第11章齿轮传动
11.1复习笔记
一、轮齿的失效形式和设计计算准则
1.轮齿的失效形式
轮齿的主要失效形式有5种:轮齿折断、齿面点蚀、齿面胶合、齿面磨损和齿面塑性变形。
(1)轮齿折断
①产生原因
轮齿折断一般发生在齿根部分,因为轮齿受力时齿根弯曲应力最大,而且有应力集中。
②主要类型
a.过载折断
轮齿因短时意外的严重过载而引起的突然折断,称为过载折断。
b.疲劳折断
在载荷的多次重复作用下,弯曲应力超过弯曲疲劳极限时,齿根部分将产生疲劳裂纹,裂纹的逐渐扩展最终将引起轮齿折断,这种折断称为疲劳折断。
③单(双)侧工作
a.若轮齿单侧工作,就任一侧而言,其应力都是按脉动循环变化。
b.若轮齿双侧工作,则弯曲应力可按对称循环变化作近似计算。
(2)齿面点蚀
①产生原因
a.疲劳点蚀首先出现在齿根表面靠近节线处;
b.在该处同时啮合的齿数较少,接触应力较大;
c.在该区域齿面相对运动速度低,难于形成油膜润滑,故所受的摩擦力较大;
d.在摩擦力和接触应力作用下,容易产生点蚀现象。
②抗点蚀能力
齿面抗点蚀能力主要与齿面硬度有关,齿面硬度越高,抗点蚀能力越强。
(3)齿面胶合
①定义
在高速、重载传动中,齿面间压力大,相对滑动速度高,因摩擦发热而使啮合区温度升高而引起润滑失效,致使两齿面金属直接接触并相互粘连,而随后的齿面相对运动,较软的齿面沿滑动方向被撕下而形成沟纹,这种现象称为齿面胶合。
②增强抗胶合能力的措施
a.提高齿面硬度;
b.减小表面粗糙度;
b.对于低速传动,采用粘度较大的润滑油;
c.对于高速传动,采用含抗胶合添加剂的润滑油。
(4)齿面磨损
齿面磨损通常有磨粒磨损和跑合磨损两种。
①磨粒磨损
a.产生原因
由于灰尘、硬屑粒等进入齿面间而引起的磨粒磨损,在开式传动中是难以避免的。
b.防止或减轻磨损的方法
采用闭式传动、减小齿面表面粗糙度值和保持良好的润滑。
②跑合磨损
新的齿轮副,受载时只有部分峰顶接触。
接触处压强很高,因而在开始运转期间,磨损速度和磨损量都较大,磨损到一定程度后,摩擦面逐渐光洁,压强减小,磨损速度缓慢,这种磨损称为跑合。
(5)齿面塑性变形
在重载下,较软的齿面上可能产生局部的塑性变形,使齿廓失去正确的齿形。
这种损坏常在过载严重和起动频繁的传动中遇到。
2.齿轮设计计算准则
(1)对于闭式齿轮传动,必须计算轮齿弯曲疲劳强度和齿面接触疲劳强度。
对于高速重载齿轮传动,还必须计算其抗胶合能力。
对于一般的传动,选择恰当的润滑方式和润滑油的牌号和粘度。
(2)对于开式传动,只需计算轮齿的弯曲疲劳强度,以免轮齿疲劳折断。
二、齿轮材料及热处理
1.常用齿轮材料
包括:(1)优质碳钢;(2)铸钢;(3)铸铁;(4)合金结构钢。
2.齿轮常用热处理方法
包括:(1)表面淬火;(2)渗碳淬火;(3)调质;(4)正火;(5)渗氮。
3.齿轮材料的选择原则
(1)当大小齿轮都是软齿面时,一般取小齿轮齿面硬度比大齿轮高20~50HBS;
(2)硬齿面齿轮需专门设备磨齿,常用于要求结构紧凑或生产批量大的齿轮;
(3)当大、小齿轮都是硬齿面时,小齿轮的硬度应略高,也可和大齿轮相等。
三、齿轮传动的精度
1.误差对传动的影响
(1)影响传递运动的准确性;
(2)影响传动的平稳性;
(3)影响载荷分布的均匀性。
2.齿轮传动精度等级的选用
齿轮的精度按国家标准规定,可分为13个精度等级:0级最高,12级最低。
常用的是6~9级精度。
四、直齿圆柱齿轮传动的作用力及计算载荷
1.轮齿上的作用力(1)力的大小
圆周力1t 1
2T F d =径向力r t tan F F α=法向力t n cos F F α
=式中,1T ——小齿轮上的转矩
66111109.5510P
P T n ω==⨯⋅(N mm)P ——所传递的功率(kW);
1ω——小齿轮上的角速度,112=rad /s 60n πω;
1n ——小齿轮的转速(r /min );
1d ——小齿轮的分度圆直径,mm ;
α——压力角。
(2)力的方向
圆周力t F :在主动轮上与运动方向相反,在从动轮上与运动方向相同。
径向力r F :对于主、从动轮都是由作用点指向各自的轮心。
2.计算载荷
计算齿轮强度时,通常用计算载荷n KF 代替名义载荷n F ,其中K 为载荷系数。
五、直齿圆柱齿轮传动的齿面接触强度计算齿面接触疲劳强度校核公式为
11221212
21
cos sin 11()H F u d u b E E αασμμπ±=--+设计公式为
213112.32()[]
E d H KT Z u d mm u φσ±≥式中,“+”用于外啮合,“-”用于内啮合;
E Z ——弹性系数;
H Z ——区域系数,对于标准齿轮,H 2.5Z =。
[]H σ应取配对齿轮中的较小的接触应力。
lim []H H H
MPa
S σσ=
式中,lim H σ——试验齿轮失效概率为1/100时的接触疲劳强度极限;S H ——安全系数。
六、直齿圆柱齿轮传动的轮齿弯曲强度计算(1)轮齿弯曲强度的验算公式
11211
22[]Fa Sa Fa Sa F F KTY Y KTY Y MPa bd m bm z σσ==≤(11-1-1)其中13212[]Fa Sa d F Y Y KT m mm z φσ≥(11-1-2)
式中,d φ——齿宽系数,d 1
b d φ=;Fa Y ——齿形系数,只与齿形中的尺寸比例有关而与模数无关;
Sa Y ——应力修正系数。
(2)许用弯曲应力
FE F F
[]=
MPa S σσ(3)说明①用式(11-1-1)验算弯曲强度时,应该对大、小齿轮分别进行验算。
②用式(11-1-2)计算m 时,应比较111/[]Fa Sa F Y Y σ与222/[]Fa Sa F Y Y σ,以大值代入公式求m。
③算得的m 值是必需的最小值,还应按教材表4-1圆整为标准模数值才能制造出来。
④传递动力的齿轮,其模数不宜小于1.5mm。
⑤对于开式传动,考虑到齿面磨损,可将算得的m 值加大10%~15%。