齿轮机构2.pptx
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1、设计:潘存云5-7 轮齿的失效形式轮齿的失效形式轮齿折断轮齿折断失效形式失效形式设计:潘存云一般发生在齿根处,严重过载突然断裂、疲劳折断。潘存云教授研制11-1 轮齿的失效形式轮齿的失效形式轮齿折断轮齿折断失效形式失效形式齿面接触应力按脉动循环变化当超过疲劳极限时,表面产生微裂纹、高压油挤压使裂纹扩展、微粒剥落。点蚀首先出现在节线处,齿面越硬,抗点蚀能力越强。软齿面闭式齿轮传动常因点蚀而失效。齿面点蚀齿面点蚀11-1 轮齿的失效形式轮齿的失效形式轮齿折断轮齿折断失效形式失效形式齿面点蚀齿面点蚀齿面胶合齿面胶合高速重载传动中,常因啮合区温度升高而引起润滑失效,致使齿面金属直接接触而相互粘连。当齿
2、面向对滑动时,较软的齿面沿滑动方向被撕下而形成沟纹。措施:措施:1.提高齿面硬度提高齿面硬度2.减小齿面粗糙度减小齿面粗糙度3.增加润滑油粘度增加润滑油粘度低速4.加抗胶合添加剂加抗胶合添加剂高速设计:潘存云11-1 轮齿的失效形式轮齿的失效形式轮齿折断轮齿折断失效形式失效形式齿面点蚀齿面点蚀齿面胶合齿面胶合齿面磨损齿面磨损措施:措施:1.减小齿面粗糙度减小齿面粗糙度2.改善润滑条件改善润滑条件磨粒磨损磨粒磨损跑合磨损跑合磨损跑合磨损、磨粒磨损。设计:潘存云11-1 轮齿的失效形式轮齿的失效形式轮齿折断轮齿折断失效形式失效形式齿面点蚀齿面点蚀齿面胶合齿面胶合齿面磨损齿面磨损从动齿从动齿主动齿主
3、动齿齿面塑性变形齿面塑性变形从动齿从动齿主动齿主动齿从动齿从动齿主动齿主动齿从动齿从动齿主动齿主动齿5-8 齿轮材料及热处理齿轮材料及热处理常用常用齿轮材料齿轮材料优质碳素钢优质碳素钢合金结构钢合金结构钢铸钢铸钢铸铁铸铁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一般用于中碳钢和中碳合金钢,如一般用于中碳钢和中碳合金钢,如45、40Cr等。表面等。表面淬火后轮齿变形小,可不磨齿,硬度可达淬火后轮齿变形小,可不磨齿,硬度可达5256HRC,面硬芯软,能承受一定冲击载荷。面硬芯软,能承受一定冲击载荷。1.1.表面淬火表面淬火高频淬火、火焰淬火高频淬火、火焰淬火2.2
4、.渗碳淬火渗碳淬火渗碳钢为含碳量渗碳钢为含碳量0.150.25%的低碳钢和低碳合金钢,的低碳钢和低碳合金钢,如如20、20Cr等。齿面硬度达等。齿面硬度达5662HRC,齿面接触强,齿面接触强度高,耐磨性好,齿芯韧性高。常用于受冲击载荷的度高,耐磨性好,齿芯韧性高。常用于受冲击载荷的重要传动。通常渗碳淬火后要磨齿。重要传动。通常渗碳淬火后要磨齿。调质一般用于中碳钢和中碳合金钢,如调质一般用于中碳钢和中碳合金钢,如4545、40Cr40Cr、35SiMn35SiMn等。调质处理后齿面硬度为:等。调质处理后齿面硬度为:220260HBS 220260HBS。因为硬度不高,故可在热处理后精。因为硬度
5、不高,故可在热处理后精切齿形,且在使用中易于跑合。切齿形,且在使用中易于跑合。3.3.调质调质4.正火正火正火能消除内应力、细化晶粒、改善力学性能和切削正火能消除内应力、细化晶粒、改善力学性能和切削性能。机械强度要求不高的齿轮可用中碳钢正火处理。性能。机械强度要求不高的齿轮可用中碳钢正火处理。大直径的齿轮可用铸钢正火处理。大直径的齿轮可用铸钢正火处理。渗氮是一种化学处理。渗氮后齿面硬度可达渗氮是一种化学处理。渗氮后齿面硬度可达6062HRC。氮化处理温度低,轮齿变形小,适用于难以磨齿的场。氮化处理温度低,轮齿变形小,适用于难以磨齿的场合,如内齿轮。材料为:合,如内齿轮。材料为:38CrMoAl
6、A.5.渗氮渗氮特点及应用: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,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,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,故在选材和热处理时,因小轮齿根薄,弯曲强度低,故在选材和热处理时,小轮比大轮硬度高小轮比大轮硬度高:2050HBS2050HBS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。紧凑的场合。
7、设计:潘存云表表11-1 常用的齿轮材料常用的齿轮材料优质碳素钢优质碳素钢类类 别别牌牌 号号热热 处处 理理硬度(硬度(HBS或或HRC)合金结构钢合金结构钢铸铸 钢钢灰铸铁灰铸铁球墨铸铁球墨铸铁35正火150180HBS调质表面淬火180210HBS4045HRC正火170210HBS45调质表面淬火210230HBS4348HRC5040Cr调质表面淬火240285HBS5256HRC35SiMn调质200260HBS表面淬火4045HRC正火调质240280HBS40MnBZG270-500正火140170HBSHT200170230HBSQT500-5147241HBS180220H
8、BS详细数据见P161或机械设计手册齿轮传动的精度等级齿轮传动的精度等级制造和安装齿轮传动装置时,不可避免会产生齿形误差、齿距误差、齿向误差、两轴线不平行误差等。.误差的影响:误差的影响:1.1.转角与理论不一致,影响运动的不准确性;转角与理论不一致,影响运动的不准确性;2.2.瞬时传动比不恒定,出现速度波动,引起震动、瞬时传动比不恒定,出现速度波动,引起震动、冲击和噪音影响运动平稳性;冲击和噪音影响运动平稳性;3.3.齿向误差导致轮齿上的载荷分布不均匀,使轮齿提齿向误差导致轮齿上的载荷分布不均匀,使轮齿提 前损坏,影响载荷分布的不均匀性。前损坏,影响载荷分布的不均匀性。国标国标GB10095
9、-88GB10095-88给齿轮副规定了给齿轮副规定了1212个精度等级。其中个精度等级。其中1 1级最高,级最高,1212级最低,级最低,常用的为常用的为6 69级精度级精度。按照误差的特性及它们对传动性能的主要影响,将齿轮按照误差的特性及它们对传动性能的主要影响,将齿轮的各项公差分成三组,分别反映传递运动的的各项公差分成三组,分别反映传递运动的准确性准确性,传,传动的动的平稳性平稳性和载荷分布的和载荷分布的均匀性均匀性。表表11-2 齿轮传动精度等级的选择及其应用齿轮传动精度等级的选择及其应用精度等级精度等级直齿圆直齿圆柱齿轮柱齿轮9级级斜齿圆斜齿圆柱齿轮柱齿轮直齿圆直齿圆锥齿轮锥齿轮圆周
10、速度圆周速度 v(m/s)8级级7级级6级级 15 10 5 3 25 17 10 3.5 9 6 3 2.5应应 用用高速重载齿轮传动,如飞机、高速重载齿轮传动,如飞机、汽车和机床中的重要齿轮;分汽车和机床中的重要齿轮;分度机构的齿轮传动。度机构的齿轮传动。高速中载或低速重载齿轮传动,高速中载或低速重载齿轮传动,如飞机、汽车和机床中的重要如飞机、汽车和机床中的重要齿轮;分度机构的齿轮传动。齿轮;分度机构的齿轮传动。机械制造中对精度无特殊要求机械制造中对精度无特殊要求的齿轮。的齿轮。低速及对精度要求低的齿轮低速及对精度要求低的齿轮设计:潘存云设计:潘存云O2O1tt1(主动)(主动)N1N2c
11、 d12 FnT15-9 5-9 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一、一、轮齿上的作用力及计算载荷轮齿上的作用力及计算载荷圆周力圆周力 径向力径向力 法向力法向力 小齿轮上的转矩:小齿轮上的转矩:P P1 1为传递的功率(为传递的功率(KWKW)1 1 小齿轮上的角速度小齿轮上的角速度n n1 1 小齿轮上的转速小齿轮上的转速 d d1 1 小齿轮上的分度圆直径小齿轮上的分度圆直径 压力角压力角各作用力的方向如图各作用力的方向如图O22(从动)(从动)O1N1N2tt1(主动)(主动)T1c d12d22 FtFrFnFn为了计算轮齿强度,设计轴和轴承,有必
12、要分析轮齿上的作用力。(切向力切向力)设计:潘存云二、二、计算载荷计算载荷上述法向力为名义载荷,理论上沿齿宽均匀分布,但由于轴和轴承的变形,传动装置制造和安装误差等原因载荷并不是均匀分布,出现载荷集中的现象。图示轴和轴承的刚度越小,齿宽b越宽,载荷集中越严重。F Fn n 名义载荷名义载荷受力变形受力变形制造误差制造误差安装误差安装误差附加动载荷附加动载荷此外轮齿变形和误差还会引起附加动载荷,且精度越低,圆周速度越高,动载荷越大。载荷集中载荷集中计算齿轮强度时,采用用计算载荷用计算载荷KFKFn n代替名义载荷代替名义载荷F Fn n以考虑载荷集中和附加以考虑载荷集中和附加动载荷的影响,动载荷
13、的影响,K 载荷系数载荷系数表表11-3 载荷系数载荷系数K原动机原动机电动机电动机多缸内燃机多缸内燃机单缸内燃机单缸内燃机均均 匀匀中等冲击中等冲击大的冲击大的冲击工作机械的载荷特性工作机械的载荷特性1.11.21.21.61.61.81.82.01.11.21.61.81.61.81.92.12.22.4Fnb()maxFnb()min设计:潘存云rbO30 30 5-10 直齿圆柱齿轮传强度计算直齿圆柱齿轮传强度计算 假定载荷仅由一对轮齿承担,按悬臂梁计算。齿顶假定载荷仅由一对轮齿承担,按悬臂梁计算。齿顶啮合时,弯矩达最大值。啮合时,弯矩达最大值。hFFnFrFtSFF 分量F2产生压缩
14、应力可忽略不计,弯曲力矩:弯曲力矩:M=KFnhFcosF 危险界面的弯曲截面系数危险界面的弯曲截面系数 危险截面危险截面 齿根圆角齿根圆角30 切线两切点连线处。切线两切点连线处。齿顶受力:齿顶受力:Fn可分解成两个分力:可分解成两个分力:Ft=Fn cosF Fr=Fn sinF 产生弯曲应力;产生弯曲应力;压应力,小而忽略。压应力,小而忽略。Fn弯曲应力弯曲应力 YF a齿齿形系数形系数考虑正应力、切应力和应力集中对考虑正应力、切应力和应力集中对 的影响,的影响,引入重合度系数引入重合度系数 及载荷作用于齿顶时的应力修及载荷作用于齿顶时的应力修正系数正系数 并令并令再考虑各种因素,将上式
15、化为齿根弯曲强度校核式:再考虑各种因素,将上式化为齿根弯曲强度校核式:(为复合齿形系数)(为复合齿形系数)其中齿形系数其中齿形系数YFa 是考虑齿形对齿根弯曲应力是考虑齿形对齿根弯曲应力影响的系数,与模数影响的系数,与模数m无关。无关。YFS仅取决于齿数仅取决于齿数Z,取值见书上图,取值见书上图5-26取值。取值。为端面重合度为端面重合度书书P74 页页复合齿形系数复合齿形系数图图5-26 5-26 外齿轮复合齿形系数外齿轮复合齿形系数Y YFSFS一般一般YFS1 YFS2,FP1 Fp2引入齿宽系数引入齿宽系数 d=b/d1代入得设计公式代入得设计公式 在满足弯曲强度的条件下可适当选取较多
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