齒輪傳動的特點和應用

齒輪動的特點應用12.1概述12.1.1齒輪傳動的特點和應用齒輪傳動是應用極為廣泛的傳動形式之一。特點:能夠傳遞任意兩軸間的運動和動力，傳動平穩(wěn)、可靠，效率高，壽命長，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動速度和功率范圍廣。但需要專門設(shè)備制造，加工精度和安裝精度較高，且不適宜遠距離傳動。12.1.2齒輪傳動的類型齒輪傳動的類型很多，按照兩齒輪傳動時的相對運動為平面運動或空間運動，可將其分為平面齒輪傳動和空間齒輪傳動兩大類1(平面齒輪傳動平面齒輪傳動是用于兩平行軸之間的傳動。外嚙合直齒圓柱齒輪傳動內(nèi)嚙合直齒圓柱齒輪傳動齒輪齒條傳動直齒條)外嚙合斜齒圓柱齒輪傳動人字齒輪傳動齒輪齒條傳動(斜齒條)2(間齒輪傳動空間齒輪傳動用于相交軸和交錯軸之間的傳動。

螺旋齒輪傳動直齒圓錐齒輪傳動曲齒圓錐齒輪傳動(交錯軸斜齒輪傳動)蝸桿傳動準雙曲面齒輪傳動齒輪傳動的類型外嚙合直齒圓柱齒輪傳動內(nèi)嚙合(輪齒與軸平行)齒輪齒條平面齒輪運動齒外嚙合斜齒圓柱齒輪傳動(傳遞平行軸間的運動)內(nèi)嚙合(輪齒與軸不平行)輪齒輪齒條人字齒輪傳動(輪齒成人字形)傳直齒傳遞相交軸運動(錐齒輪傳動)斜齒動空間齒輪運動交錯軸斜齒輪傳動(傳遞不平行軸間的運動)傳遞交錯軸運動蝸輪蝸桿傳動準雙曲面齒輪傳動12.1.3齒廓嚙合基本定律齒輪傳動要求準確平穩(wěn)，即要求在傳動過程中，瞬時傳動比保持不變，以免產(chǎn)生沖擊、振動和噪音。

不論齒廓在任何點接觸，過接觸點所作兩齒廓的公法線必須與連心線交于一固定點，這就是齒廓嚙合基本定律。12.2漸開線齒輪12.2.1漸開線的形成及基本性質(zhì)1.漸開線的形成2(漸開線的性質(zhì)根據(jù)漸開線的形成，可知漸開線具有下列一些特性1)發(fā)生線沿基圓滾過的直線長度，等于基圓上被滾過的圓弧長度2)發(fā)生線KN是漸開線在任意點K的法線。因此，發(fā)生線上任一點的法線必切于基圓。3)漸開線齒廓上某點的法線與該點的速度方向線所夾的銳角稱為該點的壓力角。k由上式可知，漸開線上各點的壓力角是不相等的。4)漸開線的形狀完全取決于基圓的大小。如圖所示，基圓半徑相等，則漸開線相同基圓半徑愈小，則漸開線愈彎曲;基圓半徑愈大，則漸開線愈平直;基圓半徑為無窮大時，則漸開線就變成直線。5)基圓內(nèi)無漸開線。12.2.2漸開線標準直齒圓柱齒輪的基本參數(shù)和幾何尺寸1.齒輪各部分的名稱和主要參數(shù)齒輪各部分的名稱zp=pdd=(p/p)zm=p/p

m——模數(shù)，單位為mmd=mzcosa=d/d=d/mzbb2.基本參數(shù)標準直齒圓柱齒輪的基本參數(shù)有五個:z、α、ha*、c*，其中ha*稱為齒頂高系數(shù)，c*稱為頂隙系數(shù)。這兩個系數(shù)在我國已標準化了，，c*=0.253.幾何尺寸計算幾何尺寸計算公式見表。公法線長度12.3漸開線標準直齒圓柱齒輪的嚙合傳動12.3.1漸開線齒輪嚙合傳動特點1.漸開線齒廓能保證瞬時傳動比恒定2.一對漸開線齒廓在任何位置嚙合時，接觸點的公法線都是同一條直線，這說明12一對漸開線齒廓從開始嚙合到脫離嚙合所有嚙合點均應在線上。因此，

NN是兩1212齒廓接觸點的軌跡線，稱為嚙合線。由于嚙合線與公法線是同一條直線，故齒廓間的正壓力方向不變。這有利于齒輪傳動的平穩(wěn)性。嚙合線NN與過節(jié)點的兩節(jié)圓公切線t-t所夾的銳角稱為嚙合角，用’表示(圖12-1217),顯然漸開線齒輪的嚙合角也是不變的。3.由圖可知，?ONP??ONP所以兩輪的傳動比還可以寫成112212.3.2漸開線齒輪嚙合傳動的條件1.正確嚙合條件須滿足p=p，且p=πmcosαb1b2bm=m12α=α12漸開線直齒圓柱齒輪的正確嚙合條件是兩輪的模數(shù)和壓力角分別相等。2.標準安裝條件為了避免沖擊、振動，理論上齒輪傳動應為無側(cè)隙傳動。對于滿足正確嚙合條件的一對標準齒輪，其分度圓上的齒厚與齒槽寬相等，即s=e=πm/2。所以，要保證無側(cè)隙傳動，要求分度圓與節(jié)圓重合。分度圓與節(jié)圓重合的安裝稱為標準安裝，此時的中心距稱為標準中心距。3.連續(xù)傳動條件1)漸開線齒輪的嚙合過程

2)連續(xù)傳動條件ε稱為重合度，它表明同時參與嚙合輪齒的對數(shù)。ε=1表明始終有一對齒嚙合，ε=2表明始終有兩對齒嚙合，而ε=1.3表明在齒輪轉(zhuǎn)過一個基圓齒距的時間內(nèi)有30%的時間是兩對齒嚙合，70%的時間是一對齒嚙合。12.4漸開線齒輪的切齒原理及變位齒輪的概念12.4.1漸開線齒輪的切齒原理齒輪加工方法很多，有鑄造法、熱軋法、沖壓法、粉末冶金法和切制法等等，最常用的是切制法。按其加工原理可分為仿形法和范成法。1.仿形法仿形法加工是刀具在通過其軸線的平面內(nèi)，刀刃的形狀和被切齒輪齒間形狀相同。一般采用盤形銑刀和指狀銑刀。如圖所示為盤形銑刀切制齒輪。切制時，銑刀轉(zhuǎn)動，同時毛坯沿其軸線移動一個行程，這樣就切出一個齒間。然后毛坯退回原來位置，將毛坯轉(zhuǎn)過0360/z，再繼續(xù)切制，直到切出全部齒間。由于漸開線形狀取決于基圓大小，而基圓直徑α，故齒廓形狀與模數(shù)、齒數(shù)、b壓力角有關(guān)。理論上，模數(shù)和壓力角相同，不同齒數(shù)的齒輪，應采用不同的刀具，這在實際中是不可能的。通常每種刀具加工一定范圍的齒數(shù)，刀具齒形此范圍內(nèi)某一特定的齒數(shù)設(shè)計。因此對大多數(shù)齒輪，這種加工在理論上就存在誤差。盤形銑刀切制齒輪指狀銑刀切制齒輪

銑直齒動畫演示銑斜齒動畫演示2.范成法范成法也稱展成法，是利用一對齒輪嚙合時兩輪的齒廓互為包絡線的原理加工齒輪的，如圖所示。加工時，刀具與齒坯相當于一對齒輪或齒輪與齒條)的無側(cè)隙嚙合傳動。范成法加工齒輪常用的刀具有齒輪插刀、齒條插刀和齒輪滾刀。插齒機加工直齒輪插齒機加工斜齒輪滾齒機加工直齒輪滾齒機加工斜齒輪用范成法加工齒輪，一把齒輪刀具可以加工模數(shù)、壓力角相同而齒數(shù)不同的齒輪，且生產(chǎn)率較高，所以應用廣泛。齒輪加工實景錄像12.4.2根切現(xiàn)象與不發(fā)生根切時的最少齒數(shù)1.根切現(xiàn)象用范成法加工齒輪時，若刀具的齒頂線(或齒頂圓超過嚙合極限點N時(如圖所示)，被切齒輪的根部被切去了一部分(如圖所示，這種現(xiàn)象稱為根切現(xiàn)象。根切2.不發(fā)生根切時的最少齒數(shù)

最少齒數(shù)2*Z=2h/sinamina*0當h=1，a=20，Z=17。amin12.4.3變位齒輪的概念1.變位齒輪的概念輪齒發(fā)生根切的原因是，刀具的齒頂線超過了嚙合極限點。如圖所示，我們可以將刀具向遠離輪坯中心的方向移動一個距離，刀具就不會切到輪齒的根部，從而不再發(fā)生根切現(xiàn)象。通過改變刀具和輪坯的相對位置來切制齒輪的方法稱為變位修正法，這樣切制的齒輪稱為變位齒輪。刀具向遠離輪坯方向移動，稱為正變位;刀具向靠近輪坯方向移動，稱為負變位。刀具移動量為xm，x稱為變位系數(shù)。正變位時，變位系數(shù)為正值;負變位時，變位系數(shù)為負值。(刀具可拉動由于加工變位齒輪時，齒輪的模數(shù)、壓力角、齒數(shù)以及分度圓、基圓都與標準齒輪相同，所以兩者的齒廓曲線是相同的漸開線，只是截取了不同的部位如圖所示)。由圖可以看出，正變位齒輪齒根部分齒厚增大，提高了齒輪的抗彎強度，而齒頂減薄;負變位齒輪與其相反。

2.不發(fā)生根切的最小變位系數(shù)由上圖可以看出，要避免根切，刀具的最小移動量為，刀具的齒頂線通過點，min則12.5漸開線直齒圓柱齒輪傳動的設(shè)計12.5.1失效形式齒輪失效一般都是其輪齒部分失效。主要失效形式有1(輪齒折斷輪齒象一個懸臂梁，受載后齒根部彎曲應力最大，而且有應力集中，使得輪齒容易在根部折斷。輪齒折斷分為兩種情況:一種是當重復受載后，齒根處產(chǎn)生疲勞裂紋，裂紋逐步擴展，致使輪齒折斷;另一種是輪齒受到短時過載或沖擊載荷而突然折斷。2(齒面點蝕齒輪工作時，其嚙合表面上任一嚙合點所產(chǎn)生的接觸應力是由零該點未進入嚙合時)逐漸變到最大值(該點嚙合時)，即齒面接觸應力是按脈動循環(huán)變化的。齒面長時間在這種循環(huán)應力作用下，齒的表面就會發(fā)生細微的疲勞裂紋，裂紋的擴展使表層金屬微粒剝落下來形成齒面點蝕。實踐表明，齒面點蝕多出現(xiàn)在輪齒節(jié)線附近靠齒根的一側(cè)。3(齒面膠合在高速重載的齒輪傳動中，由于齒面間壓力很大，造成嚙合面間潤滑油膜的破裂，使滑動速度較大的、直接接觸的金屬表面產(chǎn)生瞬時高溫而粘連，其中較軟齒面

上的金屬顆粒沿嚙合齒面相對滑動速度方向被另一齒面撕下，這種失效形式稱為齒面膠合，如圖12-30所示。在低速重載的齒輪傳動中，由于齒面間不易形成油膜，也可能出現(xiàn)膠合現(xiàn)象。為了提高齒輪的抗膠合能力，可以采用抗膠合能力強的潤滑油，選擇不同齒輪材料組合，提高齒面的硬度和光潔度等。4(齒面磨損當灰塵、砂粒、鐵屑等落入齒面間時，將引起齒面的磨粒磨損圖。閉式齒輪傳動，只要注意潤滑油的更換和清潔，一般不會出現(xiàn)這種齒面磨損。開式齒輪傳動，由于齒輪外露，其主要失效形式為齒面磨損。5(齒面塑性變形若輪齒的硬度較低，在嚙合過程中，輪齒齒面上會產(chǎn)生局部金屬流動現(xiàn)象——塑性變形，從而破壞了齒面的漸開線齒形。這種失效形式常在低速、過載和起動頻繁的傳動中發(fā)生。提高齒面硬度，選用粘度較高的潤滑油等，都有助于防止或減輕齒面塑性變形。12.5.2齒輪材料選擇1.齒輪材料的基本要求由齒輪的失效形式可知，對齒輪材料的基本要求為(1)齒面應有足夠的硬度;(2)齒芯應有足夠的強度和韌性;(3)應有良好的加工工藝性能及熱處理性能。齒輪常用材料是鋼，其次是鑄鐵，有時也采用非金屬材料。2.齒輪材料及熱處理1)鍛鋼2)鑄鋼

當齒輪的尺寸較大(大于400,600mm)而不便于鍛造時，可用鑄造方法制造成鑄鋼齒坯，再進行正火處理。鑄鋼耐磨性和強度均較好，承載能力稍低于鍛鋼。3)鑄鐵低速、輕載場合的齒輪可以制成鑄鐵齒坯。鑄鐵齒輪的加工性能、抗點蝕、抗膠合性能均較好，但強度低，耐磨性及抗沖擊性差。3.設(shè)計準則齒輪傳動的設(shè)計準則如下:對于閉式軟齒面齒輪傳動，齒面點蝕是主要的失效形式，應先按齒面接觸疲勞強度進行設(shè)計計算，確定齒輪的主要參數(shù)和尺寸，然后再按彎曲疲勞強度校核齒根的彎曲強度。閉式硬齒面齒輪傳動常因齒根折斷而失效，故通常先按齒根彎曲疲勞強度進行設(shè)計計算，確定齒輪的模數(shù)和其他尺寸，然后再按接觸疲勞強度校核齒面的接觸強度。對于開式齒輪傳動中的齒輪，齒面磨損為其主要失效形式，故通常按照齒根彎曲疲勞強度進行設(shè)計計算，確定齒輪的模數(shù)，考慮磨損因素，再將模數(shù)增大10,—20,，而無需校核接觸強度。12.5.3齒輪傳動精度等級選擇在設(shè)計齒輪傳動時，應根據(jù)齒輪的用途、使用條件、傳遞的圓周速度和功率大小等，選擇齒輪精度等級。各精度等級對應的各項公差值，可查GB10095或有關(guān)設(shè)計手冊。12.5.4直齒圓柱齒輪傳動設(shè)計1.輪齒受力分析和計算載荷1)受力分析

式中:T是主動輪傳遞的扭矩;d是主動輪分度圓直徑;α是壓力角。11在主動輪上圓周力的方向與轉(zhuǎn)動方向相反在從動輪上圓周力的方向與轉(zhuǎn)動方向一致。徑向力的方向分別指向各自的輪心。2)計算載荷由上式計算的載荷均為齒輪的名義載荷，考慮齒輪傳動實際工況等影響因素，通過修正'計算得到的載荷，稱為計算載荷F。在齒輪傳動強度計算中，載荷大小應按計算載荷n進行。F'n=KFn2.齒面接觸疲勞強度計算齒面點蝕主要于齒面的接觸應力的大小有關(guān)。為防止齒面點蝕，應保證齒面的最大接觸應力σ不大于齒輪材料的許用接觸應力[σ]。HH3.齒根彎曲疲勞強度計算齒根彎曲疲勞強度計算是為了防止齒根出現(xiàn)疲勞折斷。因此，應保證齒根最大彎曲應力σ不大于齒輪材料的許用彎曲應力[σ]。FF12(6(1斜齒圓柱齒輪傳動1(斜齒圓柱齒輪齒廓曲面的形成、嚙合特點及應用1)斜齒圓柱齒輪齒廓曲面的形成當發(fā)生面繞基圓柱作純滾動時，發(fā)生面上與基圓柱的軸線相平行的一條直線KK(見圖)在空間的運動軌跡就形成了直齒輪的漸開線齒面，簡稱漸開面。

斜齒輪齒面形成的原理和直齒輪一樣，也是發(fā)生面繞基圓柱作純滾動，所不同的是形成漸開面的直線KK不再與軸線平行，而是與軸線方向偏斜了一個角度βb，所以形成的曲面稱為漸開螺旋面。2)嚙合特點直齒圓柱齒輪傳動時，齒面上的接觸線是一條與軸線平行的直線。這就使輪齒的嚙合沿整個齒寬同時接觸或同時分離，比較容易引起沖擊、振動和噪音。斜齒輪傳動齒面上的接觸線先由短變長，再由長變短，輪齒是逐漸進入和脫離嚙合的。這種接觸方式使斜齒輪傳動比較平穩(wěn)，沖擊和噪音小。由于斜齒輪的輪齒是螺旋形的，所以在嚙合區(qū)內(nèi)，齒面上接觸線的總長度比同樣參數(shù)直齒輪的齒面接觸線長，故斜齒輪的承載能力也較大。2.斜齒圓柱齒輪的基本參數(shù)由于斜齒輪的輪齒是螺旋形的，所以斜齒輪上的參數(shù)有端面與法面之分。與軸線垂直的平面稱為端面，與螺旋線垂直的平面稱為法面。端面中的參數(shù)和法面中的參數(shù)分別加以下標“t”和“n”。法面參數(shù)為標準值。1)螺旋角不同圓柱上的螺旋角是不相同的。分度圓柱上的螺旋角簡稱螺旋角)

4)正確嚙合條件斜齒輪的正確嚙合條件除應滿足兩輪模數(shù)和壓力角對應相等外，兩輪的螺旋角還應大小相等，旋向相反(內(nèi)嚙合旋向相同)。3(斜齒圓柱齒輪的幾何尺寸計算斜齒輪的幾何尺寸計算見表12-7。12.6.2圓錐齒輪傳動1.直齒圓錐齒