齿轮基础知识

齿轮基础知识 Gear Wheel Basics,目 录,一 齿轮概述 二 渐开线齿轮 三 齿轮精度与测量 四 齿轮加工工艺 五 齿轮失效模式 六 售后常见问题,一、齿轮概述,1、定义 齿轮轮缘上有齿能连续啮合传递运动和动力的机械元件，是能互相啮合的有齿的机械零件。,汉初青铜人字齿轮,明代武备志中齿轮传动结构图,产生最早的齿轮记载源于2400多年前的东周时代的铜铸齿轮； 理论化在1694年，法国学者PHILIPPE DE LA HIRE首先提出渐开线可作为齿形曲线； 发展18世纪工业革命时期，齿轮技术得到高速发展，专用机床与刀具的相继出现； 现状齿轮行业已成为中国机械基础件中规模最大的行业。,现代齿轮,一、齿轮概述,2、齿轮的分类 齿轮可按齿轮外形、齿线形状、轮齿所在的表面和制造方法等分类。 齿轮外形圆柱齿轮、锥齿轮、非圆齿轮、齿条、蜗杆蜗轮等,直齿圆柱齿轮,斜齿圆柱齿轮,锥齿轮,涡轮蜗杆,非圆齿轮,齿条,一、齿轮概述,2、齿轮的分类 齿线形状直齿轮、斜齿轮、人字齿轮、曲线齿轮等 装置形式开式齿轮、闭式齿轮、半开式齿轮 制造方法铸造齿轮、切制齿轮、轧制齿轮、烧结齿轮等,直齿轮,斜齿轮,人字齿轮,曲线齿轮,铸造齿轮,轧制齿轮,同步齿环,长安使用的变速器采用的齿轮种类： 1、手动变速器：斜齿、直齿（倒档）、曲齿（速度计蜗杆副）、轴线相交（差速器锥齿轮） 2、自变：扇形齿轮、齿条 3、以渐开线齿轮为主,一、齿轮概述,2、齿轮的分类,花键,直齿,斜齿,扇形齿,轴线相交齿,一、齿轮概述,3、齿轮的作用和要求,1）作用： 传递动力 变速 变扭矩 (2）要求： 传动平稳 噪声低 使用寿命长 成本低廉,一、齿轮概述,按国内外计量单位不同，齿轮型号分为公制和英制两种。 公制齿轮型号： 国内主要采用公制齿轮（模数齿轮），齿轮模数=分度圆直径（D）/齿数（Z）; 英制齿轮型号 欧美等国主要采用的英制齿轮（径节齿轮），是指每一英寸分度圆直径上的齿数，该值越大齿越小。径节 DP=z/D (z 齿数，D分度圆直径，英寸)，以径节DP单位为 (1/in)。它与公制的换算关系为 m=25.4/DP。,4、齿轮的型号,1）优点： 效率高，是机械传动最高的一种，效率可达99% 结构紧凑 工作可靠，使用寿命长 传动比恒定 2）缺点： 不宜用于传动距离过大的场合；无过载保护 运转时有振动和噪声，会产生一定的动载荷 对于高精度齿轮的制造和安装较困难，成本高，合格率低。,一、齿轮概述,5、齿轮的优缺点,二、渐开线齿轮,1、定义 发生线在基圆上纯滚动时, 其上任一点的轨迹称为渐开线。,2、渐开线的性质 （1）发生线上选择的点K走过的弧长长度等于基圆上被滚过的弧长，即AB=AK； （2）渐开线上任一点的法线必切于基圆； （3）因渐开线是从基圆开始向外展开的，故基圆以内无渐开线；,（4）渐开线的形状取决于基圆的大小。基圆越大，渐开线越平直，当基圆半径无穷大时，渐开线为直线； （5）渐开线上各点压力角不相等。离基圆越远，压力角越大。,2、渐开线的性质,二、渐开线齿轮,为什么工业生产中广泛应用渐开线齿轮？,渐开线齿轮保证按固定传动比传动，且受力方向不变、传动平稳,如图： 1、取相啮合的一对渐开线上任一点接触K； 2、由于，渐开线上任一点的法线必切于基圆；且这一点的瞬时速度为一定值，所以此时两个齿轮的法线为同一条直线； 3、这样的直线只有一条，即为两个基圆的内公法线,也就是说，两个齿轮的啮合轨迹为一条直线； 4、因为两基圆的同侧内公切线只有一条，因此与连心线交点只有一个， 5、根据传动比的定义可知： 即：i12=1/ 2=02p/01p=常数,二、渐开线齿轮,3、渐开线齿轮的基本参数 （1）模数:m 分度圆齿距与圆周率（）之比，即m=p/ 。 由于分度圆直径 d与齿距p及齿数z之间的关系为:d=pz，为了计算方便，便定义了 模数：m=p/,二、渐开线齿轮,3、渐开线齿轮的基本参数,模数（m=p/）是齿轮的一个重要参数，是齿轮所有几何尺寸计算的基础。显然，模数越大，齿距越大，轮齿的尺寸也越大，其轮齿的抗弯曲能力也越高。我国已规定了齿轮模数的标准系列(见下表）。,在设计渐开线齿轮时，必须取标准值,二、渐开线齿轮,3、渐开线齿轮的基本参数 （2）压力角: 渐开线上任一点法向压力的方向线与该点速度方向线所夹锐角，称为该点的压力角。,为设计、制造方便，我国标准规定分度圆上的压力角为标准压力角，其标准值为=20。此外，在汽车、航空工业中有时还有采用=22.5 ， =25。,如图, 由于 为定值， 为变值，所以压力角是变化的；,二、渐开线齿轮,3、渐开线齿轮的基本参数 （3）齿顶高系数和顶隙系数,齿顶高系数，国标规定，正常齿制 ,短齿制 ； 顶隙系数，国标规定，正常齿制 ,短齿制 。,综上所述， 是渐开线齿轮几何尺寸计算的五个基本参数，其中 均为标准值。,如果用模数来表示轮齿的齿顶高和齿根高，则可写为：,短齿制齿轮主要用于汽车、坦克、拖拉机、电力机车等。,（4）齿数:z 最小齿数： Zmin = 2h*a / sin2 ,避免跟切现象。,二、渐开线齿轮,4、渐开线齿轮的啮合原理 1）渐开线齿廓啮合的基本定律： 根据渐开线的特性，一对渐开线齿廓不论何处啮合，两齿轮的传动比恒定不变。 即：i12 =1/2 =O2P/O1P=r2/r1 2）中心距变动不影响传动比 3）啮合线是节点的基圆内公切线 因为啮合线是直线，不论齿廓在何处啮合，作用力总沿啮合线方向不变，所以渐开线齿轮传动平稳,二、渐开线齿轮,4、渐开线齿轮的啮合原理 4）渐开线齿轮的正确啮合条件： m1=m2，1=2 即： 模数相等； 分度圆压力角相等 5）重合度： =实际啮合线长/法向齿距 表示同时接触的轮齿对数，理论上必须使1， 重合度的大小是齿轮承载能力高低和平稳性好 坏的一个重要指标。,（1）螺旋角：齿线与齿轮轴线所夹的锐角；,5、渐开线斜齿轮基本知识,二、渐开线齿轮,EA14轿中间轴齿轮,（2）正确啮合条件：模数和压力角相等；螺旋角 （）相等而方向相反； （3）优点： 传动平稳，两轮齿廓由点开始接触，接触线由短变长，再变短，直到点接触，再脱离啮合； 重合度大，承载能力强； （3） 缺点 ： 传动中会产生轴向力，轴向力随增加而增加，一般取=1230,Fn,承载能力,轴向力,b,二、渐开线齿轮,5、受力分析,为什么微车变速器噪音大却啸叫较少?,齿侧间隙的大小取决于齿厚和齿轮副中心距大小。,齿侧间隙： 装配好的齿轮副，当一个齿轮固定时另一个齿轮的圆周晃动量，以分度圆上弧长计。齿侧间隙是齿轮设计的重要参数之一，直接影响齿轮啮合的噪音。 微车的齿侧间隙为0.1mm0.12mm 齿侧间隙越大，运行时冲击震动越大，所以噪音大； 轿车的齿侧间隙为0.060.08mm 齿侧间隙越小，齿面摩擦挤压的几率更大，所以有啸叫声。,变速器齿轮设计思路：,确定发动机最大扭矩,变速器轴径 （箱体大小）,初选中心距,齿轮参数（模数、齿数、速比、侧隙等）,反算中心距,齿轮变位，配凑中心距,齿轮修形、热处理等,三、齿轮精度与测量,1、齿轮精度 GB10095-88将齿轮精度分为三个公差组： 第公差组 周节误差Fp ，反映运动精度，即运动的准确性 第公差组 齿形误差ff ，反映工作平稳性精度 第公差组 齿向误差F ，反映接触精度，载荷分布的均匀性,每个公差组有13个等级，0级最高，12级最低，常用69级，且三个公差组可取不同等级。,2、常见机械中齿轮精度,三、齿轮精度与测量,3、影响齿轮精度的主要参数 齿圈径向跳动公差Fr，齿距累积公差Fp齿轮传递运动准确性； 齿形公差 ff齿轮传动平稳性 齿向公差 F齿面载荷分布均匀性 齿侧间隙传动噪音,三、齿轮精度与测量,齿形,齿向,4、齿轮精度测量 ：齿圈径向跳动公差Fr、齿距累积公差Fp、齿形公差 ff、齿向公差 F：齿轮综合检测仪（MM量仪）,1、型号：M&M3515 最大工件外径：350mm 顶尖间距：25500mm 螺旋角范围：090度 模数范围：0.218mm 2、检测精度 检测精度和重复精度均1m，可进行二级齿轮精度的检测。,三、齿轮精度与测量,块规,量棒,+,=,内花键跨棒距,公法线千分尺测量同步器齿毂,三、齿轮精度与测量,4、齿轮精度测量 ：内花键跨棒距Me、齿距,三、齿轮精度与测量,4、齿轮精度测量 ：齿圈锥面跳动,齿轮跳动仪,百分表,+,=,齿轮锥面跳动,三、齿轮精度与测量,4、齿轮精度测量 ：齿轮高度、啮合,高度尺检测轴向尺寸,齿轮啮合仪,三、齿轮精度与测量,4、齿轮精度测量 ：内径 利用螺旋副原理，通过旋转塔形阿基米德螺旋体或移动锥体使三个测量爪作径向位移，使其与被测内孔接触，对内孔尺寸进行读数的内径千分尺。,三爪内测千分尺,三、齿轮精度与测量,4、齿轮精度测量 ：模数m,齿轮千分尺测量模数m,1、精度： 分辨率0.03um 转台回转精度0.04um 立柱平行度精度1um/500mm 2、测量原理及功能 圆度仪是以精密回转中心线为回转测量基准，精密直线导轨为直线测量基准，通过位于直线运动导轨上的位移传感器，测量圆柱体表面若干截面在不同转角位置上的实际轮廓至回转中心线半径的变化量。 3、作用： 可测量圆度、柱度、同轴度同心度、直线度、平行度、垂直度、跳动等参数。,三、齿轮精度与测量,4、齿轮精度测量 ：圆柱度测量仪,1、结构： 轮廓仪由測针、传感器、驱动装置、电箱及数据处理器组成 2、工作原理： 由測针在驱动装置的作用下沿被测工件表面作匀速直线运动，扫描工件表面的轮廓并将这些若干个数据由传感器记录传给数据处理器处理，通过处理软件将相关点连接成直线或圆弧，然后计算出相关要素的相互关系及尺寸。 3、作用：测量某些难以测量到的零件表面，如孔、槽等的表面粗糙度等,三、齿轮精度与测量,4、齿轮精度测量 ：轮廓仪,1、结构： 由基座、立柱、测量显微镜、可移动的X、Y两个轴、玻璃平板及带分度头的顶针架、照射光源等组成。 2、测量原理： 通过照射光源，在零件表面形成清晰的轮廓影像，再通过测量显微镜进行精确瞄准，通过 X、Y两个轴的相互移动距离，找出关联的尺寸大小。 X、Y两个轴的刻度值是0.001mm，测量的不确定度在0.003mm。 3、用途： 可以测量200mm范围内各种工件的长度尺寸及几何形状，如平面零件、圆柱、圆锥、螺纹的角度、大小、长短等各种参数。,三、齿轮精度与测量,4、齿轮精度测量 ：万能工具显微镜,齿轮的齿体应有较高的抗折断能力，齿面应有较强的抗点蚀、抗磨损和较高的抗胶合能力，即要求：齿面硬、芯部韧 。,金属材料,45钢,中碳合金钢,铸钢,低碳合金钢,铸铁,锻钢,如何选材？,考虑工作条件、载荷性质、经济性、制造方法等,非金属材料,1、齿轮材料,青山变速器齿轮材料：20CrMnTi、20CrMo,四、齿轮加工,1、齿轮材料 20CrMnTi、 20CrMnTiH 铬（Cr）：在结构钢和工具钢中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，因而是不锈钢，耐热钢的重要合金元素。 锰（Mn）：是一种弱脱氧剂。适量的锰可有效提高钢材强度，消除硫、氧对钢材的热脆影响，改善钢材热加工性能，并改善钢材的冷脆倾向，同时不显著降低钢材的塑性、冲击韧性。 钛（Ti）是钢中强脱氧剂。它能使钢的内部组织致密，细化晶粒力；降低时效敏感性和冷脆性。改善焊接性能。,四、齿轮加工,四、齿轮加工,2、齿轮结构 顶圆直径d500mm时，一般采用锻造齿轮,顶圆直径d大于500mm时，一般采用铸造齿轮,齿轮轴,实体式圆柱齿轮,腹板式圆柱齿轮,轮辐式圆柱齿轮,四、齿轮加工,3、齿轮轴加工工艺,四、齿轮加工,4、各个加工环节的重点 （1）齿胚锻造 铸钢锭加热锻造正火,正火工艺：,四、齿轮加工,4、各个加工环节的重点 （2）平面钻中心孔 1）轴类零件中心孔是后续各工序加工的定位基准； 2）主要控制要点：中心孔深度、表面粗糙度、中心孔锥度、两端同心度。 （3）精车齿胚 1）典型的轴类零件的车削加工； 2）主要控制的尺寸： a.径向尺寸（直径） b.轴向尺寸 c.外圆及端面跳动 d.表面粗糙度,四、齿轮加工,4、各个加工环节的重点 （4）滚齿,1）加工原理：滚刀连续转动时就相于一根无限长齿条沿刀具轴向连续移动。齿轮滚刀按给定切 削速度作旋转运动时，工件则按齿轮齿条啮合关系传动齿坏上切出齿槽，形成渐开线齿面; 2）工装：滚刀、滚齿夹具; 3）主要控制参数及精度 M值（齿厚） 齿根圆直径,滚齿是齿形加工中生产效率较高 、精度较高、应用最广泛的一种加工 方法。是展成法的一种；一般用于齿 轮的粗加工和精加工；能加工直齿、斜齿圆柱齿轮、直齿锥齿轮。,四、齿轮加工,4、各个加工环节的重点 （5）插齿 插齿是常用的齿形加工方法，用来粗、精加工内、外圆柱齿轮。插齿加工的齿面粗糙度比滚齿高，但齿距累计误差较大，且效率比滚齿低。 1）加工原理：是基于平行轴圆柱齿轮啮原理，插齿刀是一个在端面磨成锥面的锥度齿轮 2）工装：插齿刀、插齿夹具 3）主要控制参数及精度 M值（齿厚） 齿根圆直径,四、齿轮加工,4、各个加工环节的重点 （6）剃齿 剃齿是一种高效齿轮精加工方法，用于热前加工；相对于磨齿,剃齿具有效率高、成本低、齿面无烧伤和裂纹等优点；剃齿精度可达5级。 1）加工原理：是基于交错轴圆柱齿轮啮合原理，非强制性啮合特点， 2）主要控制参数： M值（齿厚） 齿轮精度及影响因素： a.滚（插）齿精度； b.剃齿刀精度过低， c.齿形、齿向修形不合理 d.刀架滑台及顶尖精度差。,碟形砂轮磨齿,成形砂轮磨齿,四、齿轮加工,4、各个加工环节的重点 （7）磨齿 利用砂轮作为磨具对轮齿进行磨削加工。主要用于消除热处理后变形的提高精度，磨削后齿的精度可达36级。 1）加工原理：是基于交错轴圆柱齿轮啮合原理，非强制性啮合特点， 2）磨齿的主要问题是成本高、效率低。,四、齿轮加工,4、各个加工环节的重点 （8）花键轧齿 花键轴是机械传动一种，主要作用为传递机械扭矩，在轴的外表有纵向的键槽，套在轴上的旋转件也有对应的键槽，可保持跟轴同步旋转。 加工方法： 滚切：按展成法加工，生产率和精度均高，适用于批量生产； 铣削：逐齿铣，生产率和精度都较低，适用于单件小批量生产； 冷轧：在压力作用下使工件塑性变形，精度介于滚切和铣削之间，适用于批量生产,四、齿轮加工,4、各个加工环节的重点 （9）较直 校直：就是将热处理过程中产生的弯曲校正。分手工校直和设备自动校直，我们公司一般采用自动校直。 要点： 1）校直点的选择、 2）拒校点的设置、 3）校直点跳动值的确定,四、齿轮加工,5、常用齿轮加工,1）滚（插）齿剃齿热处理； 2）滚（插）齿剃齿热处理珩齿； 3）滚（插）齿热处理磨齿； 3）滚齿热处理硬齿面滚（刮）齿珩齿； 4）滚齿挤齿热处理,青山变速器齿轮主要采用滚-剃，滚-磨加工工艺,四、齿轮加工,6、齿轮修形 齿轮非对称布置、轴的变形 载荷集中 轴的弯曲变形： 齿轮随之偏斜，引起偏载，不对称布置时，靠近轴承一侧受载大 轴的扭转变形： 靠近转矩输入端的齿侧变形大，故受载大 轴的弯曲、扭转变形的综合影响： 若齿轮靠近转矩输入端布置，偏载 严重；若齿轮远离转矩输入端布置， 偏载减小,四、齿轮加工,6、齿轮修形 为了改善传动性能，对齿廓顶部或根部局部渐开线做些改变，这种齿轮叫做修形齿轮 齿轮修形主要包括： 齿向修形保证齿轮的强度和传动的平稳性 齿高（齿形）修形切去轮齿上由于基节误差带来的干涉部分，以此来减少轮齿啮合过程中的载荷波动。 通常齿顶、齿根的修形量都不大，一般应控制在0.005到0.02mm之间。,四、齿轮加工,6、齿轮变位 通过改变刀具与工件的相对位置，加工渐开线齿轮。,作用： 1）提高弯曲强度：一对啮合的标准齿轮，由于小齿轮齿根厚度薄，参与啮合的次数又较多，因此强度较低，容易损坏，影响了齿轮传动的承载能力； 2）保证中心距：标准齿轮中心距用a表示，若实际需要的中心距（用A表示）Aa,可以安装，却产生大的侧隙，重合度也降低，都影响了传动的平稳性； 3）消除跟切：若滚齿切制的标准齿轮齿数小于17，则会发生根切现象，影响实际使用。,四、齿轮加工,调 质,正 火,表面淬火,渗碳淬火,表面氮化,软齿面,硬齿面,用于中碳或中碳合金钢，如45、40Cr、35SiMn等。因为硬度不高，故可在热处理后精切齿形，且在使用中易于跑合,能消除内应力、细化晶粒、改善力学性能和切削性能。机械强度要求不高的齿轮可用中碳钢正火处理。大直径的齿轮可用铸钢正火处理,用于中碳钢和中碳合金钢，如45、40Cr等。表面淬火后轮齿变形小，可不磨齿，硬度可达5256HRC，面硬芯软，能承受一定冲击载荷,渗碳钢为含碳量0.15 % 0.25%的低碳钢和低碳合金钢，如20、20Cr等。齿面硬度达5662HRC，齿面接触强度高，耐磨性好，齿芯韧性高。常用于受冲击载荷的重要传动。通常渗碳淬火后要磨齿,一种化学处理方法。渗氮后齿面硬度可达60