北工大機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)教案11齒輪傳動

PAGEPAGE9第11章齒輪傳動基本內(nèi)容：輪齒的失效形式；齒輪材料及熱處理；齒輪傳動的精度；直齒圓柱齒輪傳動的作用力及計算載荷；直齒圓柱齒輪傳動的齒面接觸強(qiáng)度計算；斜齒圓柱齒輪傳動；直齒圓錐齒輪傳動；齒輪的構(gòu)造；齒輪傳動的潤滑和效率。基本要求：掌握直齒圓柱齒輪、斜齒圓柱齒輪及圓錐齒輪的受力分析方法，掌握直齒圓柱齒輪強(qiáng)度計算過程及各基本參數(shù)選擇的基本要求。學(xué)時：課堂教學(xué)：6學(xué)時。第一講一、特點(diǎn)二、齒輪傳動分類1、按齒輪的加工——標(biāo)準(zhǔn)齒輪傳動——變位齒輪傳動2、按齒輪傳動工作條件分——閉式傳動——開式傳動3、按齒面硬度分——軟齒面（≤350HB）——硬齒面（＞350HB）§11-1齒輪傳動的失效形式一、輪齒折斷二、齒面點(diǎn)蝕三、齒面膠合四、齒面磨粒磨損五、齒面塑性變形★計算準(zhǔn)則由于理論上的原因，目前對于齒輪傳動的強(qiáng)度計算一般只進(jìn)行兩種計算齒面接觸疲勞強(qiáng)度的計算——以赫芝公式為理論依據(jù)齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的計算——以路易士公式理論依據(jù)。第二講§11-2齒輪材料及其熱處理一、齒輪材料應(yīng)具備的基本要求：1）齒面具有足夠的硬度——以獲得較高的抗點(diǎn)蝕、抗磨粒磨損、抗膠合和抗塑性流動的能力；2）有足夠的彎曲疲勞強(qiáng)度——抵抗變載荷和沖擊載荷的作用；3）具有良好的加工和熱處理工藝性；4）價格較低。二、齒輪常用材料最常用的材料是鋼，其次是鑄鐵，還有非金屬材料。1．鍛鋼優(yōu)質(zhì)碳素鋼：20、30、35、40、45合金鋼：20Cr、20CrMnTi、38SiMnMo、40Cr、40MnB等——硬齒面齒輪（＞350HB）：可用整體淬火、表面淬火、滲碳淬火、滲氮和碳氮共滲等方法得到。——軟齒面齒輪（≤350HB）：可由正火或調(diào)質(zhì)得到。在工藝上經(jīng)熱處理后進(jìn)行精切齒形。2．鑄鋼（鑄造性能良好）常用的牌號為：ZG270—500～ZG340—640，或低合金鑄鋼ZG40Mn、ZG40Cr。3．鑄鐵（鑄造性能良好）普通灰鑄鐵：常用牌號有HT200～HT350。球墨鑄鐵：常用牌號有QT500—7、QT600—3等。4．非金屬材料常用非金屬材料有：夾布膠木、塑料、尼龍等齒輪的常用材料及其力學(xué)性能見表。§11-3齒輪傳動精度等級的選擇在漸開線圓柱齒輪和錐齒輪精度標(biāo)準(zhǔn)（GB10095—88和GB11365—89）中，規(guī)定了12個精度等級，按精度高低依次為1～12級。根據(jù)對運(yùn)動準(zhǔn)確性、傳動平穩(wěn)性和載荷分布均勻性的要求不同，每個精度等級的各項公差相應(yīng)分成三個組：第1公差組——反映運(yùn)動準(zhǔn)確性第Ⅱ公差組——反映傳動平穩(wěn)性第Ⅲ公差組——反映載荷分布均勻性標(biāo)準(zhǔn)中還規(guī)定了齒坯公差、齒輪副側(cè)隙、圖紙標(biāo)注等內(nèi)容。齒輪精度等級的選擇應(yīng)根據(jù)傳動的用途、使用條件、傳動功率、圓周速度等決定。表11．2為某些機(jī)器中常用的齒輪傳動精度等級。第三講§11-4直齒圓柱齒輪傳動的作用力及計算載荷一、輪齒上的作用力分析忽略不計齒面間摩擦力，故該集中力為法向力Fn，沿嚙合線方向垂直于齒面。在分度圓上，法向力Fn可分解為兩個互相垂直的分力：——切于分度圓的圓周力（切向力）Ft；——指向半徑方向的徑向力Fr。其大小為：式中dl一小齒輪分度圓直徑；α一分度圓壓力角；T1一小齒輪傳遞的名義轉(zhuǎn)矩。T=9.55×106×P/nN·mm——主動輪上的圓周力是阻力，其方向與回轉(zhuǎn)方向相反；——從動輪上的圓周力是驅(qū)動力，其方向與回轉(zhuǎn)方向相同；——徑向力分別指向各輪輪心（內(nèi)齒輪為遠(yuǎn)離輪心方向）二、計算載荷式中K——載荷系數(shù)；載荷系數(shù)K見表11－3Ftc——計算載荷。§11-5直齒圓柱齒輪傳動的齒面接觸強(qiáng)度的計算一、計算公式根據(jù)計算準(zhǔn)則，由赫芝公式▲接觸疲勞強(qiáng)度計算通常以節(jié)點(diǎn)為計算點(diǎn)。中的ρ和Fn用下式代入d1=2a/(u±1)一對鋼制齒輪，E1=E2=2.06×105Mpa，μ1=μ2=0.3，壓力角α=20°計入載荷系數(shù)K后，則得一對鋼制標(biāo)準(zhǔn)齒輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算的校核式：令——齒寬系數(shù)其設(shè)計式為mm式中許用接觸應(yīng)力[σH]按下式計算[σH]=σHlim/SHσHlim——實(shí)驗齒輪的接觸疲勞極限，按圖11—7查取SH——齒面接觸疲勞安全系數(shù)，按表11—4查取齒輪傳動的接觸疲勞強(qiáng)度取決于齒輪的直徑（或中心距）。第四講§11-6直齒圓柱齒輪傳動的彎曲強(qiáng)度計算根據(jù)計算準(zhǔn)則：由路易士公式——抗彎截面系數(shù)W的確定：危險截面的位置可用30°切線法確定其W的計算式由《材料力學(xué)》：——計算依據(jù)：以齒根危險截面受拉一側(cè)。——齒根最大彎矩M的計算：假設(shè)全部載荷作用于只有一對齒嚙合時的齒頂。作用于齒頂?shù)姆ㄏ蛄n可分解為互相垂直的兩個分力：FncosαF——使齒根產(chǎn)生彎曲應(yīng)力σb和切應(yīng)力τFnsinαF——使齒根產(chǎn)生壓縮應(yīng)力σC。彎曲應(yīng)力起主要作用，其余影響很小，可忽略不計。則齒根的最大彎曲力矩為：計入載荷系數(shù)K，得齒根彎曲強(qiáng)度校核公式σF≤[σF]——校核式Y(jié)F——齒形系數(shù)，其大小與齒數(shù)有關(guān)，與模數(shù)無關(guān)。查圖11—9以代入，得設(shè)計公式mm——設(shè)計式許用彎曲應(yīng)力[σF]按下式計算式中σFlim——試驗齒輪的齒根彎曲疲勞極限，查圖11－10；SF——輪齒彎曲疲勞安全系數(shù)，查表11－4。★直齒圓柱齒輪的設(shè)計方法：在齒輪傳動設(shè)計時，應(yīng)按主要失效形式進(jìn)行強(qiáng)度計算，確定其主要尺寸，然后對其他失效形式進(jìn)行必要的校核。——對于閉式軟齒面齒輪傳動，常因齒面點(diǎn)蝕而失效，故通常先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計式進(jìn)行設(shè)計計算，并確定其主要尺寸，然后驗算齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度。——對于閉式硬齒面齒輪傳動，因其抗點(diǎn)蝕能力比較強(qiáng)，故可先按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的設(shè)計式進(jìn)行設(shè)計計算，并確定其主要尺寸，然后驗算齒面接觸疲勞強(qiáng)度。——對于開式齒輪傳動，其主要失效形式式磨損，一般不會發(fā)生齒面點(diǎn)蝕。鑒于目前對磨損尚無成熟的計算方法，故對開式齒輪傳動通常只進(jìn)行彎曲疲勞強(qiáng)度的計算，并確定其主要尺寸。第五講習(xí)題課：直齒圓柱齒輪傳動設(shè)計的一般步驟與參數(shù)的選擇第六講§11-7斜齒圓柱齒輪傳動§11-8直齒錐齒輪傳動§11-9齒輪結(jié)構(gòu)齒輪結(jié)構(gòu)型式主要由毛坯材料、幾何尺寸、加工工藝、生產(chǎn)批量、經(jīng)濟(jì)等因素確定，各部分尺寸由經(jīng)驗公式求得。——對于齒數(shù)很少的小齒輪，當(dāng)其分度圓直徑d與軸的直徑d。相差很小，d＜l．8d。時，可將齒輪和軸做成整體，稱為齒輪軸。這樣，軸和齒輪必須用同一種材料制造。——如果齒輪直徑比軸的直徑大得多，則不論是從制造還是從節(jié)約貴重材料的觀點(diǎn)，都應(yīng)把齒輪和軸分開。頂圓直徑da≤500mm的齒輪，通常是鍛造（重要的齒輪）或鑄造的。鍛造的齒輪一般采用圓盤式（腹板式）結(jié)構(gòu)小的齒輪可做成實(shí)心的（無腹板）頂圓直徑da＞400mm的齒輪常用鑄鐵或鑄鋼鑄成。鑄造齒輪常做成輪輻式的對于尺寸很大的齒輪，為節(jié)約貴重鋼材，常采用齒圈套裝于輪心上的組合結(jié)構(gòu)。齒圈用較好的鋼，輪心用鑄鐵或鑄鋼，兩者用過盈聯(lián)接，在配合接縫上加裝4～8個緊定螺釘單件生產(chǎn)的大齒輪，可采用焊接結(jié)構(gòu)。§11-10齒輪傳動的效率和潤滑一、齒輪傳動的效率齒輪傳動的功率損失主要包括1）齒廓嚙合時的摩擦損失；2）潤滑油被攪動的油阻損失；3）軸承中的摩擦損失。閉式齒輪傳動的效率η為η=η1·η2·η3式中η1——考慮齒輪嚙合損失時的效率；η2——考慮油阻損失時的效率；η3——軸承的效率。二、齒輪傳動的潤滑——潤滑劑：油和脂——潤滑方式：一般來說開式齒輪傳動——脂潤滑閉式齒輪傳動——潤滑方式主要取決于齒輪的圓周速度★圓周速度v≤12m／s～15m/s的齒輪傳動：廣泛采用油池潤滑，自然冷卻。浸入油中的齒輪深度以l～2個齒高為宜；速度高的還應(yīng)該淺些，建議在0．7倍齒高左右，但至少為10mm；速度低的（0.5m/s～0．8