機(jī)械設(shè)計(jì)第五章齒輪傳動(dòng)7-11節(jié)

5.7漸開(kāi)線齒輪的加工方法一.仿形法

仿形法是在普通銑床上用軸向剖面形狀與被切齒輪齒槽形狀完全相同的銑刀切制齒輪的方法，如圖所示。銑完一個(gè)齒槽后，分度頭將齒坯轉(zhuǎn)過(guò)3600/z，再銑下一個(gè)齒槽，直到銑出所有的齒槽。銑直齒銑斜齒仿形法包括：銑削法、拉削法銑削法加工刀具：圓盤銑刀、指狀銑刀仿形法加工特點(diǎn)：①無(wú)須專用機(jī)床；②加工精度低、生產(chǎn)效率低。

加工方便易行，但精度難以保證。

由于漸開(kāi)線齒廓形狀取決于基圓的大小，而基圓半徑rb=(mzcosα)/2，故齒廓形狀與m、z、α有關(guān)。

欲加工精確齒廓，對(duì)模數(shù)和壓力角相同的、齒數(shù)不同的齒輪，應(yīng)采用不同的刀具，而這在實(shí)際中是不可能的。

生產(chǎn)中通常用同一號(hào)銑刀切制同模數(shù)、不同齒數(shù)的齒輪，

故齒形通常是近似的。

表中列出了1-8號(hào)圓盤銑刀加工齒輪的齒數(shù)范圍。即采用刀號(hào)制。表5-5銑刀刀號(hào)及其加工齒數(shù)范圍刀號(hào)1234567812-1314-1617-2021-2526-3435-5455-134135以上刀號(hào)12345678加工齒數(shù)范圍加工不連續(xù)，生產(chǎn)效率低，不宜用于批量生產(chǎn)?？稍谄胀ㄣ姶采霞庸ぃ恍鑼Ｓ脵C(jī)床。這種方法適用于單件生產(chǎn)而且精度要求不高的齒輪加工。二.展成法

展成法是利用一對(duì)齒輪無(wú)側(cè)隙嚙合時(shí)

兩輪的齒廓互為包絡(luò)線的原理加工齒輪的。

加工時(shí)刀具與齒坯的運(yùn)動(dòng)就像

一對(duì)互相嚙合的齒輪，

最后刀具將齒坯切出漸開(kāi)線齒廓。展成法切制齒輪常用的刀具有三種：

（1）齒輪插刀

是一個(gè)齒廓為刀刃的外齒輪；（2）齒條插刀

是一個(gè)齒廓為刀刃的齒條；（3）齒輪滾刀

像梯形螺紋的螺桿，軸向剖面齒廓為精確的直線齒廓，滾刀轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)相當(dāng)于齒條在移動(dòng)?？梢詫?shí)現(xiàn)連續(xù)加工，生產(chǎn)率高。1.插齒加工

加工方法有：插齒和滾齒插直齒插斜齒2.滾齒加工

滾直齒滾斜齒

用展成法加工齒輪時(shí)，

只要刀具與被切齒輪的模數(shù)和壓力角相同，

不論被加工齒輪的齒數(shù)是多少，

都可以用同一把刀具來(lái)加工，

這給生產(chǎn)帶來(lái)了很大的方便，因此展成法得到了廣泛的應(yīng)用。

展成法的特點(diǎn)

思考題（兼作習(xí)題）

現(xiàn)有4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)齒輪：

1)m1=4mm,z1=25；

2)m2=4mm,z2=50；

3)m3=3mm,z3=60；

4)m4=2.5mm,z4=40。

試問(wèn)：

1）哪兩個(gè)齒輪的漸開(kāi)線形狀相同？

2）哪兩個(gè)齒輪能正確嚙合？

3）哪兩個(gè)齒輪能用同一把滾刀制造?

4）哪兩個(gè)齒輪能用同一把銑刀加工？此題要用的公式：

d=m·z

db=

d·cos

α

d分度圓直徑db基圓直徑

α

分度圓壓力角此題要用的知識(shí)點(diǎn)

1）哪兩個(gè)齒輪的漸開(kāi)線形狀相同？漸開(kāi)線形狀取決于什么？基圓與什么直接關(guān)聯(lián)？基圓大小分度圓大小

2）哪兩個(gè)齒輪能正確嚙合？

需要兩個(gè)齒輪的模數(shù)與壓力角分別相同

3）哪兩個(gè)齒輪能用同一把滾刀制造?

也需要兩個(gè)齒輪的模數(shù)與壓力角分別相同

4）哪兩個(gè)齒輪能用同一把銑刀加工？

需要兩個(gè)齒輪的模數(shù)相同的條件下，

齒數(shù)要接近，在一個(gè)刀號(hào)的范圍內(nèi)。

刀號(hào)1234567812-1314-1617-2021-2526-3435-5455-134135以上刀號(hào)12345678加工齒數(shù)范圍1.根切現(xiàn)象

用展成法加工齒輪時(shí)，若刀具的齒頂線（或齒頂圓）超過(guò)理論嚙合線極限點(diǎn)N時(shí)，被加工齒輪齒根附近的漸開(kāi)線齒廓將被切去一部分，這種現(xiàn)象稱為根切（如圖所示）。

根切使齒輪的抗彎強(qiáng)度削弱、承載能力降低、嚙合過(guò)程縮短、傳動(dòng)平穩(wěn)性變差，因此應(yīng)避免根切。5.8漸開(kāi)線齒廓的根切現(xiàn)象與最小齒數(shù)

根切的危害

①切掉部分齒廓；②削弱齒根強(qiáng)度；③降低重合度。如圖所示為齒條插刀加工標(biāo)準(zhǔn)外齒輪的情況，齒條插刀的分度線與齒輪的分度圓相切。要使被切齒輪不產(chǎn)生根切，刀具的齒頂線不得超過(guò)極限嚙合點(diǎn)N。2.標(biāo)準(zhǔn)外齒輪的最少齒數(shù)

模數(shù)一定時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)刀具的齒頂高也一定，即刀具的齒頂線位置一定，所以要使刀具的齒頂線不得超過(guò)極限嚙合點(diǎn)N，就必須改變N點(diǎn)的位置。如圖，N點(diǎn)位置與被切齒輪的基圓半徑有關(guān)?；鶊A半徑越小，N點(diǎn)越靠近節(jié)點(diǎn)C，產(chǎn)生根切的可能性越大。又被切齒輪的模數(shù)和壓力角與刀具的相同，所以是否會(huì)產(chǎn)生根切取決于被切齒輪齒數(shù)的多少。rb=

rcosa=(mzcosa)/22.標(biāo)準(zhǔn)外齒輪的最少齒數(shù)

實(shí)際應(yīng)用中，為了使齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)緊湊，允許有少量根切，可取Zmin=141.常見(jiàn)的失效形式

機(jī)械零件由于強(qiáng)度、剛度、耐磨性和振動(dòng)穩(wěn)定性等因素不能正常工作時(shí)，稱為失效。機(jī)械零件在變應(yīng)力作用下引起的破壞稱為疲勞破壞，機(jī)械零件抵抗疲勞破壞的能力稱為疲勞強(qiáng)度。齒輪傳動(dòng)的失效主要是輪齒的失效。其失效形式有：輪齒折斷：輪齒象一個(gè)懸臂梁，受載后齒根部

產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力最大。當(dāng)該應(yīng)力值超過(guò)材料的彎曲疲勞極限時(shí)，齒根處產(chǎn)生疲勞裂紋，并不斷擴(kuò)展使輪齒斷裂。此外，突然過(guò)載、嚴(yán)重磨損及安裝制造誤差等也會(huì)造成輪齒折斷。提高輪齒抗折斷能力的措施：增大齒根圓角半徑，消除加工刀痕以降低齒根應(yīng)力集中；增大軸及支承物的剛度以減輕局部過(guò)載的程度；對(duì)輪齒進(jìn)行表面處理以提高齒面硬度。5.9齒輪常見(jiàn)的失效形式與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則(a)疲勞裂紋(b)局部折斷圖

輪齒折斷齒面磨損：灰塵、砂粒、金屬微粒等落入輪齒間，會(huì)使齒面間產(chǎn)生摩擦磨損。嚴(yán)重時(shí)會(huì)因齒面減薄過(guò)多而折斷。磨損是開(kāi)式傳動(dòng)的主要失效形式。主要措施：采用閉式傳動(dòng)；提高齒面硬度；降低齒面粗糙度；采用清潔的潤(rùn)滑油。常發(fā)生于開(kāi)式齒輪傳動(dòng)。相對(duì)滑動(dòng)+硬顆粒(灰塵、金屬屑末等)潤(rùn)滑不良+表面粗糙。正確齒形被破壞、傳動(dòng)不平穩(wěn),齒厚減薄、抗彎能力↓→折斷現(xiàn)象：金屬表面材料不斷減小4.齒面磨粒磨損原因后果齒面點(diǎn)蝕：輪齒工作面某一固定點(diǎn)受到近似脈動(dòng)的變應(yīng)力作用，由于疲勞而產(chǎn)生的麻點(diǎn)狀剝蝕損傷的現(xiàn)象。

點(diǎn)蝕是閉式傳動(dòng)常見(jiàn)的失效形式。

開(kāi)始齒輪由于磨損很少出現(xiàn)點(diǎn)蝕。

點(diǎn)蝕首先出現(xiàn)在節(jié)線附近。主要措施：提高齒面硬度；降低齒面粗糙度；

增大潤(rùn)滑油粘度；采用合理變位。點(diǎn)蝕一般首先出現(xiàn)在節(jié)線附近靠近齒根處原因？a、節(jié)線處相對(duì)滑動(dòng)速度低難于形成油膜；b、節(jié)線處是單對(duì)齒嚙合；齒面膠合：高速重載傳動(dòng)中，齒面間壓力大，瞬時(shí)溫度高，潤(rùn)滑油模被破壞，齒面間會(huì)發(fā)生粘接在一起的現(xiàn)象，在輪齒表面沿滑動(dòng)方向出現(xiàn)條狀傷痕，稱為膠合。防止膠合的措施：提高齒面硬度；降低齒面粗糙度；增大潤(rùn)滑油粘度；限制油溫。(a)示意圖(b)實(shí)物圖

齒面膠合塑性變形：重載且摩擦力很大時(shí)，齒面較軟的輪齒表面就會(huì)沿摩擦力方向產(chǎn)生塑性變形。措施：提高齒面硬度；增大潤(rùn)滑油粘度。主動(dòng)齒輪齒面所受摩擦力背離節(jié)線，齒面在節(jié)線附近下凹；從動(dòng)齒輪齒面所受摩擦力指向節(jié)線，齒面在節(jié)線附近上凸。5.齒面塑性流動(dòng)齒面較軟時(shí)，重載下，齒面摩擦力過(guò)大

——材料塑性流動(dòng)（流動(dòng)方向沿摩擦力方向）該失效主要出現(xiàn)在低速重載、頻繁啟動(dòng)和過(guò)載場(chǎng)合。滾壓塑變錘擊塑變齒面塑性變形1）提高齒面硬度2）采用高粘度的潤(rùn)滑油或加極壓添加劑改善措施：齒輪破壞實(shí)例一：

東方紅33號(hào)輪上的齒輪減速器，齒輪為軟齒面。其齒面既有點(diǎn)蝕破壞，又有齒輪折斷，說(shuō)明齒輪的破壞不是單獨(dú)的一種，有時(shí)有幾種破壞同時(shí)存在。又如車輛廠用的起重機(jī)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中的齒輪有膠合和塑性變形同時(shí)存在。齒輪破壞實(shí)例二：

沙市裝卸公司，1976年設(shè)計(jì)5t浮吊，旋轉(zhuǎn)大齒輪失效。第一次輪齒斷裂，原因是輪齒材料內(nèi)有空氣泡。第二次由于齒輪橢圓度太大，造成整個(gè)輪齒斷裂。齒輪破壞實(shí)例三：

開(kāi)式齒輪一般在塵砂較大的場(chǎng)合工作，通常主要是磨損，而不會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)蝕，因?yàn)楫?dāng)產(chǎn)生裂紋時(shí)，早有磨粒將裂紋磨掉，如水泥機(jī)械中的開(kāi)式傳動(dòng)。但是像武漢標(biāo)準(zhǔn)件廠制造螺栓的開(kāi)式齒輪傳動(dòng)，它是安放在廠房里的，也有油潤(rùn)滑，在這種齒輪上，仍然出現(xiàn)點(diǎn)蝕破壞，而不磨損。這是因?yàn)槟p較少，點(diǎn)蝕破壞仍然是主要的。齒輪傳動(dòng)實(shí)例2.設(shè)計(jì)準(zhǔn)則對(duì)于閉式齒輪傳動(dòng)：1）軟齒面（≤350HBS）齒輪主要失效形式是齒面點(diǎn)蝕，故可按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核。2）硬齒面（>350HBS）或鑄鐵齒輪，由于抗點(diǎn)蝕能力較高，輪齒折斷的可能性較大，故可按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，按齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核。對(duì)于開(kāi)式齒輪傳動(dòng)中的齒輪，齒面磨損為其主要失效形式，故通常按照齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，確定齒輪的模數(shù)，考慮磨損因素，再將模數(shù)增大10%——20%，而無(wú)需校核接觸強(qiáng)度。二、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：閉式傳動(dòng)軟齒面

按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)按輪齒彎曲疲勞強(qiáng)度校核硬齒面分別按輪齒彎曲疲勞強(qiáng)度和齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，取兩者中的較大模數(shù)開(kāi)式（半開(kāi)）傳動(dòng)按輪齒彎曲疲勞強(qiáng)度條件性設(shè)計(jì)，加大模數(shù)10~15%工作條件設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)準(zhǔn)則主要失效點(diǎn)蝕斷齒、點(diǎn)蝕保證齒面有足夠的接觸疲勞強(qiáng)度保證齒面有足夠的接觸疲勞強(qiáng)度和輪齒有足夠的彎曲疲勞強(qiáng)度磨損—斷齒保證齒面有足夠的抗磨損能力和輪齒有足夠的彎曲疲勞強(qiáng)度高速、重載膠合保證齒面有足夠的抗膠合能力進(jìn)行抗膠合能力計(jì)算或進(jìn)行熱平衡計(jì)算選擇齒輪材料的基本要求：

齒面要硬，齒芯要韌。

5.10齒輪的常用材料

及許用應(yīng)力

由輪齒的失效分析可知，齒輪材料的基本要求：齒面硬、齒芯韌

(1)齒面應(yīng)有足夠的硬度，以抵抗齒面磨損、點(diǎn)蝕、膠合以及塑性變形等；(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)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。最常用的齒輪材料是鋼．此外還有鑄鐵及一些非金屬材料等。1.齒輪材料的基本要求

調(diào)質(zhì)鋼45、鍛鋼滲碳鋼40Cr、

鋼氮化鋼20CrMnTi

金屬鑄鋼ZG310-570

鑄鐵HT250、QT500-5

非金屬：夾布塑膠尼龍1．鍛鋼

鍛鋼因具有強(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。

(1)軟齒面齒輪：齒面硬度<350HBS，

常用中碳鋼和中碳合金鋼，如45鋼．40Cr，35SiMn等材料，進(jìn)行調(diào)質(zhì)或正火處理。這種齒輪適用于強(qiáng)度。

精度要求不高的場(chǎng)合，輪坯經(jīng)過(guò)熱處理后進(jìn)行插齒或

滾齒加工，生產(chǎn)便利、成本較低。

2.齒輪的常用材料

及熱處理這是因?yàn)樾↓X輪受載荷次數(shù)比大齒輪多，且小齒輪齒根較?。?/p>

為使兩齒輪的輪齒接近等強(qiáng)度，小齒輪的齒面要比大齒輪的齒面硬一些。相嚙合的兩齒輪比較而言，硬度如何？在確定大．小齒輪硬度時(shí)應(yīng)注意使

小齒輪的齒面硬度比大齒輪的齒面硬度

高30～50HBS

齒輪常用材料及許用應(yīng)力

一、常用的齒輪材料選擇齒輪材料的基本要求：齒面要硬，齒芯要韌。1.鋼使用廣泛，可通過(guò)熱處理改善機(jī)械性能。適合于高速、重載及精密機(jī)械（如精密機(jī)床、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等）。（1）鍛鋼：軟齒面齒輪（HBS≤350）硬齒面齒輪（HBS＞350）（2）鑄鋼：用于尺寸較大的齒輪，需正火、退火以消除鑄造應(yīng)力，強(qiáng)度稍低。2.鑄鐵韌性塑性較差、機(jī)械強(qiáng)度、抗沖擊和耐磨性較差，但抗膠合和點(diǎn)蝕能力較強(qiáng)。用于工作平穩(wěn)、低速和小功率場(chǎng)合。3.非金屬材料適于高速、輕載和精度不高的傳動(dòng)。噪音較低，無(wú)需潤(rùn)滑。

齒輪常用材料及許用應(yīng)力二、齒輪材料的選擇原則●須根據(jù)不同的工作條件選用不同的齒輪材料；●應(yīng)考慮齒輪尺寸大小、毛坯成型方式及熱處理和制造工藝；●正火碳鋼用于載荷平穩(wěn)或輕度沖擊下工作的齒輪；●調(diào)質(zhì)鋼用于中等沖擊載荷下工作的齒輪?！窈辖痄撚糜诟咚?、重載及在沖擊載荷下工作的齒輪。配對(duì)齒輪的齒面硬度配合●軟齒面←→軟齒面；●軟齒面←→硬齒面；●硬齒面←→硬齒面。

2．鑄鋼

當(dāng)齒輪的尺寸較大(大于400一600mm)而不便于鍛造時(shí)．可用鑄造方法制成鑄鋼齒坯，再進(jìn)行正火處理以細(xì)化晶粒。

3．鑄鐵

低速、輕載場(chǎng)合的齒輪可以制成鑄鐵齒坯。當(dāng)尺寸大于500mmm時(shí)可制咸大齒圈，或制成輪輻式齒輪。(2)硬齒面齒輪

硬齒面齒輪的齒面硬度大于350HBS，常用的材料為中碳鋼或中碳合金鋼經(jīng)表面淬火處理。齒輪材料選擇實(shí)例一：

選材料時(shí)要盡量不用合金鋼，有些合