1 齒輪傳動的失效形式及設計準則
1.1 齒輪傳動的失效形式
根據齒輪傳動的工作條件不同,可以分為開式齒輪傳動和閉式齒輪傳動。開式齒輪傳動的齒輪完全暴露在外邊,工作時環境中的粉塵、雜物易侵入嚙合齒間,潤滑條件較差,輪齒容易磨損,只適宜於低速傳動;閉式齒輪傳動的齒輪都裝在經過精確加工而且封閉嚴密的箱體內,因而能保證良好的潤滑和工作條件。重要的齒輪傳動都採用閉式傳動。齒輪傳動的主要失效形式有以下幾類:
1.輪齒折斷
2.齒面點蝕
3.齒面膠合
4.齒面磨損
5.齒麵塑性變形
1.2 齒輪傳動的設計準則
齒輪傳動設計準則要求可以概括為:分析具體的工作條件,判斷可能發生的主要失效形式,以確定相應的設計準則。
2 齒輪材料及熱處理
2.1 齒輪材料
為了保證齒輪工作的可靠性,提高其使用壽命,齒輪的材料及其熱處理應根據工作條件和材料的特點來選取。齒輪材料的基本要求有以下幾個方面:
1. 齒面有足夠的硬度和耐磨性;
2. 輪齒有足夠的抗彎曲強度和衝擊韌性;
3. 易於加工和熱處理,從而改善材料的機械性能,提高齒面硬度,發揮材料的潛力。
2.2 齒輪的熱處理方法
簡而言之,鋼製齒輪熱處理方法:調質、正火、整體淬火、表面淬火、滲碳、滲氮。
3 齒輪傳動精度
齒輪傳動可應用於多種場合,根據不同的工作條件,對齒輪傳動的基本使用要求,可概括為以下四個方面:
1.傳遞運動的準確性
從理論上講,用漸開線作輪齒的工作齒廊,可使其在傳動中傳動比為一常數,以保證精確地傳遞運動。但齒輪在加工和安裝中都會產生誤差,因此,實際齒輪在傳動中難以保持傳動比恆定。為保證齒輪傳遞運動的準確性,要求齒輪在一轉範圍內,齒輪的最大轉角誤差應限制在一定的範圍內。
2.傳動的平穩性
要求齒輪傳動的瞬時傳動比變化不要過大
3.載荷分佈的均勻性
要求齒輪嚙合時齒面接觸良好。若齒面的接觸精度差就會引起載荷集中,使齒面局部失效,影響齒輪的使用壽命。
4.齒側間隙
要求齒輪嚙合時,非工作表面間應留有一定的間隙,以便儲存潤滑油,補償齒輪的製造和安裝誤差以及受力變形等影響,從而保證傳動靈活。
4 直齒圓柱齒輪傳動的強度計算
本節給大家介紹直齒圓柱齒輪傳動的強度計算。
4.1 受力分析
進行齒輪的強度計算,首先要知道輪齒上的受力,因此要對齒輪進行受力分析。在下圖中,如果忽略齒面間的摩擦力,則沿嚙合線作用在齒面上的法向載荷垂直於齒面,法向力可分解為圓周力和徑向力:
式中 ——小齒輪分度圓直徑,mm;
——分度圓壓力角;
——小齒輪傳遞的名義轉矩,。其中,為傳遞的功率,kW,為小齒輪的轉速,r/min。
直齒圓柱齒輪傳動的受力分析
4.2 計算載荷
上述的法向力為理想狀況下的名義載荷。理論上應沿齒寬均勻分佈,但由於軸和軸承的變形,傳動裝置的製造、安裝誤差等原因,載荷沿齒寬的分佈並不是均勻的,而是在某些地方大於或某些地方小於名義載荷,即出現載荷集中的現象;另外由於各種原動機和工作機的特性不同、齒輪製造誤差,以及輪齒變形等原因,還會引起附加動載荷。精度越低,圓周速度越高,附加動載荷就越大。考慮上述因素的影響,在計算齒輪強度時,通常用計算載荷代替名義載荷,K為載荷係數,其值可由課本中表9-4查取。計算載荷按下式確定:
4.3 齒面接觸強度計算
鋼製標準齒輪齒面接觸強度的設計公式:
(mm)
許用接觸應力:
(MPa)
4.4 齒根彎曲強度計算
輪齒彎曲強度的校核公式:
(MPa)
齒根彎曲強度設計公式:
(mm)
許用彎曲應力:
(MPa)
接下來學習下面例子。
例 試設計兩級減速器中的低速級直齒輪傳動。已知:用電動機驅動,載荷有中等衝擊,齒輪相對於支承位置不對稱,單向運轉,傳遞功率P=10 kW,低速級主動輪轉速= 400 r/min,傳動比i = 3.5。
解: 1. 選擇材料,確定許用應力
根據課本中表9-1,小輪選用45鋼調質;硬度為220 HBS;大輪選用45鋼正火,硬度為190 HBS。
由課本中圖9-8(c)和圖9-11(c)分別查得:
= 555 MPa = 530 MPa
= 190 MPa = 180 MPa
由課本中表9-5查得=1.1, =1.4,故
,
,
因硬度小於350 HBS,屬軟齒面,按齒面接觸強度設計,再校核齒根彎曲強度。
2.按接觸強度設計
計算中心距: (mm)
① 取
② 小輪轉矩
③ 取齒寬係數= 0.4,i = u = 3.5
由於原動機為電動機,中等衝擊,支承不對稱布置,故選8級精度。由表9-4選K = 1.5。
將以上數據代入,初算中心距a = 223.7 mm
3.確定基本參數,計算主要尺寸
① 選擇齒數
取,則
② 確定模數
由公式,可得m = 4.98
由表6-1查得標準模數,取m = 5
③ 確定中心距
(mm)
④ 計算齒寬
(mm)
為補償兩輪軸向尺寸誤差,取= 95 mm,= 90 mm
⑤ 計算齒輪幾何尺寸(略)
4.校核彎曲強度
(MPa)
(MPa)
按,,由圖9-10查得= 2.80,= 2.24,代入上式,得
= 44.4 MPa < ,安全
= 35.5 MPa < ,安全
5.設計齒輪結構,繪製齒輪工作圖。(略)