第8章 直齿圆柱齿轮传动.ppt

1、第八章 直齿圆柱齿轮传动,第一节 齿轮传动概述 第二节 齿廓啮合的基本定律 第三节 渐开线齿廓及特性 第四节 渐开线标准直齿圆柱的主要参数与几何尺寸 第五节 渐开线标准齿轮的啮合 第六节 渐开线齿廓的加工方法与根切现象 第七节 齿轮传动的失效形式及设计准则 第八节 齿轮常用材料和齿轮传动精度 第九节 渐开线标准直齿圆柱齿轮的受力分析及其计算载荷 第十节 渐开线标准直齿圆柱齿轮的强度计算 第十一节 齿轮转动的润滑,第一节 齿轮传动概述,一、齿轮传动的特点 齿轮机构的主要优点是: (1)适用的圆周速度和功率范围广. (2)传动效率较高。 (3)瞬时传动比稳定。 (4)工作寿命较长。 (5)工作可靠

2、性较高。 (6)可实现平行轴、任意角相交轴或交错轴之间的传动等。,下一页,返回,第一节 齿轮传动概述,齿轮机构的主要缺点是: (1)要求较高的制造和安装精度.成本较高。 (2)要求专用的齿轮加工设备。 (3)不适宜远距离两轴之间的传动等。,上一页,下一页,返回,第一节 齿轮传动概述,二、齿轮传动的类型 齿轮传动的类型有很多.通常可按照两齿轮轴线的相对位置、齿轮啮合的情况、齿廓曲线的形状、齿轮传动的工作条件及齿面的硬度等进行分类。 1.按照齿轮轴线的相对位置分类 根据传动过程中两个齿轮轴线的相对位置.齿轮传动可分为两类:两轴平行的平面齿轮机构和两轴不平行的空间齿轮机构。平面齿轮机构用于两轴线平行

3、时的传动.两轮的相对运动为平面运动.平面齿轮机构有直齿、斜齿和人字齿等三种. 空间齿轮机构用于两轴线相交时的传动.两轮的相对运动为空间运动.空间齿轮机构有锥齿轮机构、螺旋齿轮机构、蜗杆传动机构.,上一页,下一页,返回,第一节 齿轮传动概述,2.按照齿轮啮合的情况分类 根据齿轮传动时两个齿轮啮合的情况.圆柱齿轮可分为外啮合、内啮合及齿轮齿条啮合。一对外啮合的齿轮.它们的转动方向相反. 而一对内啮合的齿轮.它们的转动方向相同. 当齿轮和齿条啮合传动时.齿轮转动.而齿条作直线运动. 本章主要讨论外啮合的齿轮传动。,上一页,下一页,返回,第一节 齿轮传动概述,3.按照齿廓曲线的形状分类 按照齿轮轮齿的

4、齿廓曲线形状.可分为渐开线齿轮传动、圆弧齿轮传动和摆线齿轮传动等。其中渐开线齿轮能保证瞬时传动比恒定不变.制造、安装方便.应用最广泛。本章仅讨论渐开线齿轮传动。,上一页,下一页,返回,第一节 齿轮传动概述,4.按照齿轮传动的工作条件分类 根据齿轮传动的工作条件不同.又可分为开式齿轮传动和闭式齿轮传动两种。 开式齿轮传动的齿轮完全外露.外界的灰尘和杂物等容易落人齿轮啮合区.且润滑不良.易引起齿面磨损。因此.开式传动多用于低速或低精度的场合。如水泥搅拌机中的齿轮、挖掘机中的齿轮等。 闭式齿轮传动的齿轮安装在具有足够刚度的密封箱体内.密封条件好.易于保证良好的润滑.使用寿命长。闭式齿轮传动大多用于较

5、重要的传动.如汽车变速箱中的齿轮、减速器中的齿轮等。,上一页,下一页,返回,第一节 齿轮传动概述,5.按照齿面的硬度分类 按照齿面的硬度.齿轮传动可分为软齿面传动和硬齿面传动两种。当两个齿轮的齿面硬度不大于350 HBS时.称为软齿面传动;而当两个齿轮的齿面硬度大于350 HS时.称为硬齿面传动。,上一页,下一页,返回,第一节 齿轮传动概述,三、齿轮传动的基本要求 根据齿轮用于传递运动和动力两方面的用途.对齿轮传动的基本要求也分为两方面。 1.传递运动要求传动准确、平稳 要求齿轮传动在运动过程中瞬时传动比恒定.避免在传动过程中产生动载荷、冲击、振动和噪声.这与齿轮的齿廓形状(基圆齿距误差)、制

6、造精度和安装精度等因素有关。 2.传递动力要求承载能力强 要求齿轮传动在工作过程中有足够的强度、刚度并能传递较大的动力.在规定的使用寿命期限内.不发生轮齿折断、点蚀、胶合和过度磨损等失效。这与齿轮的材料、热处理工艺和尺寸等因素有关。,上一页,返回,第二节 齿廓啮合的基本定律,一、传动比 一对齿轮相互啮合传动时.两个齿轮的瞬时角速度之比称为瞬时传动比. 轮廓曲线的形状不同.则两个齿轮的瞬时传动比的变化规律也不同。它既可以是恒定不变的.也可以是变化的。对齿轮传动来说最基本的要求之一就是其瞬时传动比必须保持恒定不变.,下一页,返回,第二节 齿廓啮合的基本定律,二、齿廓啮合的基本定律 一对相互啮合齿轮

7、的瞬时传动比.与连心线被两齿廓在任一啮合位置时的公法线所分成的两线段的长度成反比该结论被称为齿廓啮合基本定律。,上一页,下一页,返回,第二节 齿廓啮合的基本定律,三、共扼齿廓 凡能满足齿廓啮合基本定律的一对相互啮合齿廓称为共扼齿廓(也称为共扼曲线)。虽然共扼齿廓有很多对.但实际应用中.对共扼齿廓的约束很多.如设计理论、制造方法、安装过程和使用条件等各方面的因素都约束了共扼齿廓的使用。因此.在机械传动中常用的齿廓只有渐开线齿廓、圆弧齿廓和摆线齿廓.然而渐开线齿廓应用最广泛。,上一页,返回,第三节 渐开线齿廓及特性,一、渐开线齿廓的形成及特性 1.渐开线的形成 图8一1中的直线NK沿一圆周做纯滚动

8、时.其上的任意一点K在其所在的平面上所形成的轨迹AK称为这个圆的渐开线。该圆称为渐开线AK的基圆. 直线NK称为渐开线的发生线.从基圆圆心O到K点的长度称为K点的向径。,下一页,返回,第三节 渐开线齿廓及特性,2.渐开线的特性 从渐开线形成的过程可以得知.渐开线的特性如下: (1)发生线上沿基圆滚过的长度NK等于基圆上被滚过的圆弧长度AN. (2)发生线NK是渐开线在任意点K的法线.同时也是基圆上N点的切线.NK的长度等于渐开线上K点的曲率半径.N点是K点的曲率中心。 (3)渐开线上任意点K的法线与该点的速度方向线所夹的锐角ak称为该点的压力角. (4)渐开线的形状与基圆的大小有关. (5)从

9、渐开线的形成过程中可以看出.基圆以内无法形成渐开线.,上一页,下一页,返回,第三节 渐开线齿廓及特性,二、渐开线齿廓的定比传动原理 如图82，在传动过程中.由于两齿轮的基圆大小和转动中心的位置不变.两轮的内公切线的方向和位置也不变。所以不论两齿廓在任何位置接触.其接触点的公法线都必将与连心线O1O2交于固定点P。由于P点的位置不变.所以O1P与O2P的长度也不变。根据啮合基本定律.其传动比为常数，所以.渐开线齿廓能保证定传动比传动。,上一页,返回,第四节 渐开线标准直齿圆柱的主要参数与几何尺寸,一、齿轮各部分名称和5个主要参数 1.齿数 2.齿顶圆 3.齿根圆 4.基圆 5.齿厚和齿槽宽 6.

10、齿距,下一页,返回,第四节 渐开线标准直齿圆柱的主要参数与几何尺寸,7.分度圆、模数和压力角 8.齿顶高、齿根高和全齿高 9.顶隙 10.基圆齿距 11.标准中心距和正确安装传动 12.传动比 二、渐开线标准直齿圆柱齿轮几何尺寸 渐开线标准直齿圆柱齿轮几何尺寸计算如表8-1所列。,上一页,返回,第五节 渐开线标准齿轮的啮合,一、渐开线齿轮正确啮合条件 前面已经知道渐开线齿廓能实现定传动比传动.但这并不是说任何两个渐开线齿轮都能装配起来正确传动.因为很明显.大模数齿轮的轮齿无法与小模数齿轮的齿槽相匹配.那么一对渐开线齿轮要正确地啮合传动.应该具备什么条件呢? 一对渐开线标准直齿圆柱齿轮传动的正确

11、啮合条件是:两齿轮的模数和压力角必须分别相等。,下一页,返回,第五节 渐开线标准齿轮的啮合,二、渐开线齿轮连续传动的条件 为了保证一对渐开线齿轮能够连续传动.必须在前一对啮合轮齿脱离啮合之前.后一对轮齿进入啮合.否则传动不能连续。,上一页,返回,第六节 渐开线齿廓的加工方法与根切现象,一、齿轮齿廓加工方法 轮齿的加工方法很多.有铸造法、热轧法、模锻法、冲压法和切削加工法等。最常用的是切削加工法。轮齿的切削加工方法按其原理可分为仿形法和范成法两类。 1.仿形法 仿形法是按照齿轮的形状来制造齿轮。切削加工方法中的仿形法是用与齿轮齿槽形状相同的圆盘铣刀或指状铣刀。在普通铣床上将轮坯齿槽部分的材料逐一

12、铣掉。铣齿时.铣刀绕其轴线转动.同时轮坯沿轴线方向进给.当铣完一个齿槽后.轮坯退回原处.然后用分度头将它转过360/z角度.再铣切第二个齿槽。这样一个一个齿槽地铣削.直到铣完全部齿槽为止。,下一页,返回,第六节 渐开线齿廓的加工方法与根切现象,2.范成法 范成法是利用一对齿轮无侧隙啮合传动时.其共扼齿廓互为包络线这一原理来加工齿轮。若把其中一个渐开线齿轮做成刀具.就可以切出另一个齿轮上与它共扼的渐开线齿廓. (1)齿轮插刀插齿 (2)齿条插刀插齿 (3)齿轮滚刀滚齿,上一页,下一页,返回,第六节 渐开线齿廓的加工方法与根切现象,二、根切现象和最少齿数 当齿轮的模数一定时.齿轮的齿数z取得少.可

13、以减小齿轮机构的尺寸和质量。但用范成法加工渐开线齿轮时.对其最少齿数是有限制的:当齿数少到一定程度后.会出现在被切齿轮靠近齿根处的渐开线齿廓被切去一部分.这种现象称为根切现象. 产生根切的齿轮.不但削弱了轮齿的抗弯强度.而且重合度也减小了.这对传动是极为不利的.应设法避免根切现象.,上一页,下一页,返回,第六节 渐开线齿廓的加工方法与根切现象,三、变位齿轮简介 标准齿轮虽有设计计算比较简单、互换性较好等一系列优点.但也存在许多不足之处。例如.为了避免加工时发生根切.标准齿轮的齿数不能少于最少齿数氛。标准齿轮不适用于实际中心距不等于标准中心距的场合。一对互相啮合的标准齿轮.小齿轮的齿根厚度小而啮

14、合次数又较多.故抗弯能力比大齿轮低为了改善标准齿轮的这些缺点.在机械中出现了变位齿轮.,上一页,下一页,返回,第六节 渐开线齿廓的加工方法与根切现象,加工齿轮时.若齿条刀具的中线与轮坯的分度圆相切并做纯滚动.由于刀具中线上的齿厚与齿槽宽相等.则被加工齿轮分度圆上的齿厚与齿槽距相等.其值为.因此被加工出来的齿轮为标准齿轮. 这种由于刀具相对于轮坯位置发生变化而加工的齿轮.称为变位齿轮.,上一页,返回,第七节 齿轮传动的失效形式及设计准则,一、轮齿的失效形式 工程上常见的齿轮失效形式分为齿体损伤和齿面损伤两大类.至于齿轮的其他部分如内圈、轮辐和轮毅一般情况下强度和刚度较为宽裕.很少失效。因此在这里

15、只介绍轮齿的失效。 轮齿的主要失效形式有以下5种。 1.轮齿折断 2.齿面点蚀 3.齿面磨损 4.齿面胶合 5.齿面塑性变形,下一页,返回,第七节 齿轮传动的失效形式及设计准则,二、设计准则 根据上述对齿轮传动失效形式的分析.在齿轮传动设计计算中一般遵循下述设计准则。 在闭式传动中.对于软齿面传动.由于齿面强度低.经常发生的失效形式是点蚀.其次是弯曲疲劳折断。因此.首先按接触疲劳强度设计计算.再校核齿根的弯曲疲劳强度。对于硬齿面传动.由于抗点蚀能力较强.轮齿弯曲折断的可能性较大。因此.首先按齿根弯曲疲劳强度设计计算.再校核齿面接触疲劳强度。,上一页,下一页,返回,第七节 齿轮传动的失效形式及设

16、计准则,在开式齿轮传动和闭式铸铁齿轮传动中.其主要失效形式是磨损和轮齿折断。因磨损尚无成熟的计算方法.故通常进行齿根弯曲疲劳强度设计计算.并通过适当增大模数(10%一15%)来补偿轮齿磨损的影响。 高速、重载齿轮传动的主要失效形式是胶合.设计准则是限制齿面温度.其计算方法见齿轮标准.,上一页,返回,第八节 齿轮常用材料和齿轮传动精度,一、齿轮常用材料及热处理 由齿轮传动的失效形式可知.设计齿轮传动时.应使齿面具有较高的抗磨损、抗点蚀及抗胶合能力.而齿根要有较高的抗折断能力。因此.对齿轮材料性能的要求为:齿面有足够的硬度和耐磨性.轮齿芯部有较强的韧性.以承受冲击、载荷和变载荷。 为了满足上述基本

17、要求.齿轮应用最多的材料是优质碳素钢、合金钢和铸铁。齿轮毛坯一般采用锻件.较大直径齿轮不宜锻造时.采用铸钢或球墨铸铁。开式齿轮传动.大齿轮常用铸铁制造对于小功率不重要的齿轮传动.为降低噪声可采用尼龙、夹布胶木等非金属材料。,下一页,返回,第八节 齿轮常用材料和齿轮传动精度,采用合适的热处理方法.可以使大、小齿轮具有适宜的配对硬度。考虑到小齿轮的接触次数大于大齿轮.为使大、小齿轮寿命接近.应使小齿轮的齿面硬度大于大齿轮齿面硬度。其硬度差一般控制在30-50 HBS之间。 一对配对齿轮中.大、小齿轮可以都是软齿面.也可以都是硬齿面.还可以一个为软齿面.另一个为硬齿面。,上一页,下一页,返回,第八节

18、 齿轮常用材料和齿轮传动精度,二、齿轮精度等级的选择 渐开线圆柱齿轮精度等级的国家标准为GB 10095-1988.规定了12个精度等级.其中1级的精度最高,12级的精度最低.常用的精度等级为69级。一般机械中的齿轮.当圆周速度v5m/s、采用插齿或滚齿加工、轮齿为直齿时.多采用8级精度。中、高速重载齿轮.当v10 m/s时可采用7级精度。低速、轻载、不重要的齿轮.可采用9级精度。范成法粗滚、成形铣等都属于低精度齿轮的加工方法.而较高精度的齿轮需在精密机床上用精插或精滚方法加工.对淬火齿轮需进行磨齿或研齿加工。 在设计齿轮传动时.应根据齿轮的用途、使用条件、传递的圆周速度和功率大小等.选择齿轮

19、精度等级。,上一页,返回,第九节 渐开线标准直齿圆柱齿轮的受力分析及其计算载荷,一、轮齿的受力分析 为了计算轮齿的强度以及设计轴和轴承等轴系零件.需首先确定作用在轮齿上的力。 图8一3所示为主动直齿圆柱齿轮在啮合传动时的受力情况。若忽略齿面间的摩擦力.则轮齿之间的法向力将沿着轮齿啮合点的公法线方向。作用在主动轮上的法向力可分解为两个互相垂直的分力.即圆周力F和径向力。 各力的方向是:圆周力指的方向.在主动轮上与啮合点的圆周速度方向相反.在从动轮上与啮合点的圆周速度方向相同。径向力厂，的方向对两轮都是由作用点指向各自的轮心。,下一页,返回,第九节 渐开线标准直齿圆柱齿轮的受力分析及其计算载荷,二

20、、计算载荷 由于齿轮、轴、轴承等的制造、安装误差以及载荷作用下的变形因素的影响.轮齿沿齿宽的作用力并非均匀分布.存在着载荷局部集中的现象。此外.由于原动机与工作机的载荷变化.以及齿轮制造误差和变形所造成的啮合传动不平稳等.都将引起附加载荷。因此.在计算齿轮强度时.通常用考虑了各种影响因素的计算载荷只代替名义载荷.,上一页,返回,第十节 渐开线标准直齿圆柱齿轮的强度计算,一、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。 1.齿面接触应力 两平行圆柱体接触应力分布情况。根据弹性力学中的赫兹公式.最大接触应力

21、为：,下一页,返回,第十节 渐开线标准直齿圆柱齿轮的强度计算,2.强度计算 (1)齿面接触疲劳强度的校核公式: (2)齿面接触疲劳强度的设计公式: 3.接触疲劳强度的许用应力:,上一页,下一页,返回,第十节 渐开线标准直齿圆柱齿轮的强度计算,二、齿根弯曲疲劳强度计算 1.齿根弯曲应力计算 2.齿根弯曲疲劳强度计算 (1)齿根弯曲疲劳强度的校核公式,上一页,下一页,返回,第十节 渐开线标准直齿圆柱齿轮的强度计算,(2)齿根弯曲疲劳强度的设计公式 3.轮齿弯曲疲劳许用应力,上一页,下一页,返回,第十节 渐开线标准直齿圆柱齿轮的强度计算,三、圆柱齿轮传动参数的选择和设计步骤 1.主要参数的选择 (1)小