《机械设计基础》课件-第4章齿轮传动

机械设计基础

机械设计基础概论常用机构带传动和链传动齿轮传动蜗杆传动螺纹联接与螺旋传动目录/CONTENTS1235轴的设计及轮毂连接轴承

联轴器和离合器弹簧678109411机械的平衡与调速12轮系及减速器

齿轮传动第4章4学习目标知识学习目标●了解齿轮机构的类型及功用●理解齿廓啮合基本定律、渐开线的性质和齿廓的啮合特性●掌握渐开线直齿圆柱齿轮啮合传动需要满足的条件●了解范成法切齿的基本原理和根切现象产生的原因，掌握不发生根切的条件●了解渐开线直齿圆柱齿轮机构的传动类型及特点。学会根据工作要求和已知条件，正确选择传动类型●了解平行轴和交错轴斜齿圆柱齿轮机构传动的特点●了解直齿圆锥齿轮机构的传动特点技能训练目标●能够进行直齿圆柱齿轮机构的传动设计●能借助图表或手册对平行轴斜齿圆柱齿轮机构进行传动设计

第4章

齿轮传动5第4章

齿轮传动【生产机器应用导入例】加热炉工件输送机齿轮图4-1加热炉工件输送机64.1

概

述4.1.1齿轮传动的特点第4章

齿轮传动齿轮传动的特点

齿轮传动用于传递空间任意两轴之间的两齿轮依次相互啮合传递运动和动力，是现代机械传动中应用最多的传动形式之一能保证传动比恒定不变、传动功率大、速度范围广、结构紧凑、传动效率高、工作可靠且使用寿命长。但对其制造和安装精度要求较高、成本高，且不宜用于轴间距离较大的传动。因此，齿轮传动主要应用于传动功率大、结构紧凑的定比传动74.1

概

述

4.1.2齿轮传动的分类第4章

齿轮传动图4-2

齿轮传动的主要类型84.2

齿轮的齿廓曲线和啮合性质

4.2.1渐开线及渐开线齿廓的啮合特性第4章

齿轮传动（1）发生线沿基圆滚过的长度。

（2）发生线NK既是恒切于基圆，也是渐开线上K点的法线

（3）渐开线形状与基圆的大小有关，基圆半径越大，渐开线越平直（4）基圆内无渐开线渐开线齿廓在K点的压力角（5）渐开线的性质9第4章

齿轮传动4.2.2渐开线齿廓的三大啮合特性1．渐开线齿廓满足啮合基本定理并能保证定传动比传动2．渐开线齿廓传动具有可分性4.2

齿轮的齿廓曲线和啮合性质

3．渐开线齿廓传动具有平稳性104.3

渐开线标准直齿圆柱齿轮各部分名称及其几何尺寸

4.3.1直齿圆柱齿轮各部分名称第4章

齿轮传动。1．齿顶圆在圆柱齿轮上，齿顶圆柱面与端平面的交线称为齿顶圆，用da和ra表示其直径和半径。2．齿根圆在圆柱齿轮上，齿轮齿根圆柱面与端平面的交线称为齿根圆，用df和rf表示其直径和半径。3．齿厚在任意圆周上，同一轮齿的两侧端面齿廓之间的圆弧长，称为在该圆周上的齿厚，用表示4.齿槽宽在任意圆周上，同一齿槽的两侧齿廓之间的圆弧长，称为在该圆周上的齿槽宽，用表示5.齿距在任意圆周上，相邻两齿同侧的端面齿廓之间的圆弧长，称为在该圆周上的齿距，用表示

6.分度圆

齿轮的分度圆柱面与端平面的交线，称为分度圆，用d表示其直径7.齿顶高齿顶圆与分度圆之间的径向高度，称为齿顶高，用ha表示8．齿根高齿根圆与分度圆之间的径向高度，称为齿根高，用hf表示9．齿高齿顶圆与齿根圆之间的径向高度，称为齿高，用h表示，即

11第4章

齿轮传动4.3.2

渐开线齿轮的基本参数及其几何尺寸计算1．

齿数z齿轮上均匀分布的轮齿总数称为齿数，用z表示2．

模数m根据齿距的定义可得，分度圆的圆周长πd=zp。由此可得d=(p/π)z

4.3

渐开线标准直齿圆柱齿轮各部分名称及其几何尺寸3．

压力角

指分度圆上齿廓的压力角，用α表示。齿轮的基本参数有五个，即齿数、模数、压力角、齿顶高系数和顶隙系数

标准压力角为2004．

齿顶高系

5．

顶隙系数

表4-3

渐开线标准直齿圆柱齿轮主要尺寸计算12第4章

齿轮传动4.3.3渐开线齿轮的啮合传动1．一对渐开线齿轮正确啮合条件2．齿轮传动的标准中心距及啮合角4.3

渐开线标准直齿圆柱齿轮各部分名称及其几何尺寸保证两轮在啮合线上的齿距相等渐开线齿轮连续传动的条件标准中心距

≥1

13第4章

齿轮传动4.4.1渐开线齿轮轮齿的加工方法1．仿形法2．展成法（又称范成法、共轭法或包络法）4.4渐开线齿轮的加工和精度

盘形铣刀是用于在卧式铣床上加工小模数齿轮（m<10mm），如图4-12（a）所示；指状铣刀是用于在立式铣床上加工大模数齿轮（m>10mm）（图4-12（b）），并可用以切制人字齿轮

常用于修配、单件或小批量生产及齿轮精度要求不高的齿轮加工1）插刀插齿2）滚刀滚齿

是利用滚刀在滚齿机上进行轮齿加工将插刀和轮坯装在专用插齿机床上，插刀沿轮坯轴线方向作往复运动，同时插刀与轮坯按恒定的传动比作回转14

第4章

齿轮传动

标准齿轮不产生根切条件为

4.4渐开线齿轮的加工和精度4.4.2轮齿的根切现象和最少齿数

z≥加工标准齿轮不产生根切的最少齿数zmin=15

第4章

齿轮传动4.4渐开线齿轮的加工和精度4.4.3齿轮传动的精度等级及选择1.齿轮传动精度等级2.精度等级的选择渐开线圆柱齿轮的精度标准（GB/T10095.1~2—2001）中，对单个齿轮规定了12个精度等级。其中1级是最高精度等级，精度按数字依次降低，12级为最低。机械制造及设备中一般常用6~9级表4-4常用齿轮精度等级的加工方法及应用范围16第4章

齿轮传动4.5.1轮齿的失效1．轮齿折断（打牙）

4.5

轮齿的失效和齿轮常用材料3.齿面磨损

4.齿面胶合

5.齿面塑性变形

过载折断和疲劳折断2.齿面点蚀由于齿面材料在交变接触应力作用下，在轮齿工作表面会产生贝壳形状凹坑的破坏形式称为齿面点蚀轮齿工作表面间落入灰尘、砂粒、金属屑等,会引起齿面磨粒磨损啮合区产生很大的摩擦热，使某些齿面上接触的点熔合焊在一起齿面表面的材料就会沿着摩擦力方向产生局部的塑性变形17第4章

齿轮传动4.5.1轮齿的失效1.钢

2.铸铁4.5

轮齿的失效和齿轮常用材料3.非金属材料

2.齿面点蚀齿轮具有足够的硬度和耐磨性，齿芯部有足够的韧性，以获得较高的抗弯曲、抗冲击载荷、抗点蚀、抗磨损、抗胶合的能力；具有良好的加工工艺性和热处理工艺性能，且十分经济1）齿面硬度≤350HBS的齿轮，称为软齿面齿轮。软齿面齿轮常用材料为40Cr、45钢

、35SiMn等，主要用于对强度和精度要求不高、速度较低、且对齿轮尺寸无严格限制的传动场合，如一般用途的减速器。（2）齿面硬度>350HBS的齿轮，称为硬齿面齿轮。硬齿面齿轮常用材料为40Cr、20Cr、20CrMnTi、38CrMnAlA等，主要用于承载能力较大、高速、重载和精密的机械，如汽车和机床的传动齿轮等。主要应用于低速、工作平稳和冲击小的非重要开式齿轮传动中。常用材料有HT300、QT500-74等.表4-5

齿轮齿面硬度及其组合的应用举例为了降低噪音，齿轮可用非金属材料，如夹布胶木、尼龙等，非金属材料主要适用于高速、小功率、低精度及要求低噪音的齿轮传动18

第4章

齿轮传动

直齿圆柱齿轮传动

的受力分析

4.6直齿圆柱齿轮传动的设计4.6.1直齿圆柱齿轮传动的受力分析圆周力

Ft=Ft1=Ft2=2T1/d1径向力

Fr=Fr1=Fr2=Fttanα

法向力

Fn=Fn1=Fn2=

19

第4章

齿轮传动

各力方向

判定

4.6直齿圆柱齿轮传动的设计4.6.1直齿圆柱齿轮传动的受力分析

(1)在主动轮上的圆周力Ft1与其回转方向相反；在从动轮上的圆周力Ft2与其回转方向相同。(2)两轮的径向力Fr1、Fr2的方向均是由啮合点指向各自的轮心。

20第4章

齿轮传动4.6.2直齿圆柱齿轮承载能力计算1.齿面接触疲劳强度计算2.齿根弯曲疲劳强度计算4.6直齿圆柱齿轮传动的设计

1）齿面接触疲劳强度的设计公式≥76.6

2）齿面接触强度校核公式671≤[бH]

（MPa）

бH齿根弯曲疲劳强度的校核公式

=Y

=≤[]

设计公式为21第4章

齿轮传动4.6.3直齿圆柱齿轮传动设计中参数选择和设计步骤(1)传动比i(2)齿数z1和模数m4.6直齿圆柱齿轮传动的设计(3)

齿宽系数

d

2.齿面点蚀

参数选择对于增速传动，i<1；对于一般单级的减速传动，常用取值范围为1<i≤8，当i>8时，宜采用两级传动一般z1=20∽40，模数可按m=（0.007～0.02）a选取；传递动力的齿轮，模数m≮2mm，以防止意外断齿。在开式传动、硬齿面闭式传动和铸铁齿轮的闭式传动中，为防止轮齿折断，应适当加大模数而减小齿数，选齿数z1≥17

一般减速器中齿轮可取d=0.4，变速箱中的滑移齿轮，一般取d=0.2，其取值范围为：0.2～0.6

22第4章

齿轮传动4.6.3直齿圆柱齿轮传动设计中参数选择和设计步骤4.6直齿圆柱齿轮传动的设计

2.齿面点蚀设计步骤1）已知：齿轮传递的功率、主动齿轮的转速和传动比（或从动轮的转速）、原动机和工作机的种类及工作特性等，进行设计校核齿轮。2）设计校核计算（1）选定齿轮材料（2）确定齿轮传动的主要参数、几何尺寸：

对于硬齿面闭式齿轮传动

，应按齿根弯曲疲劳强度公式求出模数，确定齿轮传动参数和几何尺寸，而后校核齿面接触疲劳强度；

对于软齿面闭式齿轮传动，应按齿面接触疲劳强度公式初估分度圆直径，确定齿轮传动参数和几何尺寸，而后校核齿根弯曲疲劳强度；对于开式齿轮传动，可按齿根弯曲疲劳强度求出模数，并考虑磨损的影响，将设计出的模数加大10%~30%。（3）确定齿轮结构尺寸和精度等级（4）绘制齿轮零件工作图

234.7

斜齿圆柱齿轮的啮合传动

4.7.1斜齿轮齿面形成及啮合特点第4章

齿轮传动=

一对斜齿圆柱齿轮啮合时，两轮齿的接触线为一斜直线，其接触线由短变长，再由长变短，这样避免了直齿轮突然的受载和卸掉，极大地减少了传动的冲击、振动和噪声，提高了传动的平稳性展成斜的齿轮渐开线齿面的直线KK与基圆柱和发生面的切线NN相交成一个角度

24

4.7

斜齿圆柱齿轮的啮合传动

4.7.2斜齿圆柱齿轮的基本参数和几何尺寸第4章

齿轮传动1．基本参数

1）螺旋角β

2）法面模数

与端面模数

3）法面压力角αn与端面压力角αt4）端面螺旋角

β是反映斜齿轮特征的一个重要参数。β愈大，轮齿越倾斜，传动的平稳性就越好，但工作时所产生的轴向力Fa越大，常取β=80～250

mn=mtcosβ

tgαn=tgαtcosβcosβ

==cosβ表4-10

外啮合标准斜齿圆柱齿轮主要尺寸计算公式

25

4.7

斜齿圆柱齿轮的啮合传动

4.7.3斜齿圆柱齿轮传动的正确啮合条件第4章

齿轮传动一对外啮合斜齿圆柱齿轮传动的正确啮合条件

两轮满足：mt1=mt2·；αt！=αt2外，同时两外啮合斜齿圆柱齿轮螺旋角大小相等，旋向相反。26

4.7

斜齿圆柱齿轮的啮合传动4.7.4斜齿圆柱齿轮的当量齿数第4章

齿轮传动椭圆上C点的法向齿形可近似看成以ρ为分度圆半径，以mn为模数的一假想直齿圆柱齿轮，这个假想得到的直齿圆柱齿轮就叫做斜齿轮的当量齿轮。当量齿轮拥有的齿数称为当量齿数，用zv表示

图4-32

斜齿轮的当量齿轮不产生根切的最少齿数zmin=zvmincos3β=17cos3β，即斜齿轮不产生根切的最少齿数小于17，其比直齿轮更为紧凑的结构27

第4章

齿轮传动

斜齿圆柱齿轮传动

的受力分析

4.7

斜齿圆柱齿轮的啮合传动

4.7.5斜齿圆柱齿轮传动的受力分析圆周力

Ft=径向力

Fr=

法向力

Fn=

轴向力

Fa=Fttanβ

28

第4章

齿轮传动

各力方向

判定

4.7

斜齿圆柱齿轮的啮合传动

4.7.5斜齿圆柱齿轮传动的受力分析

（1）各作用力关系

主动轮上的力Ft1、Fr1、Fa1与从动轮上的力Ft2、Fr2、Fa2分别互为作用力与反作用力，即Ft1=—Ft2；Fr1=Fr2；Fa1

=—Fa2。（2）各作用力的方向Ft1与主动齿轮回转方向相反，在上，Ft2与从动齿轮回转方向相同；径向力Fr1、Fr2沿半径方向指向各自的轮心；主动齿轮上轴向力Fa1的方向用左、右手螺旋定则判定，即主动轮“左旋”时用左手，“右旋”时用右手握住齿轮的轴线，四指弯曲方向表示齿轮的回转方向，伸直胡大拇指的方向就是轴向力Fa1的方向；从动齿轮上的Fa2与Fa1的方向相反。29第4章

齿轮传动4.7.6斜齿圆柱齿轮传动的强度设计1.斜齿轮弯曲疲劳强度计算2.齿面接触疲劳强度计算4.7

斜齿圆柱齿轮的啮合传动

1）齿根弯曲疲劳强度的设计公式2）齿根弯曲疲劳强度校核公式（MPa）

бF1）齿面接触疲劳强度的