雙圓弧圓柱齒輪承載能力計算方法
1主題內(nèi)容與適用范圍
本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了雙圓弧圓柱齒輪齒面接觸強(qiáng)度和輪齒彎曲強(qiáng)度的計算方法皱埠。
本標(biāo)準(zhǔn)適用于以正火、調(diào)質(zhì)或氮化處理的鋼制齒輪和球墨鑄鐵齒輪纷责。
雙圓弧圓柱齒輪基本齒廓應(yīng)符合GB12759的規(guī)定。相應(yīng)的齒輪精度標(biāo)準(zhǔn)符合JB4021的規(guī)定系亭。
2引用標(biāo)準(zhǔn)
GB 3480-83 漸開線圓柱齒輪承載能力計算方法
GB 12759-91 雙圓弧圓柱齒輪基本齒廓
JB4021-85 圓弧圓柱齒輪精度
3主要代號
本標(biāo)準(zhǔn)的主要代號及其意義和單位見表1剿哪。
表1主要代號
代號 |
意義 |
單位 |
b |
齒寬
人字齒輪的單側(cè)齒寬 |
mm |
d1 |
小齒輪的分度圓直徑 |
mm |
E1、E2
E |
小輪晋合、大輪的彈性模量
誘導(dǎo)彈性模 |
N/mm2
N/mm2 |
HBS
HRC
HVI |
布氏硬度
洛氏硬度
F=9.8N時的維氏硬度 |
|
KA
KV
K1
KH2
KF2
KΔε |
使用系數(shù)
動載系數(shù)
接觸跡間載荷分配系數(shù)
接觸強(qiáng)度計算的接觸跡內(nèi)載荷分布系數(shù)
彎曲強(qiáng)度計算的接觸跡內(nèi)載荷分布系數(shù)
接觸跡系數(shù) |
|
ΔL |
齒端修薄長度(接齒寬方向度量) |
mm |
NL
NV
n1 |
應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
當(dāng)量應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
小齒輪的轉(zhuǎn)速 |
r/min |
mn |
法向模數(shù) |
mm |
P1
Px |
小齒輪的轉(zhuǎn)速
軸向齒距 |
kW
mm |
SH
SHmin
SF
SFmin
ΔS |
接觸強(qiáng)度的計算安全系數(shù)
接觸強(qiáng)度的最小安全系數(shù)
彎曲強(qiáng)度的計算安全系數(shù)
彎曲強(qiáng)度的最小安全系數(shù)
齒端修薄量 |
mm |
T1 |
小齒輪的名義轉(zhuǎn)矩 |
N·mm |
u |
齒數(shù)比u=Z2/Z1 |
|
V
Vg |
圓周速度
相對滾動速度 |
m/s
m/s |
YE
YEnd
YF
YN
Yu
Yβ
Yx |
彎曲強(qiáng)度計算的彈性系數(shù)
齒端系數(shù)
齒形系數(shù)
彎曲強(qiáng)度計算的壽命系數(shù)
彎曲強(qiáng)度計算的齒數(shù)比系數(shù)
彎曲強(qiáng)度計算的螺旋角系數(shù)
尺寸系數(shù) |
(N/mm2)0.14 |
Za
ZE
ZL
ZN
Zu
ZV
Zβ
z1主厅、z2
zv1、zv2 |
接觸弧長系數(shù)
接觸強(qiáng)度計算的壽命系數(shù)
潤滑劑系數(shù)
接觸強(qiáng)度計算的壽命系數(shù)
接觸強(qiáng)度計算的齒數(shù)比系數(shù)
速度系數(shù)
接觸強(qiáng)度計算的螺旋角系數(shù)
小輪掐腕、大輪的齒數(shù)
小輪咒祠、大輪的當(dāng)量齒數(shù) |
(N/mm2)0.27 |
σH
σHLim
σF
σFLim |
計算接觸應(yīng)力
試驗(yàn)齒輪的接觸疲勞極限
計算齒根應(yīng)力
試驗(yàn)齒輪的彎曲疲勞極限 |
N/mm2
N/mm2
N/mm2
N/mm2 |
β |
螺旋角 |
(°),rad |
εβ |
縱向重合度,εβ=bsinβ/πmn,εβ=μεΔε |
|
με |
縱向重合度的整數(shù)部分 |
|
Δε |
縱向重合度的尾數(shù)部分 |
|
ν1萌琉、ν2
ν40 |
小輪光樱、大輪的泊桑比
在40℃時潤滑油的名義運(yùn)動粘度 |
mm2/s(cSt) |
4基本計算公式
4.1齒面接觸強(qiáng)度計算
4.1.1強(qiáng)度條件
計算接觸應(yīng)力σH應(yīng)不大于許用接觸應(yīng)力σHP,即:
σH≤σHP……………………(1)
式中:σH——計算接觸應(yīng)力咧饭,N/mm2,見4.1.2條椿笤;
σHP——許用接觸應(yīng)力,N/mm2题禀,見4.1.3條;
或接觸強(qiáng)度的計算安全系數(shù)SH應(yīng)不小于接觸強(qiáng)度的最小安全系數(shù)SHmin膀捷,即:
SH≥SHmin………………(2)
式中:SH——接觸強(qiáng)度的計算安全系數(shù)迈嘹,見4.1.4條;
SHmin——接觸強(qiáng)度的最小安全系數(shù)全庸,見附錄C(參考件)秀仲。
4.1.2計算接觸應(yīng)力σH
σ
H=

……………………(3)
式中:T
1——小齒輪的名義轉(zhuǎn)矩,N·mm壶笼,見5.1條神僵,對于人字齒輪T
1為0.5倍數(shù)的名義轉(zhuǎn)矩,

按單側(cè)齒寬計算覆劈;
KA——使用系數(shù)保礼,見5.2條;
KV——動載系數(shù)责语,見5.3條炮障;
K1——接觸跡間載荷分配系數(shù),見5.4條坤候;
KH2——接觸強(qiáng)度計算的接觸跡內(nèi)載荷分布系數(shù)胁赢,見5.5條;

——縱向重合度整數(shù)部分投篇;

——接觸跡系數(shù)欠杀,見5.6條;
ZE——接觸強(qiáng)度計算的彈性系數(shù)爸备,(N/mm2)0.27見5.7條讯策;
Zu——接觸強(qiáng)度計算的齒數(shù)比系數(shù),見5.8條贵郎;

——接觸強(qiáng)度計算的螺旋角系數(shù)职靴,見5.9條;
Za——接觸弧長系數(shù)蒂轨,見5.10條欲广;

——小齒輪齒數(shù);
mn——法向模數(shù),mm繁触。
公式(3)轉(zhuǎn)換名義轉(zhuǎn)矩T1的表達(dá)式見附錄B(補(bǔ)充件)栓稻。
4.1.3許用接觸應(yīng)力σHP
許用接觸應(yīng)力對于大、小齒輪應(yīng)分別計算句惯。
σ
HP=

……………………(4)
式中:

——試驗(yàn)齒輪的接觸疲勞極限土辩,N/mm
2,見5.13條抢野;

——接觸強(qiáng)度計算的壽命系數(shù)拷淘,見5.14條。

——潤滑劑系數(shù)指孤,見5.15條启涯;

——速度系數(shù),見5.16條恃轩。
4.1.4接觸強(qiáng)度的計算安全系數(shù)SH
S
H=

………………(5)
4.2輪齒彎曲強(qiáng)度計算
4.2.1強(qiáng)度條件
計算齒根應(yīng)力σF應(yīng)不大于許用齒根應(yīng)力σFP结洼,即:
σF≤σFP………………(6)
或彎曲強(qiáng)度的計算安全系數(shù)SF應(yīng)不小于彎曲強(qiáng)度的最小安全系數(shù)SFmin,即:
SF≥SFmin……………………(7)
式中:σF——計算齒根應(yīng)力叉跛,N/mm2松忍,見4.2.2條;
σFP——許用齒根應(yīng)力筷厘,N/mm2鸣峭,見4.2.3條;
SF——彎曲強(qiáng)度的計算安全系數(shù)土汽,見4.2.4條迟伤;
SFmin——彎曲強(qiáng)度的最小安全系數(shù),見附錄C级衅。
4.2.2計算齒根應(yīng)力σF
計算齒根應(yīng)力對于大娘型、小齒輪應(yīng)分別計算。
σ
F=

……………………(8)
式中:

——彎曲強(qiáng)度計算的接觸跡內(nèi)載荷分布系數(shù)笑诫,見5.5條铝矢;

——彎曲強(qiáng)度計算的彈性系數(shù),(N/mm
2)
0.14咽行,見5.7條跪消;

——彎曲強(qiáng)度計算的齒數(shù)比系數(shù),見5.8條差讼;

——彎曲強(qiáng)度計算的螺旋角系數(shù)准魁,見5.9條;

——齒形系數(shù)赫斥,對于大卤竭、小齒輪應(yīng)分別確定沪么,見5.11條;

——齒端系數(shù)锌半,見5.12條禽车;

和m
n的意義同式(3)的說明。
公式(8)轉(zhuǎn)換為名義轉(zhuǎn)矩T1的表達(dá)式見附錄B刊殉。
4.2.3許用齒根應(yīng)力σFP
許用齒根應(yīng)力σFP對于大殉摔、小齒輪應(yīng)分別計算。
σ
FP=

……………………(9)
式中:

——試驗(yàn)齒輪的彎曲疲勞極限记焊,N/mm
2逸月,見5.13條;

——彎曲強(qiáng)度計算的壽命系數(shù)遍膜,見5.14條彻采;

——尺寸系數(shù),見5.17條捌归。
4.2.4彎曲強(qiáng)度的計算安全系數(shù)SF
S
F=

………………(10)
5載荷、有關(guān)系數(shù)和疲勞極限
5.1小齒輪的名義轉(zhuǎn)矩T1
T
1=9549×10

………………(11)
式中:P1——小齒輪傳遞的名義功率岭粤,kW惜索;
n1——小齒輪的轉(zhuǎn)速,r/min惰衬。
5.2使用系數(shù)KA
使用系數(shù)是考慮由于嚙合外部因素引起的動力過載影響的系數(shù)铡碧。這種過載取決于原動機(jī)和工作機(jī)的載荷特性、傳動零件的質(zhì)量比羔题、聯(lián)軸器類型以及運(yùn)行狀況愧蔬。使用系數(shù)最好是通過實(shí)測或?qū)鲃酉到y(tǒng)的全面分析來確定。如缺乏這種資料時鉴何,可參考表2查取茴夯。
表2使用系數(shù)KA
原動機(jī)工作特性及其示例 |
工作機(jī)工作特性及其示例 |
均勻平穩(wěn) |
輕微振動 |
中等振動 |
強(qiáng)烈振動 |
如發(fā)電機(jī)、均勻傳動的帶式動輸機(jī)或板式動輸機(jī)矢妄、螺旋運(yùn)輸機(jī)屁茁、通風(fēng)機(jī)、輕型離心機(jī)汇氛、離心泵组伐、離心式空調(diào)壓縮機(jī) |
如不均勻傳動的帶式運(yùn)輸機(jī)或板式運(yùn)輸機(jī)、起重機(jī)回轉(zhuǎn)齒輪裝置呛靡、工業(yè)與礦用風(fēng)機(jī)硕帖、重型離心機(jī)、離心泵铅鲤、離心式空氣壓縮機(jī) |
如輪型球磨機(jī)划提、提升裝置、軋機(jī)、橡膠擠壓機(jī)腔剂、單缸活塞泵媒区、葉瓣式鼓風(fēng)機(jī)、糖業(yè)機(jī)械 |
如挖掘機(jī)掸犬、重型還需磨機(jī)袜漩、鋼坯初軋機(jī)、旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)湾碎、挖泥機(jī)宙攻、壓坯機(jī)、破碎機(jī)介褥、污水處理用離心泵座掘、泥漿泵 |
均勻平穩(wěn) |
1.00 |
1.25 |
1.50 |
≥1.75 |
如電動機(jī),均勻轉(zhuǎn)動的蒸汽輪機(jī)柔滔、燃汽輪機(jī) |
輕微振動 |
1.10 |
1.35 |
1.60 |
≥1.85 |
如蒸汽輪機(jī)驳疚,燃汽輪機(jī),經(jīng)常啟動的大電動機(jī) |
中等振動 |
1.25 |
1.50 |
1.75 |
≥2.00 |
如多缸內(nèi)燃機(jī) |
強(qiáng)烈振動 |
1.50 |
1.75 |
2.00 |
≥2.25 |
如單缸內(nèi)燃機(jī) |
注:①表中數(shù)值僅適用于在非共振區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)的齒輪裝置
②對于增速傳動浅腥,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)建議取表值的1.1倍贞触。
③對外部機(jī)械與齒輪裝置之間有撓性邊接時,通常KA值可適當(dāng)減小。
5.3動載系數(shù)KV
動載系數(shù)是考慮輪齒接觸跡在嚙合過程中的沖擊和由此引起齒輪副的振動而產(chǎn)生的內(nèi)部附加動載荷影響的系數(shù)。KV值可根據(jù)齒輪的圓周速度及平穩(wěn)性精度由圖1查取括享。
圖1動載系數(shù)KV
5.4接觸跡間載荷分配系數(shù)K1
接觸跡間載荷分配系數(shù)是考慮由于齒距誤差趾断、輪齒和軸系受載變形等引起載荷沿齒寬方向在各接觸跡之間分配不均的影響系數(shù)K1值可由圖2查取。
圖2接觸跡間載荷分配系數(shù)K1
5.5接觸跡內(nèi)載荷分布系數(shù)KH2、KF2
接觸跡內(nèi)載荷 分布系數(shù)是考慮由于齒面接觸跡位置沿齒高的偏移而引起應(yīng)力分布狀態(tài)改變對強(qiáng)度的影響系數(shù)。KH2及KF2值可按接觸精度由表3查取。
表3接觸跡內(nèi)載荷分布系數(shù)
精度等級 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
KH2 |
1.05 |
1.15 |
1.23 |
1.39 |
1.49 |
KF2 |
1.05 |
1.08 |
1.10 |
5.6接觸跡系數(shù)KΔε
接觸跡系數(shù)是考慮重合度尾數(shù)Δε對輪齒應(yīng)力的影響系數(shù)慧跋。當(dāng)Δε較大時,在相應(yīng)于Δε的齒寬部分又竞,即使在最不利的情況下冠秉,也有部分接觸跡參與承擔(dān)載荷,使輪齒應(yīng)力有所下降菲藏。推薦Δε=(0.25~0.4)视事。KΔε值可按Δε由圖3查取。當(dāng)齒端修薄時庆揩,應(yīng)根據(jù)減去齒端修薄長度后的有效齒長部分的Δε來查圖(當(dāng)20°<β°<25°時俐东,采用插值法查取)订晌。
圖3接觸跡系數(shù)KΔε
5.7彈性系數(shù)ZE虏辫、YE
彈性系數(shù)是考慮材料的彈性模量E及泊桑比ν對齒輪應(yīng)力影響的系數(shù)蚌吸。其值可按表4查取。
符號 |
單位 |
鍛鋼-鍛鋼 |
鍛鋼-鑄鋼 |
鍛鋼-球墨鑄鐵 |
其他材料 |
ZE |
(N/mm2)0.27 |
31.346 |
31.263 |
30.584 |
1.123E0.27 |
YE |
(N/mm2)0.14 |
2.079 |
2.076 |
2.053 |
0.370E0.14 |
表中E計算式:
E=2/ ………………(12)
5.8齒數(shù)比系數(shù)Zu砌庄、Yu
齒數(shù)比系數(shù)是考慮不同齒數(shù)比具有不同的齒面相對曲率半徑羹唠,從面影響輪齒應(yīng)力的系數(shù)。其值可按圖4查取或按圖中公式計算
圖4齒數(shù)比系數(shù)Zu娄昆、Yu
5.9螺旋角系數(shù)Zβ佩微、Yβ
螺旋角系數(shù)是考慮螺旋角影響齒面相對曲率半徑,從面影響輪齒應(yīng)力的系數(shù)萌焰。其值可按圖5查取哺眯,或按圖中公式計算。
圖5螺旋角系數(shù)Zβ篱瀑、Yβ
5.10接觸弧長系數(shù)Za
接觸弧長系數(shù)是考慮齒面接觸弧的有效工作長度對齒面接觸應(yīng)力影響的系數(shù)止槽。當(dāng)齒數(shù)比不等于1時,一個齒輪的上齒面和下齒面的接觸弧長不一樣送县。接觸弧長系數(shù)應(yīng)取兩個齒輪的平均值揍久,即Za=0.5(Za1+Za2),Za1和Za2值可按小齒輪和大齒輪的當(dāng)最齒數(shù) 和 查圖6桌偎。
圖6接觸弧長系數(shù)Za
5.11齒形系數(shù)YF
齒形系數(shù)是考慮由于輪齒幾何形狀對齒根應(yīng)力影響的系數(shù)迁耘。它是用折截面法計算得來的,已考慮了齒根應(yīng)力集中的影響收谭。YF值可根據(jù)當(dāng)量齒數(shù) 由圖7查取
圖7 齒形系數(shù)YF
5.12齒端系數(shù)YEnd
齒端系數(shù)是考慮接觸跡在齒輪端部時,端面以外沒有齒根來參與承擔(dān)彎曲力矩全僧,以致端部齒根應(yīng)力增大的影響系數(shù)旧败。對于未修端的齒輪,YEnd值可根據(jù)εβ(εβ=b/Px)由圖8查裙堋(當(dāng)β不是圖中值時暮孕,用插值法查取)许起。
對于齒端修薄齒輪十偶,YEnd=1,齒端修薄量ΔS=(0.01~0.04)mn园细。對于高精度齒輪取較小值惦积,低精度齒輪取較大值;對于大模數(shù)齒輪取較小值猛频,小模數(shù)齒輪取較大值狮崩。
齒端修薄長度(按齒寬方向度量)ΔL=Δε·Px(Px= Pxπmn/sinβ);當(dāng)兩端修薄時鹿寻,ΔL=0.5Δε·Px睦柴,齒時诽凌,Δε應(yīng)取較大值。
圖8齒端系數(shù)YEnd
圖9齒端修薄
5.13試驗(yàn)齒輪的疲勞極限σHLim坦敌、σFLim
疲勞極限是指某種材料的齒輪經(jīng)長期持續(xù)的重復(fù)載荷(接觸應(yīng)力循環(huán)基數(shù)No=5×107侣诵,彎曲應(yīng)力循環(huán)基數(shù)No=3×106)作用后,輪齒保持不破壞時的極限應(yīng)力狱窘。它可由齒輪的負(fù)荷動轉(zhuǎn)試驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)獲得杜顺。當(dāng)缺乏資料時,可參考圖10和圖11牧稳,根據(jù)材料和齒面硬度取值茫绅。鑄鋼、氮化鋼和球墨鑄鐵的疲勞極限見附錄A(補(bǔ)充件)闰袒。
當(dāng)材料咳综、工藝、熱處理性能良好時悴觅,可在區(qū)域圖的上半部取值霍执,否則在下音部取值,一般取中間值轰蜗。對于正删摸、反向傳動的齒輪或受對稱雙向彎曲的齒輪(如中間輪),應(yīng)將由圖中查得的彎曲疲勞極限值乘能0.7自葡。
圖10和圖11的試驗(yàn)條件為:節(jié)點(diǎn)線速度V=9.3m/s攀誓;礦物測潤滑,基運(yùn)動粘度為v40=100mm2/s恤仁。
圖10接觸疲勞極限σHLim
圖11彎曲疲勞極限σFLim
5.14壽命系數(shù)ZN坏榜、YN
壽命系數(shù)是考慮齒輪只要求有限壽命時,可以提高許用應(yīng)力的系數(shù)隆檀。對于有限壽命設(shè)計摇天,壽命系數(shù)可根據(jù)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)NL1)查圖12和圖13。
圖12當(dāng)調(diào)質(zhì)鋼和球墨鑄鐵的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)NL或NV≥5×107時恐仑,ZN=1泉坐;氮化鋼的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)NL或NV≥2×106時,ZN=1裳仆。圖13的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)NL或NV≥3×106時腕让,YN=1。
注:1)對于變載荷下工作的齒輪歧斟,在已知載荷時记某,應(yīng)根據(jù)當(dāng)量循環(huán)次數(shù)NV查圖。
圖12接觸強(qiáng)度計算的壽命系數(shù)ZN
圖13彎曲強(qiáng)度計算的壽命系數(shù)YN
5.15潤滑劑系數(shù)ZL
潤滑劑系數(shù)是考慮所用的潤滑油種類及粘度對齒面接觸應(yīng)力的影響系數(shù)构捡。其值可按圖14查取液南。
在相同工況條件下壳猜,圓弧齒輪的潤滑油粘度應(yīng)比漸開線齒輪高。通常低速重載傳動多采用320滑凉、400和460極壓工業(yè)齒輪油忿震,高速傳動多采用32號46號汽輪機(jī)油。
圖14潤滑劑系數(shù)ZL
5.16速度系數(shù)ZV
速度系數(shù)是考慮齒面間相對速度對齒面接觸應(yīng)力的影響系數(shù)二娄。其值可以按圖15查取肚浴。
圖15速度系數(shù)ZV
5.17尺寸系數(shù)Yx
尺寸系數(shù)是考慮實(shí)際齒輪模數(shù)大于試驗(yàn)齒輪模數(shù)而使材料強(qiáng)度降低的尺寸效應(yīng)。其值可按圖16查取苇恤。
圖16尺寸系數(shù)Yx
附錄A
鑄鋼淡碟、氮化鋼和球墨鑄鐵的疲勞極限
(補(bǔ)充件)
A1鑄鋼、氮化鋼和球墨鑄鐵的疲勞極限
圖A1接觸疲勞極限σHLim
圖A2彎曲疲勞極限σFLim
圖A3接觸疲勞極限σHLim氮化鋼
圖14 彎曲疲勞極限σFLim氮化鋼
氮化鋼齒輪齒芯部硬度≥300HBS供窝。
圖A5接觸疲勞極限σHLim球墨鑄鐵
圖A6彎曲疲勞限σFLim球墨鑄鐵
附錄B
公式(3)和(8)轉(zhuǎn)換為名義轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式
(補(bǔ)充件)
B1接觸強(qiáng)度
小齒輪的名義轉(zhuǎn)矩T1按式(B1)計算
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……………………(1)
式(B1)與正文的公式(3)等效一步,其符號意義及取值同公式(3)。σHP應(yīng)取大輪或小輪的小值代入式(B1)百涕。對于人字齒輪率满,( )按單側(cè)齒寬計,算得的T1值為單側(cè)齒寬的名義轉(zhuǎn)矩斩角。
B2彎曲強(qiáng)度
小齒輪的名義轉(zhuǎn)矩T1按式(B2)計算
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……………………(2)
式(B2)與正文的公式(8)等效夷呐,其符號意義及取值同公式(8)。σ
HP及Y
F分別按大伶丐、小齒輪確定悼做,σ
HP1/Y
F1和σ
HP2/Y
F2值,取其中的小值代入式(B2)哗魂。對于人字齒輪肛走,(

)按單側(cè)齒寬計,算得的T
1值為單側(cè)齒寬的名義轉(zhuǎn)矩啡彬。
附錄C
最小安全系數(shù)參考值
(參考件)
C1疲勞強(qiáng)度的最小安全系數(shù)
接觸強(qiáng)度的最小安全系數(shù)SHmin≥1.3,
彎曲強(qiáng)度的最小安全系數(shù)SFmin≥1.6羹与。
對于重要的齒輪傳動或動力參數(shù)掌握不夠準(zhǔn)確或質(zhì)量不夠穩(wěn)定的齒輪傳動故硅,可取更大的安全系數(shù)庶灿。