機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 課件 模塊五項(xiàng)目五 齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)與維護(hù)

《機(jī)械設(shè)計(jì)與制作》

——模塊五簡(jiǎn)單傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)與維護(hù)主講教師：楊紅任務(wù)一齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、材料與熱處理以及精度等級(jí)的選擇項(xiàng)目五齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)與維護(hù)任務(wù)二齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)方法和步驟任務(wù)一齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、材料與熱處理以及精度等級(jí)的選擇圖6-1-1為帶式輸送機(jī)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。其中，一級(jí)圓柱齒輪減速器為閉式齒輪傳動(dòng)，已知傳遞功率P＝5.09kW，小齒輪轉(zhuǎn)速為n１＝342.86r/min，傳動(dòng)比i=4.78，試確定其設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、材料與熱處理以及精度等級(jí)。【任務(wù)描述】任務(wù)一齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、材料與熱處理以及精度等級(jí)的選擇【知識(shí)導(dǎo)航】三、齒輪傳動(dòng)的材料與熱處理方式選擇四、齒輪傳動(dòng)的精度一、齒輪的失效形式二、齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則任務(wù)一齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、材料與熱處理以及精度等級(jí)的選擇一、齒輪的失效形式齒輪的失效主要發(fā)生在輪齒部分。１、輪齒折斷２、齒面點(diǎn)蝕３、齒面磨損４、齒面膠合５、塑性變形任務(wù)一齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、材料與熱處理以及精度等級(jí)的選擇一、齒輪的失效形式齒輪的失效主要發(fā)生在輪齒部分。１、輪齒折斷２、齒面點(diǎn)蝕３、齒面磨損４、齒面膠合５、塑性變形點(diǎn)擊一下試試潘存云教授研制任務(wù)一齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、材料與熱處理以及精度等級(jí)的選擇一、齒輪的失效形式齒輪的失效主要發(fā)生在輪齒部分。１、輪齒折斷２、齒面點(diǎn)蝕３、齒面磨損４、齒面膠合５、塑性變形點(diǎn)擊一下試試任務(wù)一齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、材料與熱處理以及精度等級(jí)的選擇一、齒輪的失效形式齒輪的失效主要發(fā)生在輪齒部分。１、輪齒折斷２、齒面點(diǎn)蝕３、齒面磨損４、齒面膠合５、塑性變形跑合磨損磨粒磨損任務(wù)一齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、材料與熱處理以及精度等級(jí)的選擇一、齒輪的失效形式齒輪的失效主要發(fā)生在輪齒部分。１、輪齒折斷２、齒面點(diǎn)蝕３、齒面磨損４、齒面膠合５、塑性變形任務(wù)一齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、材料與熱處理以及精度等級(jí)的選擇一、齒輪的失效形式齒輪的失效主要發(fā)生在輪齒部分。１、輪齒折斷２、齒面點(diǎn)蝕３、齒面磨損４、齒面膠合５、塑性變形任務(wù)一齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、材料與熱處理以及精度等級(jí)的選擇一、齒輪的失效形式齒輪的失效主要發(fā)生在輪齒部分。１、輪齒折斷２、齒面點(diǎn)蝕３、齒面磨損４、齒面膠合５、塑性變形針對(duì)上述各種失效形式，可以適當(dāng)采取提高齒面硬度、降低齒面粗糙度、改善密封與潤(rùn)滑條件等措施來減少失效發(fā)生。任務(wù)一齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、材料與熱處理以及精度等級(jí)的選擇二、齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

1、閉式齒輪傳動(dòng)軟齒面(硬度≤350HBS)，通常按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，再按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核。

3、開式齒輪傳動(dòng)，通常只能按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，再考慮磨損，將所求得的模數(shù)增大10％～20％，而無需按齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核。2、閉式齒輪傳動(dòng)硬齒面(硬度＞350HBS)通常按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，再按齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核。任務(wù)一齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、材料與熱處理以及精度等級(jí)的選擇三、齒輪傳動(dòng)的材料與熱處理方式選擇1、對(duì)齒輪材料的基本要求

(１)齒面應(yīng)有足夠的硬度,以抵抗齒面磨損、點(diǎn)蝕、膠合及塑性變形等；(２)齒芯應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和較好的韌性,以抵抗齒根折斷和沖擊載荷；(３)齒輪材料應(yīng)有良好的加工工藝性能及熱處理性能,使之便于加工且便于提高其力學(xué)性能。任務(wù)一齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、材料與熱處理以及精度等級(jí)的選擇三、齒輪傳動(dòng)的材料與熱處理方式選擇

2、齒輪的常用材料及熱處理齒輪常用的材料主要是鋼,其次是鑄鐵,有些場(chǎng)合也可以采用非金屬材料.(１)鍛鋼

具有強(qiáng)度高、韌性好、便于制造、便于熱處理等優(yōu)點(diǎn),大多數(shù)齒輪都用鍛鋼制造,重要齒輪都采用鍛鋼.

(２)鑄鋼

當(dāng)齒輪的尺寸較大(直徑大于400~600mm),結(jié)構(gòu)復(fù)雜而不便于鍛造時(shí),可采用鑄造方法制成鑄鋼齒坯.鑄鋼的強(qiáng)度和耐磨性較好,但應(yīng)經(jīng)退火或正火處理以細(xì)化晶粒.任務(wù)一齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、材料與熱處理以及精度等級(jí)的選擇三、齒輪傳動(dòng)的材料與熱處理方式選擇

2、齒輪的常用材料及熱處理

(３)鑄鐵

對(duì)于速度低、直徑大的開式傳動(dòng)齒輪,可以采用鑄鐵。鑄鐵的耐磨性好、價(jià)格低,但抗彎強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度都較低。

(４)非金屬材料

對(duì)高速、小功率、精度不高以及噪聲要求低的場(chǎng)合的傳動(dòng)齒輪,可以采用非金屬材料,如尼龍、夾布膠木等。任務(wù)一齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、材料與熱處理以及精度等級(jí)的選擇熱處理方法表面淬火滲碳淬火調(diào)質(zhì)正火滲氮一般用于中碳鋼和中碳合金鋼，如45、40Cr等。表面淬火后輪齒變形小，可不磨齒，硬度可達(dá)52~56HRC，面硬芯軟，能承受一定沖擊載荷。1.表面淬火----高頻淬火、火焰淬火任務(wù)一齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、材料與熱處理以及精度等級(jí)的選擇2.滲碳淬火滲碳鋼為含碳量0.15~0.25%的低碳鋼和低碳合金鋼，如20、20Cr等。齒面硬度達(dá)56~62HRC，齒面接觸強(qiáng)度高，耐磨性好，齒芯韌性高。常用于受沖擊載荷的重要傳動(dòng)。通常滲碳淬火后要磨齒。調(diào)質(zhì)一般用于中碳鋼和中碳合金鋼，如45、40Cr、35SiMn等。調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度為：220~260HBS。因?yàn)橛捕炔桓?，故可在熱處理后精切齒形，且在使用中易于跑合。3.調(diào)質(zhì)任務(wù)一齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、材料與熱處理以及精度等級(jí)的選擇4.正火正火能消除內(nèi)應(yīng)力、細(xì)化晶粒、改善力學(xué)性能和切削性能。機(jī)械強(qiáng)度要求不高的齒輪可用中碳鋼正火處理。大直徑的齒輪可用鑄鋼正火處理。滲氮是一種化學(xué)處理。滲氮后齒面硬度可達(dá)60~62HRC。氮化處理溫度低，輪齒變形小，適用于難以磨齒的場(chǎng)合，如內(nèi)齒輪。材料為：38CrMoAlA.5.滲氮任務(wù)一齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、材料與熱處理以及精度等級(jí)的選擇特點(diǎn)及應(yīng)用：調(diào)質(zhì)、正火處理后的硬度低，HBS≤350，屬軟齒面，工藝簡(jiǎn)單、用于一般傳動(dòng)。當(dāng)大小齒輪都是軟齒面時(shí)，因小輪齒根薄，彎曲強(qiáng)度低，故在選材和熱處理時(shí)，小輪比大輪硬度高:20~50HBS表面淬火、滲碳淬火、滲氮處理后齒面硬度高，屬硬齒面。其承載能力高，但一般需要磨齒。常用于結(jié)構(gòu)緊湊的場(chǎng)合。7/13/2025任務(wù)一齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、材料與熱處理以及精度等級(jí)的選擇四、齒輪傳動(dòng)的精度

１、影響運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性

制造和安裝齒輪傳動(dòng)裝置時(shí),不可避免地會(huì)產(chǎn)生誤差.這些誤差對(duì)齒輪傳動(dòng)帶來以下三方面的影響。２、影響傳動(dòng)的平穩(wěn)性３、影響載荷分布的均勻性（轉(zhuǎn)角與理論不一致，影響運(yùn)動(dòng)的不準(zhǔn)確性）（瞬時(shí)傳動(dòng)比不恒定，出現(xiàn)速度波動(dòng)，引起震

動(dòng)、沖擊和噪音影響運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性）（齒向誤差導(dǎo)致輪齒上的載荷分布不均勻，使輪齒提前損壞，影響載荷分布的不均勻性）任務(wù)一齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、材料與熱處理以及精度等級(jí)的選擇四、齒輪傳動(dòng)的精度國(guó)標(biāo)GB/T10095.1-2008給齒輪副規(guī)定了13個(gè)精度等級(jí)。其中0級(jí)最高，12級(jí)最低，常用的為6~9級(jí)精度。7/13/2025任務(wù)一齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、材料與熱處理以及精度等級(jí)的選擇【任務(wù)實(shí)施】

根據(jù)任務(wù)描述,一級(jí)圓柱齒輪減速器為閉式齒輪傳動(dòng),已知傳遞功率P＝5.09kW，小齒輪轉(zhuǎn)速為n１＝342.86r/min,因傳遞的功率較小,速度不高，一般選用軟齒面齒輪組合.對(duì)于閉式軟齒面齒輪傳動(dòng),設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核。根據(jù)任務(wù)描述,該減速器為一般齒輪傳動(dòng),根據(jù)表6-5-1,選取小齒輪的材料為45號(hào)鋼,調(diào)質(zhì)處理,齒面硬度為HBS229~286；大齒輪的材料為45號(hào)鋼,正火處理,齒面硬度為HBS169~217。根據(jù)表6-5-2,選擇齒輪精度等級(jí)為８級(jí)。任務(wù)二齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)方法和步驟

設(shè)計(jì)一級(jí)圓柱齒輪減速器中的直齒圓柱齒輪傳動(dòng),已知傳遞功率P＝5.09kW,小齒輪轉(zhuǎn)速為n１＝342.86r/min,傳動(dòng)比i＝4.78,載荷平穩(wěn),單向運(yùn)轉(zhuǎn)?！救蝿?wù)描述】任務(wù)二齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)方法和步驟【知識(shí)導(dǎo)航】三、標(biāo)準(zhǔn)直齒圓錐齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)四、齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一、直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)二、斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)五、齒輪傳動(dòng)的潤(rùn)滑和維護(hù)任務(wù)二齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)方法和步驟主動(dòng)輪上，圓周力Ft是阻力，與主動(dòng)輪回轉(zhuǎn)方向相反；在從動(dòng)輪上，F(xiàn)t是驅(qū)動(dòng)力，與從動(dòng)輪回轉(zhuǎn)方向相同；兩輪齒所受徑向力Fr分別指向各自輪心(外嚙合齒輪傳動(dòng))。一、直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)１、輪齒的受力分析和計(jì)算載荷任務(wù)二齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)方法和步驟一、直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)１、輪齒的受力分析和計(jì)算載荷前面分析中的Fn、Ft和Fr均是作用在輪齒上的名義載荷。考慮各種實(shí)際情況，通常用計(jì)算載荷KFn取代名義載荷Fn,K為載荷系數(shù)，由表6-5-3查取。

計(jì)算載荷用符號(hào)Fnc表示,即:Fnc＝KFn任務(wù)二齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)方法和步驟一、直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)2、齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算

齒面點(diǎn)蝕是因?yàn)榻佑|應(yīng)力過大而引起的。如圖６-5-7所示，齒輪嚙合可以看作分別以接觸處的曲率半徑ρ１、ρ２為半徑的兩個(gè)圓柱體的接觸。任務(wù)二齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)方法和步驟一、直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)2、齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)彈性力學(xué)的相關(guān)公式,推導(dǎo)出標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為

校核公式為任務(wù)二齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)方法和步驟設(shè)計(jì)公式為

校核公式為任務(wù)二齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)方法和步驟一、直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)2、齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算設(shè)計(jì)公式為校核公式為

注意：一對(duì)齒輪嚙合時(shí)，根據(jù)作用力與反作用力原理，兩齒面的接觸應(yīng)力是相等的，即：；而兩輪的材料或熱處理不同，故其許用接觸應(yīng)力不相等，在強(qiáng)度計(jì)算時(shí)應(yīng)將、中的較小值代入公式計(jì)算。任務(wù)二齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)方法和步驟一、直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)3、齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算

為了防止輪齒根部的疲勞折斷，在進(jìn)行齒輪設(shè)計(jì)時(shí)要計(jì)算齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。為簡(jiǎn)化計(jì)算，將輪齒看作一懸臂梁，全部載荷由一對(duì)齒承擔(dān)，且載荷作用于齒頂。如圖6-5-8所示。任務(wù)二齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)方法和步驟一、直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)3、齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算由彎曲正應(yīng)力公式可推導(dǎo)出齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為校核公式為任務(wù)二齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)方法和步驟設(shè)計(jì)公式為校核公式為任務(wù)二齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)方法和步驟設(shè)計(jì)公式為校核公式為

注意：大、小齒輪的齒根彎曲應(yīng)力應(yīng)分別計(jì)算，并分別與各自的許用彎曲應(yīng)力進(jìn)行比較。用設(shè)計(jì)公式進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，應(yīng)將和中的較大值代入。任務(wù)二齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)方法和步驟一、直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)4、齒輪傳動(dòng)參數(shù)的選擇

（1）齒數(shù)z通常對(duì)軟齒面的閉式齒輪傳動(dòng)，可取z1=20~40；對(duì)硬齒面的閉式或開式齒輪傳動(dòng)，一般取z1=17~20。

（2）模數(shù)m在滿足輪齒彎曲疲勞強(qiáng)度的條件下，宜取小模數(shù)。但對(duì)傳遞動(dòng)力的齒輪，為防止意外斷齒，應(yīng)保證模數(shù)大于2mm。

（3）齒寬系數(shù)

對(duì)于一般機(jī)械，齒寬系數(shù)可按表6-5-4選取。任務(wù)二齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)方法和步驟任務(wù)二齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)方法和步驟一、直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)5、齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)步驟（1）選擇齒輪材料、熱處理方法及精度等級(jí)；（2）設(shè)計(jì)計(jì)算；

（3）計(jì)算齒輪的幾何尺寸；（4）驗(yàn)算齒輪的圓周速度；（5）確定齒輪的結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)尺寸（5）繪制齒輪工作圖任務(wù)二齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)方法和步驟二、斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)1、受力分析任務(wù)二齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)方法和步驟二、斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)2、齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算

斜齒圓柱齒輪所受載荷作用在輪齒的法面上,其法面齒形和齒厚反映其強(qiáng)度,所以斜齒圓柱齒輪的強(qiáng)度是按輪齒的法面進(jìn)行分析的,其基本原理與直齒輪相似。設(shè)計(jì)公式為

校核公式為任務(wù)二齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)方法和步驟二、斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)3、齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算設(shè)計(jì)公式為

校核公式為在法面內(nèi),參照直齒輪彎曲強(qiáng)度公式推導(dǎo)過程和處理方法，可得任務(wù)二齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)方法和步驟三、標(biāo)準(zhǔn)直齒圓錐齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)1、輪齒的受力分析任務(wù)二齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)方法和步驟2、齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算設(shè)計(jì)公式為

校核公式為三、標(biāo)準(zhǔn)直齒圓錐齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)

可以近似認(rèn)為,一對(duì)直齒圓錐齒輪傳動(dòng)強(qiáng)度與其齒寬中點(diǎn)處的一對(duì)當(dāng)量直齒圓柱齒輪相等。任務(wù)二齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)方法和步驟3、齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算設(shè)計(jì)公式為

校核公式為

直齒錐齒輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度按齒寬中點(diǎn)處當(dāng)量直齒圓柱齒輪計(jì)算。三、標(biāo)準(zhǔn)直齒圓錐齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)任務(wù)二齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)方法和步驟1、鍛造齒輪按齒輪毛坯制造方法的不同,齒輪的結(jié)構(gòu)形式可分為鍛造齒輪、鑄造齒輪、焊接齒輪等類型。四、齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于齒頂圓直徑小于500mm的重要齒輪,通常采用鍛造齒輪.根據(jù)齒輪尺寸大小的不同,可有以下幾種結(jié)構(gòu)形式。(１)齒輪軸(２)實(shí)心式齒輪(３)腹板式齒輪任務(wù)二齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)方法和步驟1、鍛造齒輪四、齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(