式結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的齒輪常用鑄鋼或鑄鐵制造。 （ 5） 組合 式齒 輪 當齒輪的齒頂圓直徑 da600mm時，為了節(jié)約貴重金屬材料，也可采用組合式結(jié)構(gòu)，即將齒圈用貴重金屬材料制 造，而輪芯（輪輻和輪轂）用其他材料（如鑄銅或鑄鐵） 制造，再將齒圈用過盈配合鑲套在輪芯上，并在它們的接 縫處加裝緊定螺釘固定，即所謂鑲套齒輪 對 于 da 1000mm， b 240mm的大型齒輪還可以采用 焊接的方法制造毛坯，稱為 焊接齒輪 直齒圓柱 齒輪的設(shè) 計與計算 步驟 12 本次任務(wù)到此結(jié)束，謝謝欣賞