《机械基础》课件-第8章齿轮传动

机械基础授课教师:XXX

授课日期:2020年X月X日连接学习目标了解齿轮传动的特点、分类和应用。了解齿廓啮合基本定律及渐开线齿廓的特性。了解渐开线齿轮各部分的名称、主要参数及尺寸计算。掌握渐开线直齿圆柱齿轮传动的啮合条件及标准安装条件。了解渐开线齿轮切齿原理及变位齿轮的概念。了解齿轮传动的失效形式及精度的概念。了解齿轮的常用材料。了解齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度的概念。了解齿轮的结构及齿轮形式选用原则。了解齿轮传动的润滑方式及效率计算方法。8.1齿轮机构的特点、类型和应用齿轮机构的特点1．齿轮机构的优点1）传动比恒定，这是最重要的特点。2）传动效率高。3）其圆周速度和所传递功率范围大。4）工作寿命长。5）可以传递空间任意两轴之间的运动。6）结构紧凑。2．齿轮机构的缺点1）齿轮制造和安装精度高，成本较高，需采用专用设备、刀具生产制造。2）不适用于两轴中心距较大的场合。3）无过载保护功能。4）传动中有噪声和振动。齿轮机构的类型1．按齿轮的齿廓曲面分类（1）渐开线齿轮渐开线齿轮的齿面是具有渐开线性质的曲面，为应用最广泛的一类齿轮。（2）圆弧齿轮圆弧齿轮的齿面是圆弧曲面，此种齿轮承载能力高于渐开线齿轮，适用于高速重载的场合。（3）摆线齿轮摆线齿轮机构主要用于摆线少齿差传动，齿廓曲线为外摆线。（4）谐波齿轮与前三种齿轮不同，该齿轮传动中含有柔性轮，其传动比较大，传递的功率也较大。齿轮机构的类型2．按齿轮的工作条件分类（1）开式传动开式传动中齿轮外露，灰尘等容易落入轮齿的啮合区，也不能保证良好的润滑，易引起齿面磨损，因此开式传动适于低速及不重要的场合（2）半开式传动半开式传动中只有简单防护罩，一般用于农业机械、建筑机械及简单机械设备。（3）闭式传动闭式传动是将齿轮封闭在具有足够刚度并有良好润滑条件的密封箱体内，闭式传动多用于汽车、机床及航空发动机等重要传动场合。齿轮机构的类型3．按两齿轮轴线之间的相对位置、齿轮齿形及齿轮转向分类按两齿轮轴线之间的相对位置、齿轮齿形及齿轮转向，常用的齿轮传动的类型、特点及应用见表8-1。齿轮机构的类型3．按两齿轮轴线之间的相对位置、齿轮齿形及齿轮转向分类齿轮机构的类型3．按两齿轮轴线之间的相对位置、齿轮齿形及齿轮转向分类8.2齿廓啮合基本定律与渐开线齿廓齿廓啮合基本定律采用齿轮传动的主要目的是使两个相互啮合的齿轮的角速度大小发生改变或转动方向发生改变。两个齿轮的瞬时角速度ω1与ω2之比称为传动比i。图8-1所示为两齿轮相互啮合的一对齿廓，O1、O2为两齿轮的回转轴心。渐开线齿廓的形成及特性1．渐开线的形成如图8-2所示，直线NK在半径为rb的圆周上作纯滚动时，直线上任意一点K的轨迹AK称为该圆的渐开线。2．渐开线的基本性质由渐开线的形成过程可知，渐开线具有下列性质：1）发生线沿基圆滚过的长度等于基圆上被滚过的圆弧长。渐开线齿廓的形成及特性3）渐开线上任意点K的法线与该点的速度方向所夹的锐角αk称为该点的压力角。4）渐开线的形状与基圆的大小有关。基圆半径越小，渐开线越弯曲；基圆半径越大，渐开线越平直；基圆半径无穷大时，渐开线为一条斜直线，即齿条齿廓。5）基圆内无渐开线。渐开线齿廓满足齿廓啮合的基本定律由渐开线的性质2）可知，一对渐开线齿轮啮合时，啮合点的公法线必是两基圆的公切线。因两基圆位置和大小都不变，故其公切线与轴心连线O1O2的交点P（节点）的位置不变，满足齿廓啮合的基本定律。8.3渐开线标准直齿圆柱齿轮的几何尺寸计算直齿圆柱齿轮的基本参数渐开线齿轮各部分的尺寸均为标准值。如图8-3所示，标准直齿圆柱齿轮各部分的名称、符号及其尺寸间的关系。1）齿数：在齿轮整个圆周上轮齿的总数，用z表示。2）齿顶圆：通过齿轮顶部的圆称为齿顶圆，用ra和da分别表示其半径和直径。3）齿根圆：通过齿轮根部的圆称为齿根圆，用rf和df分别表示其半径和直径。4）分度圆和模数：分度圆是介于齿顶圆和齿根圆之间的一个不可见圆直齿圆柱齿轮的基本参数11）齿槽宽：齿轮相邻两齿之间的空间称为齿槽，在任意圆周上所量得的齿槽大小称为该圆周上的齿槽宽，分度圆上的齿槽宽用e表示。12）齿厚：沿轮齿任意圆周上所量得的弧长称为该圆周上的齿厚，分度圆上的齿厚用s表示。13）齿距：沿轮齿任意圆周上所量得的相邻两齿同侧齿廓之间的弧长称为该圆周上的齿距，分度圆上的齿距用p表示。渐开线直齿圆柱齿轮几何尺寸计算标准齿轮是指模数、压力角、齿顶高系数和顶隙系数均为标准值，且其分度圆上的齿厚等于齿槽宽的齿轮。8.4渐开线标准直齿圆柱齿轮的啮合传动渐开线直齿圆柱齿轮的正确啮合的条件设m1、m2和α1、α2分别为两个齿轮的模数和压力角，则正确的啮合条件是于是，一对渐开线直齿圆柱齿轮的传动比又可表达成渐开线直齿圆柱齿轮的连续传动条件为保证一对渐开线齿轮能够连续传动，前一对啮合轮齿在脱开啮合之前（之时），后一对轮齿必须进入啮合，即同时啮合的轮齿对数必须有一对或一对以上。。传动的连续性可用重合度ε定量反映，它表示一对齿轮在啮合过程中，同时参与啮合的轮齿的平均对数，则齿轮的连续传动条件为重合度ε≥1，如图8-6所示。渐开线直齿圆柱齿轮的标准安装条件为了避免冲击、振动，理论上齿轮传动应为无侧隙传动。由于一对齿轮传动相当于一对节圆作纯滚动，因此，要使一对齿轮作无侧隙传动，就应使一个齿轮节圆上的齿厚等于另一齿轮节圆上的齿槽宽。对于满足正确啮合条件的一对标准齿轮，其分度圆齿厚与齿槽宽相等，即s=e=πm/2。所以，要保证无侧隙传动，要求分度圆与节圆重合。分度圆与节圆重合的安装称为标准安装，此时的中心距称为标准中心距。8.5渐开线齿轮的切齿原理与根切现象渐开线齿轮的切齿原理齿轮加工方法很多，有铸造法、热轧法、冲压法、粉末冶金法和切制法等，最常用的是切削加工法，按其加工原理可分为仿形法和展成法。1．仿形法仿形法是在普通铣床上用轴向剖面形状与被切齿轮齿槽形状完全相同的铣刀切制齿轮的方法，如图8-7所示。渐开线齿轮的切齿原理2．展成法展成法是利用一对渐开线齿轮（或齿轮与齿条）相互啮合时，其齿廓互为包络线的原理来加工齿轮的。加工时刀具与齿坯的运动就像一对互相啮合的齿轮，最后刀具将齿坯切出渐开线齿廓。展成法切制齿轮常用的刀具有以下三种。（1）齿轮插刀渐开线齿轮的切齿原理（2）齿条插刀齿条插刀是一个齿廓为切削刃的齿条，用齿条插刀加工齿轮时，刀具与轮坯的相对位置和运动关系如图8-9所示。切削齿廓时，刀具与轮坯的展成运动相当于齿条与齿轮啮合传动，其切齿过程与用齿轮插刀加工齿轮的原理相同，但其效率比齿轮插刀低。渐开线齿轮的切齿原理（3）齿轮滚刀以上两种刀具都只能间断地切削，生产率较低。齿轮滚刀能连续切削，生产率较高。用齿轮滚刀切削齿轮时，刀具与轮坯的相对位置和运动关系如图8-10所示。滚刀的形状类似于蜗杆，其轴平面为一齿条形状，当滚刀绕自己的轴线转动时，就相当于齿条向前移动。渐开线齿轮的根切现象和最少齿数用展成法加工齿轮时，若刀具的齿顶线（或齿顶圆）超过理论啮合线极限点时（图8-11），被加工齿轮齿根附近的渐开线齿廓将被切去一部分，这种现象称为根切，如图8-11所示。图8-11中双点画线表示齿根未发生根切时的理论齿形，实线表示发生根切后的实际齿形。8.6齿轮传动的失效形式及传动精度齿轮传动的失效形式齿轮在传动过程中，常见失效形式有轮齿折断、齿面点蚀、齿面磨损、齿面胶合及塑性变形五种形式。常见的齿轮失效形式的特征、发生环境、发生部位和防止措施见表8-5。齿轮传动的失效形式齿轮在传动过程中，常见失效形式有轮齿折断、齿面点蚀、齿面磨损、齿面胶合及塑性变形五种形式。常见的齿轮失效形式的特征、发生环境、发生部位和防止措施见表8-5。齿轮传动的精度齿轮传动的质量取决于齿轮的精度，齿轮传动的精度等级选择应根据传动的用途、使用条件、传动功率和圆周速度等确定。8.7齿轮的常用材料齿轮的常用材料及热处理方法1．锻钢锻钢因具有强度高、韧性好、便于制造、便于热处理等优点，大多数齿轮都用锻钢制造。（1）软齿面齿轮（2）硬齿面齿轮2．铸钢当齿轮的尺寸较大（分度圆直径大于400mm)而不便于锻造时，可用铸造方法制成铸钢齿坯，再进行正火处理以细化晶粒。3．铸铁铸铁品种中灰铸铁价格低，铸造性能、减摩性能、抗点蚀和抗胶合能力较好，但抗弯强度、耐冲击和耐磨损性能较差。4．非金属材料齿轮材料的选用原则钢制软齿面齿轮要求小齿轮硬度比大齿轮硬度大30～50HBW，原因在于：1）小齿轮齿根厚度较薄，齿根弯曲强度较弱。2）在相同工作时间内小齿轮的应力循环次数较大齿轮的多。3）当大小齿轮有较大硬度差时，较硬的小齿轮会对较软的大齿轮齿面产生冷作硬化的作用，可提高大齿轮的接触疲劳强度。8.8直齿圆柱齿轮传动的强度计算齿面接触疲劳强度计算根据齿轮的计算准则，对于软齿面闭式传动，应按齿面接触强度进行计算，得出齿轮的几何参数后，再按齿根弯曲强度进行校核。齿面接触疲劳强度是针对齿面点蚀失效进行的。齿面接触疲劳强度计算根据齿轮的计算准则，对于软齿面闭式传动，应按齿面接触强度进行计算，得出齿轮的几何参数后，再按齿根弯曲强度进行校核。齿面接触疲劳强度是针对齿面点蚀失效进行的。齿根弯曲疲劳强度计算齿根弯曲疲劳强度的计算是针对轮齿折断进行的。轮齿折断主要与齿根的弯曲应力有关。计算时，把齿轮视为悬臂梁，如图8-13所示。为简化计算，按最危险的情况来考虑：①一对轮齿承担全部载荷Fn

；②载荷作用于齿顶；③齿根危险截面厚度由30°切线法确定，其厚度为sF。8.9齿轮结构锻造齿轮1．齿轮轴当齿轮的齿根圆直径与轴径很接近，且圆柱齿轮的齿根圆与键槽底部的径向距离小于或等于2～2.5个模数时，为保证齿轮的强度，应将齿轮和轴制成一体，如图8-14所示。锻造齿轮2．盘式齿轮当圆柱齿轮齿顶圆直径da≤200mm，且圆柱齿轮的齿根圆与键槽底部的径向距离大于2～2.5个模数时，若将齿轮与轴做成一体的，则齿轮轴毛坯的直径较大，从而造成材料和加工工时的浪费，因此可采用盘式齿轮结构，如图8-15所示。锻造齿轮3．辐板式齿轮如图8-16所示，当圆柱齿轮齿顶圆直径200mm＜da≤500mm时，为减小齿轮的质量，应采用辐板式齿轮结构。铸造齿轮如图8-17所示，当圆柱齿轮齿顶圆直径da

＞500mm时，为减少加工量和锻造难度，通常采用铸造齿轮结构。8.10齿轮传动的润滑和效率齿轮传动的润滑1．齿轮传动的润滑方式一般闭式齿轮传动的润滑方式主要根据齿轮传动中最大齿轮的分度圆的切向速度v的大小来确定。润滑方式有浸油润滑和喷油润滑两种。（1）浸油润滑当v≤12m/s时,一般采用浸油（又称油浴或油池）润滑。齿轮传动的润滑（2）喷油润滑当齿轮的圆周速度v＞12m/s时，应采用喷油润滑，如图8-20所示。该方式是通过油泵将润滑油直接喷射到齿轮啮合区，使轮齿得到润滑。由于圆周速度大，产生