1、第八章 直齒圓柱齒輪傳動,第一節(jié) 齒輪傳動概述 第二節(jié) 齒廓嚙合的基本定律 第三節(jié) 漸開線齒廓及特性 第四節(jié) 漸開線標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱的主要參數(shù)與幾何尺寸 第五節(jié) 漸開線標(biāo)準(zhǔn)齒輪的嚙合 第六節(jié) 漸開線齒廓的加工方法與根切現(xiàn)象 第七節(jié) 齒輪傳動的失效形式及設(shè)計準(zhǔn)則 第八節(jié) 齒輪常用材料和齒輪傳動精度 第九節(jié) 漸開線標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪的受力分析及其計算載荷 第十節(jié) 漸開線標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪的強(qiáng)度計算 第十一節(jié) 齒輪轉(zhuǎn)動的潤滑,第一節(jié) 齒輪傳動概述,一、齒輪傳動的特點 齒輪機(jī)構(gòu)的主要優(yōu)點是: (1)適用的圓周速度和功率范圍廣. (2)傳動效率較高。 (3)瞬時傳動比穩(wěn)定。 (4)工作壽命較長。 (5)工作可靠

2、性較高。 (6)可實現(xiàn)平行軸、任意角相交軸或交錯軸之間的傳動等。,下一頁,返回,第一節(jié) 齒輪傳動概述,齒輪機(jī)構(gòu)的主要缺點是: (1)要求較高的制造和安裝精度.成本較高。 (2)要求專用的齒輪加工設(shè)備。 (3)不適宜遠(yuǎn)距離兩軸之間的傳動等。,上一頁,下一頁,返回,第一節(jié) 齒輪傳動概述,二、齒輪傳動的類型 齒輪傳動的類型有很多.通?？砂凑諆升X輪軸線的相對位置、齒輪嚙合的情況、齒廓曲線的形狀、齒輪傳動的工作條件及齒面的硬度等進(jìn)行分類。 1.按照齒輪軸線的相對位置分類 根據(jù)傳動過程中兩個齒輪軸線的相對位置.齒輪傳動可分為兩類:兩軸平行的平面齒輪機(jī)構(gòu)和兩軸不平行的空間齒輪機(jī)構(gòu)。平面齒輪機(jī)構(gòu)用于兩軸線平行

3、時的傳動.兩輪的相對運(yùn)動為平面運(yùn)動.平面齒輪機(jī)構(gòu)有直齒、斜齒和人字齒等三種. 空間齒輪機(jī)構(gòu)用于兩軸線相交時的傳動.兩輪的相對運(yùn)動為空間運(yùn)動.空間齒輪機(jī)構(gòu)有錐齒輪機(jī)構(gòu)、螺旋齒輪機(jī)構(gòu)、蝸桿傳動機(jī)構(gòu).,上一頁,下一頁,返回,第一節(jié) 齒輪傳動概述,2.按照齒輪嚙合的情況分類 根據(jù)齒輪傳動時兩個齒輪嚙合的情況.圓柱齒輪可分為外嚙合、內(nèi)嚙合及齒輪齒條嚙合。一對外嚙合的齒輪.它們的轉(zhuǎn)動方向相反. 而一對內(nèi)嚙合的齒輪.它們的轉(zhuǎn)動方向相同. 當(dāng)齒輪和齒條嚙合傳動時.齒輪轉(zhuǎn)動.而齒條作直線運(yùn)動. 本章主要討論外嚙合的齒輪傳動。,上一頁,下一頁,返回,第一節(jié) 齒輪傳動概述,3.按照齒廓曲線的形狀分類 按照齒輪輪齒的

4、齒廓曲線形狀.可分為漸開線齒輪傳動、圓弧齒輪傳動和擺線齒輪傳動等。其中漸開線齒輪能保證瞬時傳動比恒定不變.制造、安裝方便.應(yīng)用最廣泛。本章僅討論漸開線齒輪傳動。,上一頁,下一頁,返回,第一節(jié) 齒輪傳動概述,4.按照齒輪傳動的工作條件分類 根據(jù)齒輪傳動的工作條件不同.又可分為開式齒輪傳動和閉式齒輪傳動兩種。 開式齒輪傳動的齒輪完全外露.外界的灰塵和雜物等容易落人齒輪嚙合區(qū).且潤滑不良.易引起齒面磨損。因此.開式傳動多用于低速或低精度的場合。如水泥攪拌機(jī)中的齒輪、挖掘機(jī)中的齒輪等。 閉式齒輪傳動的齒輪安裝在具有足夠剛度的密封箱體內(nèi).密封條件好.易于保證良好的潤滑.使用壽命長。閉式齒輪傳動大多用于較

5、重要的傳動.如汽車變速箱中的齒輪、減速器中的齒輪等。,上一頁,下一頁,返回,第一節(jié) 齒輪傳動概述,5.按照齒面的硬度分類 按照齒面的硬度.齒輪傳動可分為軟齒面?zhèn)鲃雍陀昌X面?zhèn)鲃觾煞N。當(dāng)兩個齒輪的齒面硬度不大于350 HBS時.稱為軟齒面?zhèn)鲃?而當(dāng)兩個齒輪的齒面硬度大于350 HS時.稱為硬齒面?zhèn)鲃印?上一頁,下一頁,返回,第一節(jié) 齒輪傳動概述,三、齒輪傳動的基本要求 根據(jù)齒輪用于傳遞運(yùn)動和動力兩方面的用途.對齒輪傳動的基本要求也分為兩方面。 1.傳遞運(yùn)動要求傳動準(zhǔn)確、平穩(wěn) 要求齒輪傳動在運(yùn)動過程中瞬時傳動比恒定.避免在傳動過程中產(chǎn)生動載荷、沖擊、振動和噪聲.這與齒輪的齒廓形狀(基圓齒距誤差)、制

6、造精度和安裝精度等因素有關(guān)。 2.傳遞動力要求承載能力強(qiáng) 要求齒輪傳動在工作過程中有足夠的強(qiáng)度、剛度并能傳遞較大的動力.在規(guī)定的使用壽命期限內(nèi).不發(fā)生輪齒折斷、點蝕、膠合和過度磨損等失效。這與齒輪的材料、熱處理工藝和尺寸等因素有關(guān)。,上一頁,返回,第二節(jié) 齒廓嚙合的基本定律,一、傳動比 一對齒輪相互嚙合傳動時.兩個齒輪的瞬時角速度之比稱為瞬時傳動比. 輪廓曲線的形狀不同.則兩個齒輪的瞬時傳動比的變化規(guī)律也不同。它既可以是恒定不變的.也可以是變化的。對齒輪傳動來說最基本的要求之一就是其瞬時傳動比必須保持恒定不變.,下一頁,返回,第二節(jié) 齒廓嚙合的基本定律,二、齒廓嚙合的基本定律 一對相互嚙合齒輪

7、的瞬時傳動比.與連心線被兩齒廓在任一嚙合位置時的公法線所分成的兩線段的長度成反比該結(jié)論被稱為齒廓嚙合基本定律。,上一頁,下一頁,返回,第二節(jié) 齒廓嚙合的基本定律,三、共扼齒廓 凡能滿足齒廓嚙合基本定律的一對相互嚙合齒廓稱為共扼齒廓(也稱為共扼曲線)。雖然共扼齒廓有很多對.但實際應(yīng)用中.對共扼齒廓的約束很多.如設(shè)計理論、制造方法、安裝過程和使用條件等各方面的因素都約束了共扼齒廓的使用。因此.在機(jī)械傳動中常用的齒廓只有漸開線齒廓、圓弧齒廓和擺線齒廓.然而漸開線齒廓應(yīng)用最廣泛。,上一頁,返回,第三節(jié) 漸開線齒廓及特性,一、漸開線齒廓的形成及特性 1.漸開線的形成 圖8一1中的直線NK沿一圓周做純滾動

8、時.其上的任意一點K在其所在的平面上所形成的軌跡AK稱為這個圓的漸開線。該圓稱為漸開線AK的基圓. 直線NK稱為漸開線的發(fā)生線.從基圓圓心O到K點的長度稱為K點的向徑。,下一頁,返回,第三節(jié) 漸開線齒廓及特性,2.漸開線的特性 從漸開線形成的過程可以得知.漸開線的特性如下: (1)發(fā)生線上沿基圓滾過的長度NK等于基圓上被滾過的圓弧長度AN. (2)發(fā)生線NK是漸開線在任意點K的法線.同時也是基圓上N點的切線.NK的長度等于漸開線上K點的曲率半徑.N點是K點的曲率中心。 (3)漸開線上任意點K的法線與該點的速度方向線所夾的銳角ak稱為該點的壓力角. (4)漸開線的形狀與基圓的大小有關(guān). (5)從

9、漸開線的形成過程中可以看出.基圓以內(nèi)無法形成漸開線.,上一頁,下一頁,返回,第三節(jié) 漸開線齒廓及特性,二、漸開線齒廓的定比傳動原理 如圖82，在傳動過程中.由于兩齒輪的基圓大小和轉(zhuǎn)動中心的位置不變.兩輪的內(nèi)公切線的方向和位置也不變。所以不論兩齒廓在任何位置接觸.其接觸點的公法線都必將與連心線O1O2交于固定點P。由于P點的位置不變.所以O(shè)1P與O2P的長度也不變。根據(jù)嚙合基本定律.其傳動比為常數(shù)，所以.漸開線齒廓能保證定傳動比傳動。,上一頁,返回,第四節(jié) 漸開線標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱的主要參數(shù)與幾何尺寸,一、齒輪各部分名稱和5個主要參數(shù) 1.齒數(shù) 2.齒頂圓 3.齒根圓 4.基圓 5.齒厚和齒槽寬 6.

10、齒距,下一頁,返回,第四節(jié) 漸開線標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱的主要參數(shù)與幾何尺寸,7.分度圓、模數(shù)和壓力角 8.齒頂高、齒根高和全齒高 9.頂隙 10.基圓齒距 11.標(biāo)準(zhǔn)中心距和正確安裝傳動 12.傳動比 二、漸開線標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪幾何尺寸 漸開線標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪幾何尺寸計算如表8-1所列。,上一頁,返回,第五節(jié) 漸開線標(biāo)準(zhǔn)齒輪的嚙合,一、漸開線齒輪正確嚙合條件 前面已經(jīng)知道漸開線齒廓能實現(xiàn)定傳動比傳動.但這并不是說任何兩個漸開線齒輪都能裝配起來正確傳動.因為很明顯.大模數(shù)齒輪的輪齒無法與小模數(shù)齒輪的齒槽相匹配.那么一對漸開線齒輪要正確地嚙合傳動.應(yīng)該具備什么條件呢? 一對漸開線標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪傳動的正確

11、嚙合條件是:兩齒輪的模數(shù)和壓力角必須分別相等。,下一頁,返回,第五節(jié) 漸開線標(biāo)準(zhǔn)齒輪的嚙合,二、漸開線齒輪連續(xù)傳動的條件 為了保證一對漸開線齒輪能夠連續(xù)傳動.必須在前一對嚙合輪齒脫離嚙合之前.后一對輪齒進(jìn)入嚙合.否則傳動不能連續(xù)。,上一頁,返回,第六節(jié) 漸開線齒廓的加工方法與根切現(xiàn)象,一、齒輪齒廓加工方法 輪齒的加工方法很多.有鑄造法、熱軋法、模鍛法、沖壓法和切削加工法等。最常用的是切削加工法。輪齒的切削加工方法按其原理可分為仿形法和范成法兩類。 1.仿形法 仿形法是按照齒輪的形狀來制造齒輪。切削加工方法中的仿形法是用與齒輪齒槽形狀相同的圓盤銑刀或指狀銑刀。在普通銑床上將輪坯齒槽部分的材料逐一

12、銑掉。銑齒時.銑刀繞其軸線轉(zhuǎn)動.同時輪坯沿軸線方向進(jìn)給.當(dāng)銑完一個齒槽后.輪坯退回原處.然后用分度頭將它轉(zhuǎn)過360/z角度.再銑切第二個齒槽。這樣一個一個齒槽地銑削.直到銑完全部齒槽為止。,下一頁,返回,第六節(jié) 漸開線齒廓的加工方法與根切現(xiàn)象,2.范成法 范成法是利用一對齒輪無側(cè)隙嚙合傳動時.其共扼齒廓互為包絡(luò)線這一原理來加工齒輪。若把其中一個漸開線齒輪做成刀具.就可以切出另一個齒輪上與它共扼的漸開線齒廓. (1)齒輪插刀插齒 (2)齒條插刀插齒 (3)齒輪滾刀滾齒,上一頁,下一頁,返回,第六節(jié) 漸開線齒廓的加工方法與根切現(xiàn)象,二、根切現(xiàn)象和最少齒數(shù) 當(dāng)齒輪的模數(shù)一定時.齒輪的齒數(shù)z取得少.可

13、以減小齒輪機(jī)構(gòu)的尺寸和質(zhì)量。但用范成法加工漸開線齒輪時.對其最少齒數(shù)是有限制的:當(dāng)齒數(shù)少到一定程度后.會出現(xiàn)在被切齒輪靠近齒根處的漸開線齒廓被切去一部分.這種現(xiàn)象稱為根切現(xiàn)象. 產(chǎn)生根切的齒輪.不但削弱了輪齒的抗彎強(qiáng)度.而且重合度也減小了.這對傳動是極為不利的.應(yīng)設(shè)法避免根切現(xiàn)象.,上一頁,下一頁,返回,第六節(jié) 漸開線齒廓的加工方法與根切現(xiàn)象,三、變位齒輪簡介 標(biāo)準(zhǔn)齒輪雖有設(shè)計計算比較簡單、互換性較好等一系列優(yōu)點.但也存在許多不足之處。例如.為了避免加工時發(fā)生根切.標(biāo)準(zhǔn)齒輪的齒數(shù)不能少于最少齒數(shù)氛。標(biāo)準(zhǔn)齒輪不適用于實際中心距不等于標(biāo)準(zhǔn)中心距的場合。一對互相嚙合的標(biāo)準(zhǔn)齒輪.小齒輪的齒根厚度小而嚙

14、合次數(shù)又較多.故抗彎能力比大齒輪低為了改善標(biāo)準(zhǔn)齒輪的這些缺點.在機(jī)械中出現(xiàn)了變位齒輪.,上一頁,下一頁,返回,第六節(jié) 漸開線齒廓的加工方法與根切現(xiàn)象,加工齒輪時.若齒條刀具的中線與輪坯的分度圓相切并做純滾動.由于刀具中線上的齒厚與齒槽寬相等.則被加工齒輪分度圓上的齒厚與齒槽距相等.其值為.因此被加工出來的齒輪為標(biāo)準(zhǔn)齒輪. 這種由于刀具相對于輪坯位置發(fā)生變化而加工的齒輪.稱為變位齒輪.,上一頁,返回,第七節(jié) 齒輪傳動的失效形式及設(shè)計準(zhǔn)則,一、輪齒的失效形式 工程上常見的齒輪失效形式分為齒體損傷和齒面損傷兩大類.至于齒輪的其他部分如內(nèi)圈、輪輻和輪毅一般情況下強(qiáng)度和剛度較為寬裕.很少失效。因此在這里

15、只介紹輪齒的失效。 輪齒的主要失效形式有以下5種。 1.輪齒折斷 2.齒面點蝕 3.齒面磨損 4.齒面膠合 5.齒面塑性變形,下一頁,返回,第七節(jié) 齒輪傳動的失效形式及設(shè)計準(zhǔn)則,二、設(shè)計準(zhǔn)則 根據(jù)上述對齒輪傳動失效形式的分析.在齒輪傳動設(shè)計計算中一般遵循下述設(shè)計準(zhǔn)則。 在閉式傳動中.對于軟齒面?zhèn)鲃?由于齒面強(qiáng)度低.經(jīng)常發(fā)生的失效形式是點蝕.其次是彎曲疲勞折斷。因此.首先按接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計計算.再校核齒根的彎曲疲勞強(qiáng)度。對于硬齒面?zhèn)鲃?由于抗點蝕能力較強(qiáng).輪齒彎曲折斷的可能性較大。因此.首先按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計計算.再校核齒面接觸疲勞強(qiáng)度。,上一頁,下一頁,返回,第七節(jié) 齒輪傳動的失效形式及設(shè)

16、計準(zhǔn)則,在開式齒輪傳動和閉式鑄鐵齒輪傳動中.其主要失效形式是磨損和輪齒折斷。因磨損尚無成熟的計算方法.故通常進(jìn)行齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計計算.并通過適當(dāng)增大模數(shù)(10%一15%)來補(bǔ)償輪齒磨損的影響。 高速、重載齒輪傳動的主要失效形式是膠合.設(shè)計準(zhǔn)則是限制齒面溫度.其計算方法見齒輪標(biāo)準(zhǔn).,上一頁,返回,第八節(jié) 齒輪常用材料和齒輪傳動精度,一、齒輪常用材料及熱處理 由齒輪傳動的失效形式可知.設(shè)計齒輪傳動時.應(yīng)使齒面具有較高的抗磨損、抗點蝕及抗膠合能力.而齒根要有較高的抗折斷能力。因此.對齒輪材料性能的要求為:齒面有足夠的硬度和耐磨性.輪齒芯部有較強(qiáng)的韌性.以承受沖擊、載荷和變載荷。 為了滿足上述基本

17、要求.齒輪應(yīng)用最多的材料是優(yōu)質(zhì)碳素鋼、合金鋼和鑄鐵。齒輪毛坯一般采用鍛件.較大直徑齒輪不宜鍛造時.采用鑄鋼或球墨鑄鐵。開式齒輪傳動.大齒輪常用鑄鐵制造對于小功率不重要的齒輪傳動.為降低噪聲可采用尼龍、夾布膠木等非金屬材料。,下一頁,返回,第八節(jié) 齒輪常用材料和齒輪傳動精度,采用合適的熱處理方法.可以使大、小齒輪具有適宜的配對硬度。考慮到小齒輪的接觸次數(shù)大于大齒輪.為使大、小齒輪壽命接近.應(yīng)使小齒輪的齒面硬度大于大齒輪齒面硬度。其硬度差一般控制在30-50 HBS之間。 一對配對齒輪中.大、小齒輪可以都是軟齒面.也可以都是硬齒面.還可以一個為軟齒面.另一個為硬齒面。,上一頁,下一頁,返回,第八節(jié)

18、 齒輪常用材料和齒輪傳動精度,二、齒輪精度等級的選擇 漸開線圓柱齒輪精度等級的國家標(biāo)準(zhǔn)為GB 10095-1988.規(guī)定了12個精度等級.其中1級的精度最高,12級的精度最低.常用的精度等級為69級。一般機(jī)械中的齒輪.當(dāng)圓周速度v5m/s、采用插齒或滾齒加工、輪齒為直齒時.多采用8級精度。中、高速重載齒輪.當(dāng)v10 m/s時可采用7級精度。低速、輕載、不重要的齒輪.可采用9級精度。范成法粗滾、成形銑等都屬于低精度齒輪的加工方法.而較高精度的齒輪需在精密機(jī)床上用精插或精滾方法加工.對淬火齒輪需進(jìn)行磨齒或研齒加工。 在設(shè)計齒輪傳動時.應(yīng)根據(jù)齒輪的用途、使用條件、傳遞的圓周速度和功率大小等.選擇齒輪

19、精度等級。,上一頁,返回,第九節(jié) 漸開線標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪的受力分析及其計算載荷,一、輪齒的受力分析 為了計算輪齒的強(qiáng)度以及設(shè)計軸和軸承等軸系零件.需首先確定作用在輪齒上的力。 圖8一3所示為主動直齒圓柱齒輪在嚙合傳動時的受力情況。若忽略齒面間的摩擦力.則輪齒之間的法向力將沿著輪齒嚙合點的公法線方向。作用在主動輪上的法向力可分解為兩個互相垂直的分力.即圓周力F和徑向力。 各力的方向是:圓周力指的方向.在主動輪上與嚙合點的圓周速度方向相反.在從動輪上與嚙合點的圓周速度方向相同。徑向力廠，的方向?qū)奢喍际怯勺饔命c指向各自的輪心。,下一頁,返回,第九節(jié) 漸開線標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪的受力分析及其計算載荷,二

20、、計算載荷 由于齒輪、軸、軸承等的制造、安裝誤差以及載荷作用下的變形因素的影響.輪齒沿齒寬的作用力并非均勻分布.存在著載荷局部集中的現(xiàn)象。此外.由于原動機(jī)與工作機(jī)的載荷變化.以及齒輪制造誤差和變形所造成的嚙合傳動不平穩(wěn)等.都將引起附加載荷。因此.在計算齒輪強(qiáng)度時.通常用考慮了各種影響因素的計算載荷只代替名義載荷.,上一頁,返回,第十節(jié) 漸開線標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪的強(qiáng)度計算,一、齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算 根據(jù)齒輪的計算準(zhǔn)則.對于軟齒面閉式傳動.應(yīng)按齒面接觸強(qiáng)度進(jìn)行計算.得出齒輪的幾何參數(shù)后.再按齒根彎曲強(qiáng)度進(jìn)行校核。 1.齒面接觸應(yīng)力 兩平行圓柱體接觸應(yīng)力分布情況。根據(jù)彈性力學(xué)中的赫茲公式.最大接觸應(yīng)力

21、為：,下一頁,返回,第十節(jié) 漸開線標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪的強(qiáng)度計算,2.強(qiáng)度計算 (1)齒面接觸疲勞強(qiáng)度的校核公式: (2)齒面接觸疲勞強(qiáng)度的設(shè)計公式: 3.接觸疲勞強(qiáng)度的許用應(yīng)力:,上一頁,下一頁,返回,第十節(jié) 漸開線標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪的強(qiáng)度計算,二、齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計算 1.齒根彎曲應(yīng)力計算 2.齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計算 (1)齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的校核公式,上一頁,下一頁,返回,第十節(jié) 漸開線標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪的強(qiáng)度計算,(2)齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的設(shè)計公式 3.輪齒彎曲疲勞許用應(yīng)力,上一頁,下一頁,返回,第十節(jié) 漸開線標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪的強(qiáng)度計算,三、圓柱齒輪傳動參數(shù)的選擇和設(shè)計步驟 1.主要參數(shù)的選擇 (1)小