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第8-9章齿轮传动与蜗杆传动辅导
一,失效分析和设计准则
1.轮齿的失效分析
齿轮传动的失效发生在轮齿表面或齿体,主要失效形式有轮齿折断,齿面点蚀,齿面磨损,齿面胶合和齿面塑性变形.讨论这些失效的目的是为了研究对策,建立相应的设计准则.在学习中应注意掌握这五种失效形式的概念,弄清发生失效的条件,原因和失效发生的部位,了解为避免发生失效而采取的相应措施.
2.设计准则
一般闭式齿轮的主要失效形式是齿面点蚀和齿根弯曲疲劳折断,设计时应以齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度作为其承载能力的计算依据.开式齿轮的主要失效形式是齿面磨损和轮齿折断,不会发生点蚀.由于当前尚无较成熟的磨损计算方法,因此只进行齿根弯曲疲劳强度计算,把求得的模数增大10%~20%,以考虑轮齿磨薄的影响.
二,齿轮材料及热处理
1.齿轮材料的选用原理
对齿轮材料的基本要求是:材料具有足够的强度,齿面要硬,齿芯要韧,以抵抗各种齿面失效和齿根的折断.选择材料及热处理方法应根据齿轮的载荷,精度,传动方式以及其他工作条件的要求.为使两轮寿命接近,还应合理选择材料配对,通常令小齿轮硬度略高于大齿轮.
2.常用材料及热处理
齿轮的常用材料是锻钢,其次为铸钢,铸铁及非金属材料.
(1)锻钢和铸钢
对于一般工作要求和加工条件,可采用软齿面(硬度≤350HBS)齿轮,通常由中碳钢或中碳合金钢正火或调质处理后切齿.在工作要求较高,加工条件较好时,应采用硬齿面齿轮,常用方法是低碳钢渗碳淬火或中碳钢表面淬火,但热处理后需要磨齿.
铸钢常用于制造高强度的大型齿轮,齿坯一般都应经正火处理,其机械性能低于锻钢.
(2)铸铁
用于制造齿轮的铸铁有灰铸铁和球墨铸铁,灰铸铁机械性能较差,多用于开式齿轮传动;球墨铸铁的机械性能接近于铸钢,有时可作为代用材料使用.
(3)非金属材料
用于制造齿轮的非金属材料主要有尼龙,夹布胶木等工程塑料.这些材料制成的齿轮噪声小,重量轻,耐腐蚀.但由于强度低,多用于高速轻载的场合.
三,圆柱齿轮的受力分析
齿轮传动的受力分析为进行齿轮强度计算提供计算载荷,同时也为轴和轴承的设计提供原始数据.
圆柱齿轮传动的受力分析是要求熟练掌握的重点内容,应结合图8-27,8-29熟记各力的计算公式.
各分力方向的判断是有规律的.圆周力:作用于主动轮上的圆周力与齿轮转向相反,而从动轮上的圆周力与齿轮转向相同.径向力:不论主,从动轮,其径向力均由作用点指向各自轮心.斜齿轮轴向力的方向为沿轴向指向受力齿面,受力齿面是两轮传力时的接触齿面,由齿轮转向和主从动轮确定.具体判断方法见教材144页所述"左,右手法则".
四,圆柱齿轮的强度计算
本节学习重点是直齿圆柱齿轮接触强度和弯曲强度的计算.计算公式不要求记忆,但应做到:(1)了解建立公式的力学模型,计算依据;(2)掌握公式中各参数的意义,单位;(3)能正确运用公式进行强度计算和齿轮强度分析.
1.计算载荷
齿轮工作时,原动机和工作机的载荷波动将引起动载荷,齿轮本身的啮合误差也会引起附加动载荷.同时,若齿轮所在轴系刚度不足,齿轮制造和安装误差较大,还可能引起偏载和局部载荷集中.
在设计齿轮传动时,应按实际工作条件对名义载荷Fn进行修正,采用计算载荷Fnc.通常,用载荷系数K综合考虑动载和偏载的影响,齿轮的计算载荷为Fnc=KFn.
2.齿面接触疲劳强度计算
齿轮啮合传动时,齿面接触处相当于一对平行圆柱体接触传力.当轮齿在节点接触时,多为一对齿传力,接触应力大而易发生点蚀.所以设计时以节点处的接触应力为计算依据,限制其接触应力σH≤[σH].
一对齿轮啮合,接触应力由两个齿轮的参数共同决定,σH1=σH2.但由于材料及热处理条件不同,两个齿轮的许用接触应力也不相同,[σH]值小则接触强度弱,是危险齿轮.因此计算中应取较小的[σH]值.
由齿面接触强度的校核公式可知,一定载荷条件下提高齿轮接触强度的措施是加大中心距,增大齿宽或选强度较高的材料.
3.齿根弯曲疲劳强度计算
轮齿弯曲强度计算的力学模型有如悬臂梁,受载后齿根部产生最大弯曲应力,是弯曲疲劳的危险点.当力作用在齿顶时,齿根危险截面上有最大弯距.因此,弯曲强度的计算依据是按力作用于齿顶的条件,限制齿根危险截面上的弯曲应力σF≤[σF].
一对齿轮啮合,其大小齿轮的齿数不同,齿形系数YFS也不相同.小轮齿数少而YFS1值较大,YFS1>YFS2.因而小齿轮的计算应力较大,σF1>σF2.但考虑到大小齿轮在工作条件上的差别,小齿轮的材料强度和硬度一般要高于大齿轮,[σF1] >[σF2].因此,应综合比较两个齿轮的YFS/[σF]的值,此值大者则弯曲强度弱,在设计公式中应代入大值进行计算.

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