機械設(shè)計課件：第2章 齒輪傳動

1、第2章 齒輪傳動1 . 概述2 . 漸開線齒輪傳動參數(shù)和幾何計算3. 齒輪傳動的載荷和應力4 . 齒輪傳動的失效分析5. 齒輪常用材料和熱處理6. 齒輪傳動的設(shè)計準則7. 齒輪傳動的計算載荷8. 齒輪強度計算9. 其他設(shè)計保證1 概述 齒輪傳動示例1 直齒圓柱齒輪2 斜齒圓柱齒輪3 直齒圓錐齒輪4 人字齒輪5 交錯軸斜齒輪6 齒條7 內(nèi)齒輪8 斜齒圓錐齒輪9 曲齒圓錐齒輪10 螺旋齒輪12365410987汽車變速器 機器人關(guān)節(jié) 齒輪傳遞行星齒輪微型行星齒輪減速器 齒輪軸 齒輪傳動的特點傳遞兩軸之間的運動和動力功率：幾瓦-幾百千瓦速度齒輪直徑 幾毫米-幾米效率高可靠、壽命長恒定傳動比結(jié)構(gòu)緊湊制

2、造、安裝精度要求高振動、噪聲大不適于中心距大的場合應用非常廣泛重要傳動零件齒輪傳動分類用于平行軸間傳動的齒輪傳動螺旋齒輪傳動蝸輪蝸桿傳動外嚙合齒輪傳動內(nèi)嚙合齒輪傳動齒輪齒條傳動用于相交軸間的齒輪傳動用于交錯軸間的齒輪傳動直齒輪傳動斜齒輪傳動人字齒輪傳動圓錐齒輪傳動直齒斜齒曲齒齒輪傳動的主要類型按齒廓曲線的形狀漸開線齒輪擺線齒輪圓弧齒輪按齒輪傳動是否封閉開式齒輪傳動閉式齒輪傳動齒輪傳動的主要類型半開式齒輪傳動按齒輪齒面硬度硬齒面齒輪傳動軟齒面齒輪傳動分類漸開線擺線圓弧閉式(箱體內(nèi)，重要場合）開式（露天，低速）半開式平行軸相交軸交錯軸直齒斜齒人字齒曲線齒軟齒面硬齒面圓柱圓錐按一對齒輪傳動的角速比是

3、否恒定分定傳動比 (即i12常數(shù)) 傳動的齒輪機構(gòu)(圓形齒輪機構(gòu)) （circular Gear) 。變傳動比(即i12常數(shù)）傳動的齒輪機構(gòu)(非圓形齒輪機構(gòu)) (Non-circular Gear) 。 齒輪傳動的主要類型橢圓齒輪機構(gòu)對數(shù)螺線非圓齒輪機構(gòu)學習內(nèi)容直齒圓柱齒輪傳動斜齒圓柱齒輪傳動直齒圓錐齒輪傳動設(shè)計方法 圓柱齒輪2. 漸開線齒輪傳動參數(shù)和幾何計算直齒斜齒圓錐齒輪直齒螺旋角正常齒制圓錐齒輪短齒制頂隙側(cè)隙傳動比、齒數(shù)比1主動輪2從動輪直齒圓柱齒輪基本參數(shù)齒數(shù) 模數(shù)齒寬變位系數(shù)分度圓壓力角齒頂高系數(shù)頂隙系數(shù)標準齒輪傳動正確嚙合條件模數(shù)相等分度圓壓力角相等斜齒圓柱齒輪基本參數(shù)齒數(shù) 法向模

4、數(shù)端面模數(shù)齒寬變位系數(shù)分度圓法向壓力角齒頂高系數(shù)頂隙系數(shù)分度圓螺旋角標準齒輪傳動當量直齒輪正確嚙合條件模數(shù)相等分度圓壓力角相等螺旋角大小相等，方向相反法面直齒圓錐齒輪基本參數(shù)大端模數(shù)大端分度圓直徑分錐角軸角齒頂高系數(shù)頂隙系數(shù)標準齒輪傳動正確嚙合條件模數(shù)相等分度圓壓力角相等分錐角之和等于軸角分錐角軸角當量直齒輪模數(shù) (mm)直齒圓柱齒輪傳動斜齒圓柱齒輪傳動直齒圓錐齒輪傳動大端法向齒形角（壓力角）法向大端正確嚙合條件法向直齒錐齒輪大端斜齒輪當量齒數(shù)直齒圓柱齒輪傳動斜齒圓柱齒輪傳動直齒圓錐齒輪傳動幾何計算表2-5 表2-6 斜齒輪直齒錐齒輪標準值-標準中心距-無齒側(cè)間隙圓整變位高度變位齒輪傳動角度變

5、位齒輪傳動正傳動負傳動避免根切提高強度湊中心距精度等級1 12 （常用69級） 高 低三個公差組 （，） 運動準確性誤差 影響運動平穩(wěn)性誤差 影響載荷分布均勻性誤差 影響側(cè)隙的誤差 齒的種類 傳動種類齒面硬度HBS齒輪精度等級3,4,56789直齒圓柱齒輪3501218126435010151053圓錐齒輪35071074335069632.5斜齒及曲齒圓柱齒輪35025362512835020302096圓錐齒輪3501624169635013191376圓周速度3. 齒輪傳動的載荷和應力直齒圓柱齒輪傳動斜齒圓柱齒輪傳動直齒圓錐齒輪傳動分析齒輪傳動受力時 沿齒寬的法向力均勻分布 忽略摩擦力2

6、1nno1o2E1E2Ck節(jié)點節(jié)圓節(jié)圓嚙合線rb1rb20.55Pb0.45Pb0.45PbPbPb單齒嚙合區(qū)雙齒嚙合區(qū)雙齒嚙合區(qū)122312N2N1PB1B31B41.45PbB22對齒嚙合1對齒嚙合齒輪嚙合過程從動輪齒頂節(jié)點非節(jié)點 嚙合點力作用點嚙合線節(jié)點摩擦力法向力 沿齒寬均勻分布忽略徑向力：分別指向輪心切向力：主動輪與旋轉(zhuǎn)方向相反 從動輪與旋轉(zhuǎn)方向相同5.1 直齒圓柱齒輪傳動的受力分析Flash動畫方向小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩小齒輪節(jié)圓嚙合角力的大小5.2 斜齒圓柱齒輪傳動的受力分析動畫 徑向力：分別指向輪心切向力：主動輪與旋轉(zhuǎn)方向相反 從動輪與旋轉(zhuǎn)方向相同軸向力：右手法則（主動輪） 受力面判

7、斷法方向斜齒人字齒力的大小 n2Fa1Fa2Fa3斜 齒 圓 柱 齒 輪 傳 動 的 受 力 分 析 :軸上的軸向力=Fa2+Fa3軸上的兩個齒輪的旋向相反；軸的軸向力不能抵消軸上的軸向力=Fa2-Fa3n2Fa1Fa2Fa3軸上的兩個齒輪的旋向相同；斜 齒 圓 柱 齒 輪 傳 動 的 受 力 分 析 :軸的軸向力互相抵消5.3 直齒圓錐齒輪傳動的受力分析受力分析 徑向力：分別指向輪心切向力：主動輪與旋轉(zhuǎn)方向相反 從動輪與旋轉(zhuǎn)方向相同軸向力：指向大端 Ft1 與 Ft2 是一對力 Fr1 與 F2 是一對力 Fa1 與 F2 是一對力方向平均分度圓直徑大端參數(shù)取標準值強度計算的依據(jù)為齒寬中點處

8、的當量齒輪力的大小使軸上的軸向力盡量的小，求齒輪3、4的旋向；Fa1Fa2Fa3Fa4受 力 分 析 ：Fa1Fa2Fa3Fa4Fr1Ft1Ft2Fr2Fr3Fr4Ft3Ft4輪齒上的應力齒面接觸應力齒根彎曲應力4. 齒輪傳動的失效分析輪齒折斷齒面點蝕齒面膠合齒面磨損齒面塑性變形4.1 輪齒折斷(1)疲勞折斷 動畫-1 動畫-2 動畫-3(2)過載折斷(3)隨機折斷齒根彎曲疲勞折斷全齒折斷：常發(fā)生于齒寬較小的直齒輪局部折斷：常發(fā)生于齒寬較大的直齒輪和斜齒輪原因過載應力集中磨損偏載（加工誤差、安裝誤差）措施減小齒根應力集中 增大齒根過渡圓角半徑，消除加工刀痕受載均勻 增大軸及支承的剛性熱處理 齒

9、芯材料具有足夠韌性強化處理 噴丸、滾壓變位減小加工誤差、安裝誤差增大模數(shù)4. 2 齒面點蝕（齒面疲勞損傷）早期點蝕破壞性點蝕 點蝕動畫-點蝕機理 收斂性點蝕 擴展性點蝕 潤滑良好 靠近節(jié)線，相對滑動速度低，形成油膜的條件差，潤滑不良，摩擦力較大 （靠近節(jié)線處的齒根面抵抗點蝕的能力最差） 接觸疲勞強度最低開式齒輪，由于磨損較快，很少出現(xiàn)點蝕措施提高齒面硬度降低表面粗糙度粘度高的潤滑油（速度低時） 噴油潤滑（速度高時 ）加大綜合曲率半徑增大齒輪直徑 中心距 最易發(fā)生點蝕的位置3.3 齒面膠合熱膠合 冷膠合 嚴重的刮傷 溫度 咬死 措施提高齒面硬度降低表面粗糙度抗膠合能力強的潤滑油（硫化油）極壓添加

10、劑冷卻4.4 齒面磨損磨粒磨損 低速磨損腐蝕磨損磨粒磨損是開式齒輪傳動的主要失效形式 磨合跑合4.5 齒面塑性變形動畫講解主動輪塑性變形從動輪塑性變形塑性變形機理 措施提高輪齒齒面硬度高粘度潤滑油極壓添加劑潤滑油防止失效方法合理選配材料和硬度制造減小加工誤差、合理熱處理方式，減小表面粗糙度適當?shù)哪ズ希ㄅ芎希┦褂昧己脻櫥櫥瑒?、潤滑方法）合理設(shè)計參數(shù)5. 齒輪常用材料和熱處理鋼鑄鐵非金屬材料齒面硬表面熱處理齒心韌（1）鍛鋼優(yōu)質(zhì)碳素鋼： 45、合金鋼： 35SiMn、40Cr、20CrMnTi、鍛鋼因具有強度高、韌性好、便于制造、便于熱處理等優(yōu)點，大多數(shù)齒輪都用鍛鋼制造常用鍛鋼有兩大類（2）鑄鋼

11、 耐磨性和強度均較好，承載能力稍低于鍛鋼，當齒輪的尺寸較大(大于400一600mm)而不便于鍛造時可用鑄造方法制成鑄鋼齒坯，再進行正火處理以細化晶粒ZG310-570、 屈服極限強度極限常用于不宜鍛造的場合（3） 鑄鐵低速、輕載場合的齒輪可以制成鑄鐵齒坯。當尺寸大于500mmm時可制成大齒圈，或制成輪輻式齒輪HT300、HT350抗彎及耐沖擊性較差，主要用于低速、工作平穩(wěn)、傳遞功率不大和對尺寸與重量無嚴格要求的開式齒輪球墨鑄鐵 QT500-7 、 抗拉強度延伸率7%（4）非金屬夾布膠木尼龍、彈性模量小，在承受相同載荷的情況下，接觸應力低，但它的硬度、接觸強度和抗彎強度低。常用于高速、小功率、精

12、度不高或要求噪聲低的場合 軟齒面齒輪齒面硬度350HBS or 38HRC常用中碳鋼和中碳合金鋼，如45鋼40Cr，35SiMn等材料進行調(diào)質(zhì)或正火處理適用于強度。精度要求不高的場合，輪坯經(jīng)過熱處理后進行插齒或滾齒加工，生產(chǎn)便利、成本較低注意：小齒輪的齒面硬度比大齒輪的齒面硬度高30一50HBS，這是因為小齒輪受載荷次數(shù)比大齒輪多，且小齒輪齒根較薄為使兩齒輪的輪齒接近等強度，小齒輪的齒面要比大齒輪的齒面硬一些。硬齒面齒輪齒面硬度大于350HBS or 38HRC中碳鋼或中碳合金鋼，表面淬火處理 HRC4055低碳鋼或低碳合金鋼， 20Cr，20GrMnTi 表面滲碳、滲氮、碳氮共滲、淬火處理，

13、 HRC5662常用于高速、重載、精密傳動滿足工作條件的要求齒輪尺寸的大小正火碳鋼 平穩(wěn)載荷，輕度沖擊調(diào)制碳鋼中等沖擊合金鋼高速、重載、沖擊載荷飛行器高強度合金鋼配對兩輪齒面硬度差最小3050HBS，（冷作硬化），提高大齒輪接觸疲勞許用應力20%選擇原則：硬齒面結(jié)構(gòu)緊湊工藝復雜精度要求高軟齒面一般傳動工藝簡單齒輪常用材料及其機械性能 6. 齒輪傳動的設(shè)計準側(cè)輪齒折斷齒根的彎曲應力 齒根彎曲疲勞強度齒面點蝕齒面膠合齒面磨損齒面塑性變形齒面的接觸應力齒面接觸疲勞強度GB/T34801997齒根彎曲（提高模數(shù)）沒有行之有效的計算方法及設(shè)計數(shù)據(jù)（高速、大功率）靜強度齒輪傳動設(shè)計原則開式、閉式軟齒面（

14、） 硬齒面（ ）開式、硬齒面-彎曲閉式、軟齒面-接觸、彎曲閉式、硬齒面-彎曲、接觸疲勞強度影響實際載荷增大 的因素制造誤差嚙合齒對數(shù)變化材料彈性安裝不對稱溫升變形軸彈性，剛度箱體制造精度 剛度7. 齒輪傳動的計算載荷計算載荷計算載荷名義載荷使用系數(shù)動載荷系數(shù)齒間載荷分配系數(shù)齒向載荷分布系數(shù) 原動機及工作機性能的影響齒輪制造誤差（基節(jié)誤差、齒形誤差）同時嚙合齒對間載荷分配不均勻一對齒上，沿接觸線不能均勻分配（1）使用系數(shù)外部因素引起的附加載荷影響的系數(shù) 原動機、工作機、軸、聯(lián)軸器-工作特性 均勻平穩(wěn)、輕微沖擊、中等沖擊、嚴重沖擊查表 表2-7精密測量 （2） 動載荷系數(shù)制造與裝配誤差，輪齒的彈性

15、變形，存在基節(jié)誤差、齒形誤差，瞬時傳動比不是定值，從動齒輪產(chǎn)生角加速度，產(chǎn)生動載荷和沖擊；嚙合對數(shù)變化，輪齒嚙合剛度變化基節(jié)誤差產(chǎn)生的動載荷分析 瞬時傳動比變化慣性力動載荷齒輪精度節(jié)線速度查 圖2-6 措施提高制造精度減小齒輪直徑，降低圓周速度修緣齒（高速齒輪傳動、硬化的齒面）v ， Kv 制造精度、齒輪直徑d v ， Kv 制造精度 ，KV （3）齒間載荷分配系數(shù)表2-8GB/T34801997考慮同時嚙合的各對輪齒間載荷分配不均勻的影響 輪齒受載后變形，輪齒的制造誤差（基節(jié)誤差、齒廓修形、跑合效果）動畫-1 動畫-2表2-8 齒間載荷分配系數(shù)KH 、 KF 精度等級II組 5 6 7 8

16、5級及更低 KAFt / b 100 N/mm b2 （取圓整）4.螺旋角斜齒圓柱齒輪軟齒面齒輪接觸強度弱項彎曲強度強項接觸強度設(shè)計彎曲強度校核傳動平穩(wěn)性金屬切削量抗校核能力彎曲強度校核能力富余硬齒面齒輪、開式齒輪彎曲強度弱項接觸強度強項彎曲強度設(shè)計接觸強度校核接觸強度校核能力富余直徑直徑9. 其他設(shè)計保證1. 效率2. 潤滑3. 齒輪結(jié)構(gòu)9. 1 效率嚙合中的摩擦損失攪動潤滑油的油阻損失軸承的摩擦損失9. 2 潤滑浸油潤滑噴油潤滑油霧潤滑脂潤滑固體潤滑減小摩擦散熱減小振動、噪聲防銹彈性流體動壓潤滑開式半開式閉式脂潤滑浸油潤滑(3050) + ( 一個齒高 )用帶油輪帶油噴油潤滑在閉式齒輪傳動

17、當中當齒輪的圓周速度: v12 m/s 時,應采用噴油潤滑。9.3 齒輪結(jié)構(gòu)齒輪軸實心式輻板式輪輻式http:/products_list/&pmcId=c4dd5e61-aeea-46cd-a886-22a4b3cd872e.html齒輪軸如果圓柱齒輪齒根圓到鍵槽底面的徑向距離e2.5m(mn),則可將齒輪與軸做成一體稱為齒輪軸.當da 200mm,且x2.5m(mn),則可做成實心式實心式齒輪腹板式齒輪自由鍛圓柱齒輪自由鍛錐齒輪 當da 500mm時，為了減少質(zhì)量和節(jié)約材料，通常采用腹板式結(jié)構(gòu)da300mm(鍛造毛坯)da400mm(鍛造毛坯)輪輻式齒輪輪幅式鑄造齒輪da=4001000m

18、m,多采用輪輻式的鑄造結(jié)構(gòu)大直徑的齒輪, 為節(jié)省材料, 可采用鑲套式齒圈鑲套式齒輪焊接式齒輪單件生產(chǎn)而尺寸過大又不利于鑄造的齒輪，可采用焊接結(jié)構(gòu)齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計齒輪加工仿形法范成法仿形法 仿形法是在普通銑床上利用成形刀具直接加工出輪齒的方法。為了減少刀具的數(shù)量，規(guī)定銑刀在每一模數(shù)m下有八把刀具，加工齒數(shù)的范圍如下： 仿形法的優(yōu)缺點：（1）方便易行，可在普通銑床上加工；（2）間斷加工，生產(chǎn)率低，齒形誤差大。適用于單件生產(chǎn)或修配加工。范成法 范成法是在滾齒機、插齒機等專用機床上，用齒輪滾刀或齒輪插刀，并利用一對齒輪（或齒輪與齒條）相互嚙合時，兩輪的齒廓互為包絡(luò)線的原理加工出輪齒的方法。齒輪插刀 齒條

19、插刀 齒輪滾刀 范成法的優(yōu)缺點（1）只要刀具的模數(shù)和壓力角選定，一把刀具可以加工任何齒數(shù)的齒輪，所以給生產(chǎn)帶來很大方便；（2）齒形精確度高；（3）連續(xù)加工，故生產(chǎn)效率高；（4）需用專用機床加工，故生產(chǎn)成本較高。適用于批量生產(chǎn)漸開線齒輪的根切根切動畫分析避免根切的措施 齒數(shù)z17 斜齒圓柱齒輪傳動公法線長度測量 公法線千分尺 公法線千分尺的測量位置齒輪測量儀器齒圈徑向跳動測量 測量儀器：齒圈徑向跳動檢查儀 齒厚卡尺測量弦齒厚 周節(jié)儀 萬能測齒儀雙面嚙合檢查儀 雙嚙儀齒輪傳動的設(shè)計方法 選擇齒輪材料、熱處理方式、 精度等級 初選齒數(shù)、齒寬系數(shù)、螺旋角 根據(jù)強度條件初步計算出齒輪的分度圓直徑或模數(shù) 計算出齒輪的主要幾何尺寸 設(shè)計齒輪結(jié)構(gòu)，并繪制出零件工作圖根據(jù)齒輪工作情況，確定齒輪傳動的載荷選擇齒輪的材料，確定熱處理方式，齒面硬度選擇計算齒輪的齒數(shù)計算齒輪的許用/接觸或彎曲疲勞強度選擇強度設(shè)計公式確定有關(guān)有關(guān)參數(shù)（查表或圖）計算設(shè)計參數(shù)d,m及傳動主要尺寸確定齒輪的結(jié)構(gòu)形式及潤滑繪制零件工作圖進行強度校核普通齒輪工藝介紹具體工藝主要內(nèi)容如下：齒形加工主要方法普通齒輪工藝介紹其他加工齒形熱處理主要方法普通齒輪工藝介紹齒形精加工主要方法普通齒輪工藝介紹 齒輪精加工的新方法格 里 森