(10.1)--CH10机械设计概述.ppt

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1、第十章第十章 齿轮传动齿轮传动10-1 齿轮概述10-2 齿轮传动的失效形式及设计准则10-3 齿轮的材料及其选择原则10-4 齿轮传动的计算载荷10-5 直齿圆柱齿轮传动的强度计算10-6 齿轮传动的精度、设计参数与许用应力10-7 斜齿圆柱齿轮传动的强度计算10-8 直齿锥齿轮传动的强度计算10-9 齿轮的结构设计10-10 齿轮传动的润滑10.110.1齿轮概述齿轮概述福尔柯克轮（福尔柯克轮（Falkirk WheelFalkirk Wheel）-现代建筑的现代建筑的“世界七大奇观世界七大奇观”之一之一齿轮传动概述齿轮传动概述1 1立德树人初心传承 记王立鼎院士的科研初心与使命传承 我没

2、有专业，国家需要就是我的专业。我从不考虑自己的得与失，祖国和人民的忧就是我的忧，祖国和人民的乐就是我的乐。王立鼎院士在磨削齿轮王立鼎院士在指导学生磨削齿轮齿轮传动概述齿轮传动概述1 1齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一，其应用范围十分广泛，型式多样，传递功率从很小到很大（可高达数万千瓦）。10.110.1齿轮概述齿轮概述齿轮传动概述齿轮传动概述1 1一、齿轮传动的主要特点一、齿轮传动的主要特点10.110.1齿轮概述齿轮概述齿轮传动概述齿轮传动概述1 110.110.1齿轮概述齿轮概述设计齿轮设计齿轮-设计确定齿轮的主要参数以及结构形式设计确定齿轮的主要参数以及结构形式主要参数有：模数m、齿

3、数z、螺旋角、齿宽b、中心距a以及压力角a、直径（分度圆、齿顶圆、齿根圆），力的大小齿轮传动概述齿轮传动概述2 2二、齿轮传动的分类二、齿轮传动的分类10.110.1齿轮概述齿轮概述按齿轮类型分：直齿圆柱齿轮传动斜齿圆柱齿轮传动锥齿轮传动 人字齿轮传动 曲线齿轮 异形齿轮 等等。齿轮传动概述齿轮传动概述2 2二、齿轮传动的分类二、齿轮传动的分类各种异形齿轮各种异形齿轮 10.110.1齿轮概述齿轮概述齿轮传动概述齿轮传动概述2 2二、齿轮传动的分类二、齿轮传动的分类按装置形式分：按装置形式分：开式传动、半开式传动、闭式传动开式传动、半开式传动、闭式传动10.110.1齿轮概述齿轮概述齿轮传动概

4、述齿轮传动概述2 2二、齿轮传动的分类二、齿轮传动的分类 按齿面硬度分：硬度：金属抵抗其它更硬物体压入其表面的能力。硬度越高，耐磨性越好。10.110.1齿轮概述齿轮概述硬度检测方法：布氏硬度法（HBS）洛氏硬度法（HRC）软齿面 齿面硬度 350HBS 或 38 HRC硬齿面 齿面硬度 350HBS 或 38 HRC齿轮传动的失效形式及设计准则齿轮传动的失效形式及设计准则10.210.2齿轮传动的失效形式及设计准则齿轮传动的失效形式及设计准则一、齿轮的主要失效形式一、齿轮的主要失效形式齿轮传动的失效形式及设计准则齿轮传动的失效形式及设计准则10.210.2齿轮传动的失效形式及设计准则齿轮传动

5、的失效形式及设计准则一、齿轮的主要失效形式一、齿轮的主要失效形式轮齿折断齿面磨损齿面点蚀齿面胶合塑性变形齿轮传动的失效主要是指轮齿的失效，其失效形式是多种多样的。常见的失效形式有：齿轮传动的失效形式及设计准则齿轮传动的失效形式及设计准则10.210.2齿轮传动的失效形式及设计准则齿轮传动的失效形式及设计准则 齿轮传动的失效形式及设计准则齿轮传动的失效形式及设计准则10.210.2齿轮传动的失效形式及设计准则齿轮传动的失效形式及设计准则 齿轮传动的失效形式及设计准则齿轮传动的失效形式及设计准则10.210.2齿轮传动的失效形式及设计准则齿轮传动的失效形式及设计准则 二、齿轮的设计准则二、齿轮的设

6、计准则齿轮的材料及其选择原则齿轮的材料及其选择原则10.3 10.3 齿轮的材料及其选择原则齿轮的材料及其选择原则一、对齿轮材料性能的要求一、对齿轮材料性能的要求 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：齿面要硬、齿芯要韧齿面要硬、齿芯要韧齿面要硬、齿芯要韧齿面要硬、齿芯要韧。二、常用的齿轮材料二、常用的齿轮材料 常用常用齿齿轮材料轮材料锻钢锻钢 铸钢铸钢 铸铁铸铁常作为低速、轻载、不太重要的场合的齿常作为低速、轻载、不太重要的场合的齿轮材料；轮材料；适用于高速、轻载、且要求降低适用于高速、轻载、且要求降低噪声的场合。噪声的场合。非金属材料非金属

7、材料 钢材的韧性好，耐冲击，通过热处理和化学处理可改善材料的机械性钢材的韧性好，耐冲击，通过热处理和化学处理可改善材料的机械性能，最适于用来制造齿轮。能，最适于用来制造齿轮。耐磨性及强度较好，常用于大尺寸齿轮。耐磨性及强度较好，常用于大尺寸齿轮。含碳量为含碳量为0.15 0.15%0.6%0.6%的碳素钢或合金。的碳素钢或合金。一般用齿轮用碳素钢，重要齿轮用合金钢。一般用齿轮用碳素钢，重要齿轮用合金钢。10.3 10.3 齿轮的材料及其选择原则齿轮的材料及其选择原则热处理方法热处理方法表面淬火表面淬火渗碳淬火渗碳淬火调质调质正火正火渗氮渗氮三、齿轮材料的热处理和化学处理三、齿轮材料的热处理和化

8、学处理 特点及应用：特点及应用：调质、正火处理后的硬度低，调质、正火处理后的硬度低，HBS 350HBS 350，属软齿面，工艺简单、用，属软齿面，工艺简单、用于一般传动。当大小齿轮都是软齿面时，因小轮齿根薄，弯曲强度低，故在于一般传动。当大小齿轮都是软齿面时，因小轮齿根薄，弯曲强度低，故在选材和热处理时，小轮比大轮硬度高选材和热处理时，小轮比大轮硬度高:2050HBS:2050HBS或更多或更多表面淬火、渗碳淬火、渗氮处理后齿面表面淬火、渗碳淬火、渗氮处理后齿面硬度高，属硬齿面。其承载能力硬度高，属硬齿面。其承载能力高，但一般需要磨齿。常用于结构紧凑的场合。高，但一般需要磨齿。常用于结构紧凑

9、的场合。10.3 10.3 齿轮的材料及其选择原则齿轮的材料及其选择原则四、齿轮材料选用的基本原则四、齿轮材料选用的基本原则 （1 1）齿轮材料必须满足工作条件的要求，如强）齿轮材料必须满足工作条件的要求，如强度、寿命、可靠性、经济性等；度、寿命、可靠性、经济性等；（2 2）应考虑齿轮尺寸大小，毛坯成形方法及热）应考虑齿轮尺寸大小，毛坯成形方法及热处理和制造工艺；处理和制造工艺；（3 3）钢制软齿面齿轮，小轮比大轮硬度高应保）钢制软齿面齿轮，小轮比大轮硬度高应保持在持在3050HBS或更多。或更多。齿轮传动的计算载荷齿轮传动的计算载荷10.4 10.4 齿轮传动的计算载荷齿轮传动的计算载荷根据

10、齿轮传动的额定功率和转速，可求得齿轮传递的名义扭矩和轮齿上的名义法向载荷Fn。由于受多种因素的影响，实际传动中轮齿上的名义载荷可能增大。齿轮设计计算中，应根据修正名义载荷计算载荷进行齿轮强度计算。齿轮强度计算的计算载荷为：式中，K为载荷系数，其值为KKA Kv K K 注意：注意：具体计算中，载荷系数有齿根弯曲疲劳强度计算用载荷系数KF和齿面接触疲劳强度计算用载荷系数KH之分。式中式中KA 使用系数使用系数Kv 动载系数动载系数 K齿间载荷分配系数齿间载荷分配系数 K齿向载荷分布系数齿向载荷分布系数注：表中所列值仅适用于减速传动，若为增速传动，应乘以注：表中所列值仅适用于减速传动，若为增速传动

11、，应乘以1.11.1倍倍当外部的机械与齿轮装置间通过挠性件相连接时，当外部的机械与齿轮装置间通过挠性件相连接时，K KA A可适当减小。可适当减小。使用系数使用系数KA 图片来源于网络，仅供教学使用动载系数动载系数Kv 图片来源于网络，仅供教学使用齿间载荷分配系数齿间载荷分配系数K 精度等级精度等级II组组 5 6 7 8 5级及更低级及更低KAFl/b 100N/mm 350）重要的传动、渗碳淬重要的传动、渗碳淬火齿轮或铸造齿轮火齿轮或铸造齿轮1.01.11.31.41.11.21.41.61.62.21.3齿轮传动的设计参数齿轮传动的设计参数310.6齿轮传动设计参数、许用应力与精度选择四

12、、齿轮传动的强度计算说明四、齿轮传动的强度计算说明 用设计公式初步计算齿轮分度圆直径d1(或模数mn)时，因载荷系数中的KV、K、K不能预先确定，故可先试选一载荷系数KHt(或 KFt）1.2-1.41.2-1.4。算出d1t(或 mnt)后，用d1t再查取KV、K、K从而计算KHt(或 KFt)。若K与Kt接近，则不必修改原设计。否则，按下式修正原设计：弯曲强度设计公式弯曲强度设计公式接触强度设计公式接触强度设计公式标准直齿圆柱齿轮设计过程五、直齿圆柱齿轮设计的大致过程 选择齿轮的材料和热处理选择齿数，选齿宽系数fd初选载荷系数(如Kt=1.2)按接触强度确定直径d1计算得mH=d1/z1按

13、弯曲强度确定模数mF确定模数mt=maxmH,mF计算确定载荷系数K=KAKvKK修正计算模数 m模数标准化计算主要尺寸：d1=mz1 d2=mz2 计 算 齿 宽：b=fd d1确定齿宽：B2=int(b)B1=B2+(35)mm 齿轮传动设计时，按主要失效形式进行强度计算，确定齿轮传动设计时，按主要失效形式进行强度计算，确定主要尺寸，然后按其它失效形式进行必要的校核。主要尺寸，然后按其它失效形式进行必要的校核。软齿面闭式齿轮传动：软齿面闭式齿轮传动：按接触强度进行设计，按弯曲强度校核按接触强度进行设计，按弯曲强度校核硬齿面闭式齿轮传动：硬齿面闭式齿轮传动：按弯曲强度进行设计，按接触强度校核

14、按弯曲强度进行设计，按接触强度校核开式齿轮传动：开式齿轮传动：按弯曲强度设计。按弯曲强度设计。其失效形式为磨损，点蚀形成之前齿面已磨掉。10.7标准斜齿圆柱齿轮强度计算标准斜齿圆柱齿轮强度计算标准斜齿圆柱齿轮强度计算1 1一、轮齿的受力分析一、轮齿的受力分析由于Fatanb，为了不使轴承承受的轴向力过大，螺旋角b不宜选得过大，常在820之间选择。圆周力圆周力径向力径向力轴向力轴向力总法向力总法向力图片来源于网络，仅供教学使用标准斜齿圆柱齿轮强度计算标准斜齿圆柱齿轮强度计算3 3二、齿根弯曲疲劳强度计算二、齿根弯曲疲劳强度计算 按当量齿轮计算强度按当量齿轮计算强度斜齿轮齿面上的接触线为一斜线。受

15、载时，轮齿的失效形式 局部折断局部折断 校核计算公式：设计计算公式：10.7标准斜齿圆柱齿轮强度计算式中：YFa、Ysa应按当量齿数zv=z/cos3b查图或表，ea和e分别为端面和轴面重合度。潘存云教授研制潘存云教授研制图片来源于网络，仅供教学使用标准斜齿圆柱齿轮强度计算标准斜齿圆柱齿轮强度计算4 4 校核计算公式：设计计算公式：标准斜齿圆柱齿轮强度计算三、齿面接触疲劳强度计算三、齿面接触疲劳强度计算 斜齿轮齿面接触强度仍以节点处的接触应力为代表，将节点处的法面曲率半径rn代入计算。法面综合曲率半径有以下关系为：上述关系引入直齿轮齿面接触应力计算公式后得 式中：重合度系数 ，螺旋角系数 。图

16、片来源于网络，仅供教学使用锥齿轮传动的强度计算锥齿轮传动的强度计算1对轴交角为90的直齿锥齿轮传动：10.8标准锥齿轮传动的强度计算一、设计参数一、设计参数直齿锥齿轮传动是以大端参数为标准值，强度计算时，是以锥齿轮齿宽中点处的当量齿轮作为计算时的依据。直齿锥齿轮传动的几何参数令fR=b/R为锥齿轮传动的齿宽系数，设计中常取 f fR=0.250.35。锥距锥距图片来源于网络，仅供教学使用当量齿轮分度圆直径当量齿轮分度圆直径当量齿轮的齿数当量齿轮的齿数当量齿轮的齿数比当量齿轮的齿数比为了保证不根切，应有为了保证不根切，应有 z zv v17 17 平均模数平均模数锥齿轮传动的强度计算锥齿轮传动的

17、强度计算2二、轮齿的受力分析二、轮齿的受力分析 直齿锥齿轮的轮齿受力分析模型如下图，将总法向载荷集中作用于齿宽中点处的法面截面内，Fn可分解为圆周力Ft、径向力Fr和轴向力Fa三个分力。各分力计算公式：标准锥齿轮传动的强度计算轴向力Fa的方向总是由锥齿轮的小端指向大端。圆周力圆周力径向力径向力轴向力轴向力总法向力总法向力图片来源于网络，仅供教学使用锥齿轮传动的强度计算锥齿轮传动的强度计算3三、齿根弯曲疲劳强度计算三、齿根弯曲疲劳强度计算 直齿锥齿轮的弯曲疲劳强度可近似地按齿宽中点处的当量圆柱齿轮进行计算。采用直齿圆柱齿轮强度计算公式，并代入当量齿轮的相应参数，得直齿锥齿轮弯曲强度校核式和设计式

18、如下：上式中载荷系数K=KAKVKK。KAKV 取法与前者相同，KF、KH可取1，而KFKH1.5KHbe。KHbe为轴承系数，与齿轮的支承方式有关。标准锥齿轮传动的强度计算校核计算公式：设计计算公式：锥齿轮传动的强度计算锥齿轮传动的强度计算4四、齿面接触疲劳强度计算四、齿面接触疲劳强度计算 标准锥齿轮传动的强度计算直齿锥齿轮的齿面接触疲劳强度，仍按齿宽中点处的当量圆柱齿轮计算。工作齿宽取为锥齿轮的齿宽b。综合曲率为：利用赫兹公式，并代入齿宽中点处的当量齿轮相应参数，可得锥齿轮齿面接触疲劳强度计算公式如下：校核计算公式：设计计算公式：齿轮的结构设计齿轮的结构设计10.910.9齿轮的结构设计与

19、润滑齿轮的结构设计与润滑（1 1）通过强度计算确定出了齿轮的）通过强度计算确定出了齿轮的齿数齿数z、模数、模数m、齿宽、齿宽B、螺旋角螺旋角b b、分度圆直径、分度圆直径d 等主要尺寸。等主要尺寸。（3 3）设计方法：）设计方法：经验设计为主经验设计为主在综合考虑齿轮几何尺寸、毛坯、材料、加工方法、使用要在综合考虑齿轮几何尺寸、毛坯、材料、加工方法、使用要求及经济性等各方面因素的基础上，按齿轮的直径大小，选求及经济性等各方面因素的基础上，按齿轮的直径大小，选定合适的结构形式，再根据定合适的结构形式，再根据推荐的经验数据推荐的经验数据进行结构尺寸计进行结构尺寸计算。算。（2 2）齿轮的结构设计齿

20、轮的结构设计主要是确定轮缘、轮辐、轮毂等结主要是确定轮缘、轮辐、轮毂等结构形式及尺寸大小。构形式及尺寸大小。一、概述一、概述齿轮的结构设计齿轮的结构设计10.910.9齿轮的结构设计与润滑齿轮的结构设计与润滑二、常见的结构形式二、常见的结构形式轮辐式结构中型尺寸齿轮结构小尺寸齿轮结构大尺寸齿轮结构 腹板式结构实心式齿轮齿轮轴直径较小的钢质齿轮，当齿根圆直径与轴径接近时，可以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，称为将齿轮与轴做成一体，称为齿轮轴齿轮轴。否则可能引起。否则可能引起轮缘断裂轮缘断裂。1.齿轮轴齿轮轴 潘存云教授研制圆柱齿轮圆柱齿轮e 2 mt 圆锥齿

21、轮圆锥齿轮e 1.6 mt 锥齿轮轴锥齿轮轴 圆柱齿轮轴圆柱齿轮轴 图片来源于网络，仅供教学使用2.实心齿轮实心齿轮 潘存云教授研制当齿顶圆直径当齿顶圆直径da160mm时，可以做时，可以做成成实心式实心式齿轮齿轮图片来源于网络，仅供教学使用3.腹板式齿轮腹板式齿轮潘存云教授研制潘存云教授研制齿顶圆直径齿顶圆直径da=160-500毫米时，可毫米时，可做成做成腹板式腹板式结构。结构。图片来源于网络，仅供教学使用潘存云教授研制3.腹板式齿轮腹板式齿轮对于齿顶圆直径对于齿顶圆直径da300毫米的铸造锥齿轮，毫米的铸造锥齿轮，可做成带加强筋的可做成带加强筋的腹板式腹板式齿轮。加强筋的厚齿轮。加强筋的

22、厚度度C10.8C图片来源于网络，仅供教学使用潘存云教授研制4.轮辐式齿轮轮辐式齿轮这种结构适用于大型尺寸的齿轮。这种结构适用于大型尺寸的齿轮。这种结构适用于大型尺寸的齿轮。这种结构适用于大型尺寸的齿轮。当齿顶圆直径在当齿顶圆直径在400da1000毫米范围毫米范围时，可以做成轮辐截面为时，可以做成轮辐截面为“十十”字形的字形的轮辐轮辐结构齿轮。结构齿轮。图片来源于网络，仅供教学使用图片来源于网络，仅供教学使用齿轮传动的润滑齿轮传动的润滑 齿轮传动的润滑 一、齿轮传动润滑的目的一、齿轮传动润滑的目的 齿轮传动时，相啮合的齿面间有相对滑动，因此就会产生摩擦和磨损，增加动力消耗，降低传动效率。对齿轮传动进行润滑，就是为了避免金属直接接触，减少摩擦磨损，同时还可以起到散热和防锈蚀的目的。二、齿轮传动的润滑方式二、齿轮传动的润滑方式 开式及半开式齿轮传动或速度较低的闭式齿轮传动，通常采用人工周期性加油润滑。通用的闭式齿轮传动，常采用浸油润滑和喷油润滑。三、润滑剂的选择三、润滑剂的选择 齿轮传动常用的润滑剂为润滑油或润滑脂。选用时，应根据齿轮的工作情况（转速高低、载荷大小、环境温度等），选择润滑剂的粘度、牌号。齿轮传动润滑油粘度荐用值润滑油与润滑脂的牌号表