河科大機械零件教案第10章 齒輪傳動

河北科技大學教案用紙PAGEPAGE12第15次課2學時上次課復習：鏈傳動運動特性；鏈傳動設計計算本次課題（或教材章節題目）：第10章齒輪傳動§1～4失效、材料及計算載荷等教學要求：1）掌握齒輪傳動的失效；2）掌握齒輪傳動的材料及計算載荷等；重點：齒輪傳動的失效難點：計算載荷教學手段及教具：多媒體或課堂講授講授內容及時間分配：1）齒輪傳動的失效；30分鐘 2）齒輪傳動的材料;15分鐘3)計算載荷等。45分鐘課后作業參考資料《機械設計》談家禎主編中國標準出版社《機械設計》董剛主編機械工業出版社注：本頁為每次課教案首頁第十章齒輪傳動§10-1概述（與帶和鏈傳動相比）１．齒輪傳動的特點（與帶和鏈傳動相比）缺點：1）有振動、沖擊和噪聲；缺點：1）有振動、沖擊和噪聲；2）無過載保護3）制造與安裝精度高；4）須用專門設備制造。2）工作速度高；3）傳動效率高；4）傳動比恒定；5）壽命長；6）工作可靠；7）結構緊湊等。２．齒輪傳動的分類⑴按工作條件分類閉式齒輪傳動、開式齒輪傳動、半開式齒輪傳動⑵按齒輪齒面硬度分類軟齒面齒輪、硬齒面齒輪§10-2齒輪傳動的失效形式及設計準則（一）齒輪傳動失效形式輪齒常見失效形式：⒈齒體失效：⑴輪齒折斷；⑵齒體塑性變形⒉齒面失效：⑴齒面接觸疲勞磨損（又稱疲勞點蝕）；⑵齒面膠合；⑶齒面磨損；⑷齒面塑性變形①不同行業對齒輪傳動的失效都有不同的判據。②一般齒輪的失效主要發生在輪齒，輪緣、輪幅和輪轂等部位很少失效。1、輪齒折斷疲勞折斷發生場合：閉式硬齒面齒輪傳動、鑄鐵齒輪傳動、開式齒輪傳動防止措施：1）增大齒根過渡曲線的曲率半徑；2）降低齒根表面粗糙度，對齒根進行噴丸或碾壓強化處理；3）選用韌性較好的材料；4）采用合理的變位。2、齒面磨損產生原因：磨料磨損，使齒面出現沿滑動方向的相互平行的淺劃痕防止措施：1）提高表面硬度；2）降低表面粗糙度；3）開式傳動加防護罩；4）加強潤滑；5）閉式傳動在傳動跑合后更換潤滑油；6）采用變位齒輪傳動，以降低滑動率。3、齒面接觸疲勞磨損（又稱疲勞點蝕）產生原因：疲勞點蝕有兩類：a)收斂性點蝕；b)擴展性點蝕。齒面疲勞點蝕通常首先發生在節線附近靠近齒根處。齒面接觸處接觸應力反復作用。防止措施：1）提高齒面硬度；2）降低齒面粗糙度；3）采用變位齒輪；4）采用黏度較大的潤滑油。4、齒面膠合產生原因：高速重載齒輪傳動防止措施：1）采用角變位齒輪傳動；2）提高齒面硬度；3）降低表面粗糙度；4）選用抗膠合性能好的齒輪副材料；5）采用粘度較大或加入具有抗膠合性能的極壓添加劑的潤滑油等。5、齒面塑性變形產生原因：齒面硬度低，在齒面間較大壓力和滑動摩擦力大，使齒面材料屈服而發生塑性流動所致。多發生在低速重載的軟齒面齒輪傳動中。防止措施：1）提高齒面硬度；2）高粘度的潤滑油；3）盡量避免頻繁啟動，減小過載。二、齒輪傳動設計準則閉式齒輪傳動：1）軟齒面齒輪傳動或小齒輪硬齒面大齒輪軟齒面：按齒面疲勞強度進行設計，校核齒根彎曲疲老強度。2）硬齒面齒輪傳動：按齒根彎曲疲勞強度進行設計，校核齒面接觸疲勞強度開式齒輪傳動：只按齒根彎曲疲勞強度進行設計計算，然后將計算的模數增大5%～15%。§10-3齒輪材料及其選擇對齒輪材料性能的要求：齒輪的齒體應有較高的抗折斷能力，齒面應有較強的抗點蝕、抗磨損和較高的抗膠合能力，即要求：齒面硬、芯部韌。一、齒輪常用材料與熱處理1、鋼軟齒面齒輪：軟齒面齒輪的硬度低，承載能力受到限制，但其成本低、易加工制造。此類齒輪一般是先熱處理，后進行切齒加工。工藝過程：輪坯→正火或調質→切齒→7、8級硬齒面齒輪：硬齒面齒輪硬度大，承載能力大，抗點蝕、膠合、磨損等性能好。在相同載荷條件下，尺寸比軟齒面齒輪小的多；但成本較高。工藝過程：輪坯→切齒→表面硬化→磨齒2、鑄鐵灰鑄鐵：鑄造、切削性能好，成本低，耐磨、抗膠合、抗震性能好，且噪聲低。多在開式或低速、強度要求較低的傳動中應用。球墨鑄鐵：具有較高的強度、一定的塑性和韌性，研究表明高強度釩鈦球鐵比優質碳素鋼具有更好的抗磨和耐疲勞性能，輪齒彎曲強度也較高。3、銅合金及非金屬材料銅合金主要用于高溫或耐腐蝕性要求較高的場合；也用于精密儀器中強度、耐磨性要求較高的齒輪。主要有夾布膠木、尼龍等工程塑料；多用于高速輕載傳動。該類材料具有重量輕、減震性好、噪聲低等優點。但須注意，一對齒輪中只能一個采用非金屬材料。二、齒輪材料的選擇原則基本原則：在考慮齒輪可能出現的失效形式和保證承載能力的前提下，綜合考慮其工藝性（毛坯種類、熱處理方法和切齒加工條件等）和經濟性（包括制造與使用兩方面的經濟性）。注意問題：為減小膠合的危險，并使大小齒輪具有相近的壽命，選擇配對齒輪材料與熱處理方法時，一方面大、小齒輪應盡可能選擇不同材料或選用相同材料而熱處理方法不同，并使二齒輪具有一定的硬度差，一般應使小齒輪較大齒輪硬度高20HBS～50HBS為宜。在該范圍內，傳動的齒數比越大，硬度差也越大；當齒數比大于5時，也可采用硬齒面小齒輪和軟齒面大齒輪的配對方式。§10～4圓柱齒輪傳動的計算載荷接觸線單位長度上的最大載荷為：K為載荷系數，其值為：K＝KAKvKαKβ1、使用系數KA：①物理意義考慮齒輪系統外部因素引起的附加動載荷影響系數；②影響動載荷大小的因素主要取決于動力機、工作機的運轉特性、聯軸器類型、緩沖性能等；③取值方法參考表10－2。2、動載系數Kv：①物理意義考慮齒輪副制造、安裝及嚙合過程中因誤差和運動速度而引起的內部附加動載荷的影響系數；②動載荷產生的原因及影響因素a)齒輪傳動的制造、安裝誤差及輪齒嚙合受載變形；b)嚙合齒對剛度的變化。3、齒間載荷分配系數Ka：①物理意義：考慮同時嚙合的各齒對間載荷分配不均勻性的影響而引入的系數；②產生原因及影響因素：齒間載荷分配不均的產生主要是由齒輪傳動的基節誤差和嚙合過程中的綜合剛度變化等引起；主要影響因素為輪齒嚙合剛度、基圓齒距誤差、修緣量、跑合量等。③取值方法一般不需要精確計算的齒輪和b≤30°的斜齒圓柱齒輪傳動可根據其精度等級由表9-10查取。③減小動載荷的措施：采用修緣齒，即將輪齒的齒頂的一小部分齒廓曲線修成壓力角a>20°的漸開線；但應特別注意的是，修緣量不可過大，否則會因重合度減小過多，致使動載荷不一定就相應減小，因此修緣量的選擇應適當。④動載系數取值方法：一般齒輪傳動可參考圖9－6、根據齒輪精度等級進行選擇。精密齒輪按GB/T3480－1998的相應方法確定。4、齒向載荷分布系數Kb：①物理意義考慮工作載荷沿齒輪接觸線方向分布不均勻性的影響系數；②產生原因及影響因素齒輪傳動工作時，由于軸的彎曲和扭轉變形、軸承的彈性位移以及傳動裝置的制造和安裝誤差等原因，導致齒輪副相互傾斜及輪齒扭曲，最終造成輪齒沿接觸線產生載荷分布的不均勻。其影響因素主要有齒輪在軸上位置的安排、軸承及支座的剛度等因素。③減小載荷分布不均的措施a)增大軸、軸承及支座的剛度；b)合理布置齒輪在軸上的位置；c)選擇合理的齒輪寬度；d)提高齒輪傳動的制造和安裝精度；e)在一對齒輪中把一個齒輪的輪齒制作成鼓形齒等。④取值方法按圖9-8選取。第16次課2學時上次課復習：失效形式及計算準則本次課題（或教材章節題目）：§5標準直齒圓柱齒輪的強度計算教學要求：1）掌握受力分析；2）掌握強度計算要點。重點：難點：教學手段及教具：多媒體或課堂講授講授內容及時間分配：1）受力分析；35分鐘 2）強度計算要點。5５分鐘課后作業參考資料《機械設計》談家禎主編中國標準出版社《機械設計》董剛主編機械工業出版社注：本頁為每次課教案首頁§10～5標準直齒圓柱齒輪傳動的強度計算一、輪齒的受力分析力的大小：力的方向：圓周力的方向：主動輪與其轉動方向相反，從動輪與其轉動方向相同；徑向力的方向：外齒輪指向其各自的圓心；對于內齒輪指向遠離其圓心的方向；二、齒根彎曲疲勞強度計算強度條件：防止輪齒疲勞折斷的強度條件為：sF≤[sF]最大彎曲應力計算點：齒頂處為應力計算點危險截面的確定：由光彈應力分析及實踐證明，在眾多的危險截面確定方法中，實際危險截面與霍德的30°切線法所得的截面位置最為接近，而且它不因載荷位置的變化而變化。故確定以此截面的計算應力為準。于是可得其力臂hF和齒根厚度SF。校核公式：計算公式：幾點說明：1、i≠1，σF1≠σF2；2、材料、熱處理不完全相同時[σF]1≠[σF]2；3、σF1≤[σF]1，σF2≤[σF]2；4、主要參數m，計算時取兩者中大者；5、模數越大，輪齒彎曲疲勞強度越高；二、齒面接觸疲勞強度計算強度條件：防止齒輪齒面出現疲勞點蝕的強度條件為：sH≤[sH]危險點：節點校核公式：計算公式：幾點說明：1、σH1=σH2；2、材料、熱處理不完全相同時[σH]1≠[σH]2；3、取[σH]1、[σH]2二者中小者作強度校核計算；4、主要參數d1（或中心距a）；5、中心距越大，齒面接觸疲勞強度越高。第17次課2學時上次課復習：強度計算要點本次課題（或教材章節題目）：§6～7許用應力等、斜齒圓柱齒輪的強度計算教學要求：1）掌握許用應力等；2）掌握斜齒圓柱齒輪的強度計算。重點：斜齒圓柱齒輪的強度計算難點：教學手段及教具：多媒體課堂講授講授內容及時間分配：1）許用應力等；35分鐘 2）強度計算要點。5５分鐘課后作業10-2410-25參考資料《機械設計》談家禎主編中國標準出版社《機械設計》董剛主編機械工業出版社注：本頁為每次課教案首頁§10～6齒輪傳動的設計參數、許用應力與精度選擇一、齒輪傳動設計參數的選擇1．壓力角a的選擇一般情況下取a=20°2．齒數的選擇當d1已按接觸疲勞強度確定時，則有：z1↑：m↓、齒高h↓、減小切削量、減小滑動率，抗彎曲疲勞強度降低重合度e↑、→傳動平穩因此，在保證彎曲疲勞強度的前提下，齒數選得多一些好！一般情況下，閉式齒輪傳動:z1=20~40開式齒輪傳動:z1=17~20z2=uz13．齒寬系數fd的選擇fd↑→齒寬b↑→有利于提高強度，但fd過大將導致Kβ↑二、齒輪傳動的許用應力彎曲強度計算時：S=SF=1.25~1.50；σlim＝σFE；KN=KFN；接觸強度計算時：S=SH=1.0；σlim＝σHlim；KN=KHN。三、齒輪精度等級的選擇齒輪精度共分12級，1級精度最高，第12級精度最低。精度選擇是以傳動的用途，使用條件，傳遞功率，圓周速度等為依據來確定。§10-7斜齒圓柱齒輪傳動的承載能力計算一、斜齒圓柱齒輪傳動的受力分析力的作用點：輪齒的節圓上徑向力Fr：指向各自的輪心。軸向力Fa：在主動輪上采用左、右手法則進行判斷。二、計算載荷三、齒輪齒根彎曲疲勞強度計算公式強度條件：防止輪齒疲勞折斷的強度條件為：sF≤[sF]最大彎曲應力計算點：齒頂處為應力計算點校核公式：計算公式：幾點說明：1、i≠1，σF1≠σF2；2、材料、熱處理不完全相同時[σF]1≠[σF]2；3、σF1≤[σF]1，σF2≤[σF]2；4、主要參數m，計算時取兩者中大者；5、模數越大，輪齒彎曲疲勞強度越高；四、齒面接觸疲勞強度計算公式強度條件：防止齒輪齒面出現疲勞點蝕的強度條件為：sH≤[sH]危險點：節點校核公式：計算公式：幾點說明：1、σH1=σH2；2、材料、熱處理不完全相同時[σH]1≠[σH]2；3、取[σH]1、[σH]2二者中小者作強度校核計算；4、主要參數d1（或中心距a）；5、中心距越大，齒面接觸疲勞強度越高。1、斜齒輪的[σ]H：斜齒輪接觸線的強度取決于大、小齒輪。1）當[σ]H>1.23[σ]H2時，[σ]H=1.23[σ]H2；[σ]H2為較軟齒面的許用接觸應力。2）其它情況取σ]H=([σ]H1+[σ]H2)/2。2、螺旋角b的選擇：螺旋角b太小，相對直齒圓柱齒輪的傳動性能改善不明顯；螺旋角b太大則軸先力較大，對軸和軸承的工作不利，還會增大軸及軸承尺寸。因此，對于斜齒輪一般取b＝8°～15°；對于認字齒輪可取大一些，b＝25°～35°。第18次課2學時上次課復習：斜齒圓柱齒輪強度計算要點本次課題（或教材章節題目）：§8～12直齒圓錐齒輪傳動的強度計算教學要求：1）掌握受力分析；2）掌握直齒圓錐齒輪的強度計算。重點：受力分析、強度計算難點：受力分析教學手段及教具：多媒體或課堂講授講授內容及時間分配：1）受力分析；55分鐘 2）強度計算要點。3５分鐘課后作業10-3610-38參考資料《機械設計》談家禎主編中國標準出版社《機械設計》董剛主編機械工業出版社注：本頁為每次課教案首頁§10-8標準圓錐齒輪傳動的強度計算一、設計參數直齒錐齒輪傳動是以大端參數為標準值，強度計算時，是以錐齒輪齒寬中點處的當量齒輪作為計算時的依據。二、直齒圓錐齒輪傳動的受力分析力的作用點：齒寬中點節線處力的方向：1）圓周力與徑向力與圓柱齒輪相同；2）其軸向力分別指向各自大端；3）Ft1＝-Ft2,Fr1=-Fa2,Fa1=-Fr2。三、齒根彎曲疲勞強度計算直齒錐齒輪的彎曲疲勞強度可近似地按齒寬中點處的當量圓柱齒輪進行計算。采用直齒圓柱齒輪強度計算公式，并代入當量齒輪的相應參數，得直齒錐齒輪彎曲強度校核式和設計式如下：校核公式：計算公式：上式中載荷系數K=KAKVKαKβ。KAKV取法與前者相同，KFα、KHα可取1，而KFβ＝KHβ＝1.5KHβbe。KHβbe為軸承系數，與齒輪的支承方式有關，表10-9。四、齒面接觸疲勞強度計算校核公式：計算公式：§10-10齒輪的結構設計⒈齒輪結構設計應滿足的要求與影響因素齒輪設計除需進行設計計算外，還需要進行齒輪結構設計，以決定齒輪輪緣、輪輻或輻板和輪轂的形狀與尺寸。要