模块六 齿轮机构与齿轮传动教学课件 机械设计基础（第2版）.pptx

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1、模块六机械设计基础齿轮机构与齿轮传动模块六 齿轮机构与齿轮传动Module Six Gear mechanism and gear drive知识目标理解齿轮机构的运动规律,了解这些规律在工程实际中的应用。理解齿轮传动失效形式和设计准则,了解误差对传动的影响和齿轮精度的选择。掌握直齿圆柱齿轮传动的强度计算和设计步骤。了解圆锥齿轮传动的设计。认识齿轮的结构与齿轮传动的润滑。技能目标根据使用要求选用齿轮机构的类型,并能设计选择标准直齿圆柱齿轮的主要参数。根据齿轮传动应用的场合,选择齿轮的材料和齿轮精度。能够设计简单的齿轮传动,并采取措施避免齿轮传动的失效。根据需要,选择适当的齿轮结构与润滑形式。模

2、块六 齿轮机构与齿轮传动Module Six Gear mechanism and gear drive齿轮机构是现代机械中应用最广泛的一种传动机构,它可以用来传递空间任意两轴间的运动和动力,传递的功率和适用的速度范围大。齿轮传动是机械传动中应用最为广泛的一种传动形式,一般利用一对齿轮将一根轴的转动传递给另一根轴,并可改变转动速度和转动方向,如图6-1所示。本模块主要介绍直齿齿轮机构设计与分析、其他常用齿轮机构、齿轮传动的失效与精度、直齿圆柱齿轮传动、其他齿轮传动等知识点,为齿轮传动的基本设计提供知识支撑。图6-1齿轮传动模块六 齿轮机构与齿轮传动Module Six Gear mechani

3、sm and gear drive目录CONTENTS齿轮机构设计与分析Gear mechanism design and analysis 壹其他常用齿轮机构Other commonly used gear mechanisms 贰齿轮传动的失效与精度Failure and accuracy of gear drives 叁直齿圆柱齿轮传动Straight-toothed cylindrical gear drive 肆其他齿轮传动Other gear drives 伍齿轮机构设计与分析 Gearmechanismdesignandanalysis壹一、齿轮机构的特点与类型 1.齿轮机构的特

4、点 齿轮机构的类型很多,可按不同的条件加以分类。(1)根据两齿轮轴线的相互位置分类。两轴线平行,有直齿圆柱齿轮机构见图6-2(a)、斜齿圆柱齿轮机构见图6-2(b)、人字齿圆柱齿轮机构见图6-2(c)。两轴线相交,有直齿圆锥齿轮机构见图6-2(f)、斜齿圆锥齿轮机构。两轴线相错,有螺旋齿轮机构见图6-2(g)、蜗杆蜗轮机构见图6-2(h)。一、齿轮机构的特点与类型 2.齿轮机构的类型图6-2 齿轮机构的类型(2)根据两齿轮啮合方式分类,有外啮合齿轮机构见图6-2(a)、内啮合齿轮机构见图6-2(d)、齿轮齿条机构见图6-2(e)。(3)根据齿轮齿廓曲线的形状分类,有渐开线齿轮机构、摆线齿轮机构

5、、圆弧齿轮机构。(4)根据工作条件分类,有闭式传动齿轮机构、开式传动齿轮机构。一、齿轮机构的特点与类型 2.齿轮机构的类型图6-2 齿轮机构的类型 齿轮机构是高副机构,一对齿轮的传动是通过主动轮齿廓与从动轮齿廓依次啮合实现的。为保证齿轮传动准确平稳,其瞬时传动比应保持恒定不变,即一对相互啮合的齿廓无论在任何位置啮合,其两轮的传动比恒等于连心线被齿廓接触点的公法线所分成的两段的反比。这就是齿廓啮合基本定律。连心线与齿廓接触点的公法线的交点C称为啮合节点。过节点所作的两个相切的圆称为节圆。传动比与节圆半径成反比。二、渐开线齿廓分析1.齿廓啮合的基本定律二、渐开线齿廓分析1.齿廓啮合的基本定律图6-

6、3 齿廓啮合基本定律设在半径为rb的圆上有一直线L与其相切,如图6-4所示,当直线L沿圆周做纯滚动时,直线上一点K的轨迹为该圆的渐开线。该圆称为渐开线的基圆,直线L称为渐开线的发生线。任意两条反向的渐开线形成渐开线齿廓。二、渐开线齿廓分析2.渐开线齿轮齿廓的形成 图6-4 渐开线的形成图6-5所示为标准直齿圆柱齿轮的一部分,其各部分名称和符号如下。(1)齿宽。在齿轮轴线方向量得的齿轮宽度,用b表示。(2)齿槽宽。齿轮相邻两齿之间的空间称为齿槽,一个齿槽的两侧齿廓之间的弧长称为齿槽宽,用e表示。(3)齿厚。在一个齿的两侧端面齿廓之间的弧长称为齿厚,用s表示。二、渐开线齿廓分析3.渐开线齿轮各部分

7、的名称图6-5 标准直齿圆柱齿轮二、渐开线齿廓分析3.渐开线齿轮各部分的名称图6-5 标准直齿圆柱齿轮(8)分度圆。为了设计和制造的方便,在齿顶圆和齿根圆之间规定了一个圆,作为计算齿轮各部分尺寸的基准,该圆称为分度圆。分度圆上各参数符号规定不带角标,用r和d分别表示其半径和直径。在标准齿轮中分度圆上的齿厚s与齿槽宽e相等。(9)全齿高。齿顶圆与齿根圆之间的径向距离称为齿高,用h表示。(10)齿顶高。齿顶圆与分度圆之间的径向距离称为齿顶高,用ha表示。(11)齿根高。齿根圆与分度圆之间的径向距离称为齿根高,用hf表示。二、渐开线齿廓分析3.渐开线齿轮各部分的名称图6-5 标准直齿圆柱齿轮二、渐开

8、线齿廓分析4.渐开线直齿圆柱齿轮的基本参数 二、渐开线齿廓分析二、渐开线齿廓分析4.渐开线直齿圆柱齿轮的基本参数 图6-6渐开线齿廓上的压力角二、渐开线齿廓分析4.渐开线直齿圆柱齿轮的基本参数 二、渐开线齿廓分析5.标准直齿圆柱齿轮几何尺寸的计算公式二、渐开线齿廓分析例6-1 二、渐开线齿廓分析二、渐开线齿廓分析6.渐开线齿廓的啮合特性二、渐开线齿廓分析6.渐开线齿廓的啮合特性二、渐开线齿廓分析6.渐开线齿廓的啮合特性二、渐开线齿廓分析6.渐开线齿廓的啮合特性齿轮轮齿成形的加工方法很多,如切削法、铸造法、热轧法、冲压法、模锻法等,切削法最常用。按加工原理,切削法分为仿形法和范成法两种。1)仿形

9、法仿形法是利用成形刀具的轴面齿形与渐开线齿槽形状一致的特点,直接在轮坯上加工出齿形。常用的成形刀具有盘状齿轮铣刀见图6-7(a)和指状齿轮铣刀见图6-7(b)两种。1.渐开线齿形的切齿原理三、渐开线齿形的切齿原理与根切图6-7仿形法加工轮齿2)范成法范成法是利用一对齿轮(或齿轮齿条)相互啮合过程中两轮齿廓互为包络线的原理切制轮齿的加工方法。将其中一个齿轮(或齿条)制成刀具,当它的节圆(或齿条刀具的节线)与被加工的轮坯的节圆(分度圆)做纯滚动时,刀具的齿廓包络出被加工齿轮的齿廓。常用的范成法成形加工有插齿法和滚齿法等。图6-8所示为插齿切齿,加工不连续,生产率较低。图6-9所示为齿轮滚刀切齿的情

10、形,加工连续。滚刀是一个在轮坯端面上的投影具有齿条插刀齿形的螺杆。1.渐开线齿形的切齿原理三、渐开线齿形的切齿原理与根切图6-8 插齿切齿 图6-9 齿轮滚刀切齿齿轮加工时根部被切除的现象称为根切,如图6-10所示。根切不仅削弱了轮齿的抗弯强度,影响轮齿的承载能力,而且使轮齿的啮合过程缩短,重合度下降,齿轮传动的平稳性降低,因此应力求避免。范成法切制的标准齿轮受根切限制,直齿圆柱齿轮不发生根切的最少齿数z=17。因此,制造齿轮时最少齿数是17。如果希望小齿轮的齿数小于17而又不发生根切,就必须采用(正)变位齿轮,即刀具相对轮坯离开一小段距离xm(比加工标准齿轮时),其中m为模数,x为变位系数,

11、xm为变位量。有关变位齿轮的详细介绍,请参阅有关书籍。2.渐开线齿形的根切三、渐开线齿形的切齿原理与根切图6-10 根切机械设计课程中有很多设计准则,这些设计准则蕴含着丰富的哲理。齿轮的设计准则为:根据齿面硬度、开式或闭式安装形式,来判断齿轮是按照齿面接触疲劳强度设计,还是按照齿根弯曲疲劳强度设计。以闭式安装为例,若是软齿面,则齿轮容易发生齿面疲劳点蚀,因此按照齿面接触疲劳强度设计;若是硬齿面,则容易发生齿根折断,因此按照齿根弯曲疲劳强度设计。因此,齿轮设计准则实际是一个找出齿轮弱点,再针对弱点设计的过程。对于个人而言,应该常常自省,寻找自己的缺点,及时发现自身的思想薄弱点、意志薄弱点。根据自

12、己的薄弱环节,及时调整和矫正,使自己回到正确的人生轨道,并且人格趋于完善。延 伸 阅 读三、渐开线齿形的切齿原理与根切在一个齿轮系统中,若一个齿轮发生失效,则整个齿轮系统将无法继续工作。因此,齿轮系统设计时要根据齿形系数、应力修正系数和许用强度来判断易失效的齿轮,针对薄弱环节进行设计。只有每个齿轮强度都合格,整个齿轮系统才能可靠工作。这种设计思想很像个人与集体关系,集体仿佛是一个齿轮系统,而个人是一个齿轮。如果个人思想出现偏差,素质不达标,就会影响整个集体的发展。因此,为了使集体可以高速地运转,个人应该不断学习,使自身的思想与集体的思想吻合,努力提升自己水平,满足集体的要求,这样才能为集体做出

13、贡献。当每个人都肩负了集体责任感,同时具有集体荣誉感,这一个集体的良好运转则是水到渠成的事情。同时,当集体高效率运转时,反过来也可以激发自身的发展。延 伸 阅 读三、渐开线齿形的切齿原理与根切其他常用齿轮机构 Othercommonlyusedgearmechanisms贰在叙述直齿圆柱齿轮机构的齿廓时是仅就齿轮的端面来讨论的。实际上,齿轮具有宽度,因此,形成渐开线的基圆应是基圆柱,发生线应是发生面。当发生面沿基圆柱做纯滚动时,发生面上与基圆柱母线NN平行的任一直线KK的轨迹,即渐开线曲面,如图6-11所示。图6-11 直齿轮齿廓的形成 一、斜齿圆柱齿轮机构图6-12 斜齿轮齿廓的形成一、斜齿

14、圆柱齿轮机构一对平行轴斜齿圆柱齿轮啮合时,斜齿轮的轮齿是逐渐进入啮合、逐渐脱离啮合的,载荷沿齿宽逐渐加上或卸下,因此其传动平稳性比直齿轮好,减少了冲击、振动和噪音,在高速和大功率传动中得以广泛应用。但是,由于斜齿轮的轮齿是螺旋形的,故比直齿轮传动要多一个轴向分力。一、斜齿圆柱齿轮机构圆锥齿轮用于传递两相交轴之间的运动和动力,两轴交角可根据需要确定,一般机械中多采用90,其轮齿分布在一个截锥体的锥面上,因此其齿形从大端到小端逐渐变小。圆锥齿轮的轮齿分直齿、斜齿和曲齿三种类型,与圆柱齿轮相仿,有齿顶圆锥、分度圆锥、齿根圆锥和基圆锥之分。一、斜齿圆柱齿轮机构为了便于计算和测量,规定大端的参数为标准值

15、。直齿圆锥齿轮在设计、制造和安装等方面都较简便,故应用广泛。曲齿与直齿相比传动平稳,承载能力高,常用于高速、重载传动,如汽车、拖拉机、飞机中的锥齿轮机构,但其设计、制造比较复杂。图6-13所示为直齿圆锥齿轮机构,图6-14所示为曲齿圆锥齿轮机构。二、圆锥齿轮图6-13 直齿圆锥齿轮机构 图6-14 曲齿圆锥齿轮机构蜗杆蜗轮机构由蜗杆和蜗轮组成,用于传递空间两交错轴之间的运动和动力,两轴的交错角通常为90,如图6-15所示。通常蜗杆为主动件,外形与螺杆相似,其螺纹有单头和多头、左旋和右旋之分;蜗轮的形状与斜齿轮相似,但为了使蜗杆和蜗轮齿面更好地接触,轮齿沿齿宽方向为圆弧形。蜗轮螺旋角的大小、方向

16、与蜗杆螺旋升角的大小、方向相同。1.蜗杆蜗轮机构的组成图6-15 蜗杆蜗轮机构三、蜗杆蜗轮机构根据蜗杆的形状,可将常用的蜗杆传动分为圆柱蜗杆传动和圆弧面蜗杆传动两大类。圆柱蜗杆传动按蜗杆齿形又可分为阿基米德蜗杆传动、延长渐开线蜗杆传动、渐开线蜗杆传动和圆弧齿蜗杆传动。2.蜗杆传动机构的类型三、蜗杆蜗轮机构3.蜗杆传动的特点三、蜗杆蜗轮机构3.蜗杆传动的特点三、蜗杆蜗轮机构齿轮传动的失效与精度 Failureandaccuracyofgeardrives叁齿轮传动的失效与精度与齿轮的结构、材料、热处理及润滑方式息息相关。齿轮有锻造齿轮、铸造尺寸和焊接齿轮之分。1)锻造齿轮对于齿顶圆直径da500

17、mm的齿轮,通常采用锻造齿轮,其常用的结构形式有齿轮轴、实心式齿轮和腹板式齿轮。(1)齿轮轴。若圆柱齿轮的齿根圆到键槽底面的径向距离e2.5m(或mn),圆锥齿轮小端齿根圆到键槽底面的径向距离e1.6m,则可将齿轮与轴做成一体,称为齿轮轴。图6-16(a)所示为圆柱齿轮轴,图6-16(b)所示为圆锥齿轮轴。1.齿轮的结构一、齿轮的结构、材料与热处理图6-16 圆柱齿轮轴与圆锥齿轮轴(2)实心式齿轮。若齿轮齿根圆的直径大于轴的直径,则当齿轮的齿顶圆直径da200mm,并且e不满足上述条件时,应将齿轮与轴分开制造,以便于制造和装配。这种齿轮一般制成实心结构,如图6-17所示。(3)腹板式齿轮。当2

18、00mmda400mm的圆柱齿轮,以及齿顶圆直径da300mm的圆锥齿轮来说,由于锻造困难,大多采用铸造齿轮。圆柱齿轮可铸成轮辐式结构,如图6-19(a)所示;圆锥齿轮可铸成带加强肋的腹板式结构,如图6-19(b)所示。3)焊接齿轮对于单件或小批量生产的大直径齿轮,为降低成本,缩短加工周期,常采用焊接结构。1.齿轮的结构一、齿轮的结构、材料与热处理图6-19铸造齿轮为了使齿轮能正常工作,齿轮材料应保证轮齿表面有足够的硬度,以增强它的抗点蚀、抗磨损、抗胶合和抗塑性变形的能力;轮芯部应有足够的强度和韧性,以抵抗齿根折断和冲击载荷;同时材料应具有良好的加工性能和热处理性能,使之便于加工,利于提高其力

19、学性能。常用齿轮材料及其力学性能见表6-3。2.齿轮的材料与热处理一、齿轮的结构、材料与热处理一、齿轮的结构、材料与热处理一、齿轮的结构、材料与热处理2.齿轮的材料与热处理一、齿轮的结构、材料与热处理一般要求的齿轮传动可采用软齿面齿轮。为了减小胶合的可能性,并使配对的大小齿轮寿命相当,通常使小齿轮齿面硬度比大齿轮齿面硬度高出3050HBS。对于高速、重载或重要的齿轮传动,可采用硬齿面齿轮组合,齿面硬度可大致相同。按照齿轮热处理后齿面硬度的高低,齿轮传动分为软齿面齿轮传动(齿面硬度小于等于350HBS)和硬齿面齿轮传动(齿面硬度大于350HBS)两类。2.齿轮的材料与热处理一、齿轮的结构、材料与

20、热处理调质后材料的综合性能良好,硬度一般为280300HBS,切齿后的精度一般可达8级,精切可达7级。正火处理可以改善材料的力学性能和切削性能,齿面硬度一般为150200HBS。软齿面齿轮容易加工制造,成本较低,常用于一般用途的中、小功率的齿轮传动。2.齿轮的材料与热处理一、齿轮的结构、材料与热处理2)硬齿面齿轮对于硬齿面齿轮,通常是在调质后切齿,然后进行表面硬化处理。有的齿轮在硬化处理后还要进行精加工(如磨齿、剃齿等),故调质后的切齿应留有适当的加工余量。硬齿面主要用于高速、重载或要求尺寸紧凑的重要传动中。齿轮齿面硬度配对见表6-4。一、齿轮的结构、材料与热处理2.齿轮的材料与热处理一、齿轮

21、的结构、材料与热处理齿轮在啮合传动时,由于齿面之间存在着相对滑动,必然会产生摩擦和磨损,造成能量损耗,而使传动效率降低。润滑对于齿轮传动十分重要,尤其是高速齿轮传动。润滑不仅可以减少齿轮啮合处的摩擦和磨损,还可以起到降低噪声、减缓冲击、散热等作用,提高齿轮的传动效率并延长使用寿命。齿轮传动按工作条件分为闭式齿轮传动和开式齿轮传动。1.闭式齿轮传动的润滑闭式齿轮传动的润滑方式有油池润滑和喷油润滑两种,一般根据齿轮的圆周速度来确定。当齿轮的圆周速度v12m/s时,为了避免搅油损失过大,常采用喷油润滑,如图6-20(c)所示。图6-20 齿轮传动的润滑方式对于开式或半开式齿轮传动,由于其传动速度较低

22、,通常采用人工定期润滑的方式,即定期将润滑脂或润滑油加到啮合表面进行润滑。2.开式齿轮传动的润滑二、齿轮传动的润滑齿轮由于某种原因不能正常工作的现象称为失效。常见失效形式有轮齿折断、齿面点蚀、齿面磨损、齿面胶合、齿面塑性变形等。1)轮齿折断齿轮在工作时,轮齿像悬臂梁一样承受弯曲应力,在其齿根部分的弯曲应力最大,而且在齿根的过渡圆角处有应力集中,当交变的齿根弯曲应力超过材料的弯曲疲劳极限应力时,在齿根处受拉一侧就会产生疲劳裂纹,随着裂纹的逐渐扩展,从而导致齿轮一个或多个齿整体或局部折断,这种现象称为轮齿折断。1.齿轮传动的失效形式三、齿轮传动的失效形式与设计准则用脆性材料(如铸铁、整体淬火钢等)

23、制成的齿轮,当受到严重过载或很大冲击时,轮齿容易发生突然折断。直齿轮轮齿的折断一般是全齿折断,如图6-21(a)所示,斜齿轮和人字齿轮,由于接触线倾斜,一般是局部齿折断,如图6-21(b)所示。1.齿轮传动的失效形式三、齿轮传动的失效形式与设计准则图6-21轮齿折断一般地说,为防止轮齿折断,首先应对轮齿进行抗弯疲劳强度计算,使齿轮必须具有足够的模数;其次采用增大齿根过渡圆角半径、降低表面粗糙度、进行齿面强化处理(如喷丸)、减轻加工过程中的损伤等工艺措施,有利于提高轮齿抗疲劳折断的能力;最后尽可能消除载荷的分布不均匀现象,可有效避免轮齿的局部折断。2)齿面点蚀轮齿进入啮合时,轮齿齿面上会产生很大

24、的接触应力。对于轮齿表面上的某一局部来说,它受到的是交变的接触应力。如果接触应力超过了轮齿材料的许用接触应力,在载荷的多次反复作用下,齿面表层就会出现不规则的细微的疲劳裂纹。1.齿轮传动的失效形式三、齿轮传动的失效形式与设计准则图6-22齿面点蚀实践表明,齿面的疲劳点蚀一般首先出现在靠近节线处的齿根表面上,然后向其他部位蔓延和扩展,如图6-22所示。为防止齿面过早点蚀,可采用提高齿面硬度、降低齿面粗糙度、使用黏度较高的润滑油等措施。一般在闭式软齿面齿轮设计时,应按齿面接触疲劳强度进行设计计算。3)齿面磨损轮齿在啮合过程中存在相对滑动,致使齿面间产生摩擦、磨损。当金属微粒、砂粒、灰尘等硬质磨粒进

25、入轮齿间时引起磨粒磨损,如图6-23所示。齿面磨损使渐开线齿廓破坏,齿厚减薄,致使侧隙增大而引起冲击和振动,还会因齿厚减薄使强度降低而导致轮齿折断。1.齿轮传动的失效形式三、齿轮传动的失效形式与设计准则图6-23齿面磨损闭式齿轮传动中,只要经常注意润滑油的更换和清洁,一般不会发生磨粒磨损。但在开式齿轮传动中,由于磨损速度较快,通常齿面还来不及达到点蚀的程度,其表层材料就已被磨砺,引起磨粒磨损,因此点蚀现象一般不会发生。4)齿面胶合在高速重载齿轮传动中(如航空齿轮传动),齿面间压力大、相对滑动速度大,摩擦发热多,使啮合点处瞬时温度过高,润滑失效,致使相啮合两齿面金属尖峰直接接触并相互粘连在一起,

26、当两齿面相对运动时,粘连的地方即被撕开,在齿面上沿相对滑动方向形成条状伤痕,这种现象称为齿面胶合,如图6-24所示。1.齿轮传动的失效形式三、齿轮传动的失效形式与设计准则图6-24齿面胶合4)齿面胶合在低速重载齿轮传动中,由于齿面间润滑油膜难以形成,或由于局部偏载使油膜破坏,也可能发生胶合。胶合发生在齿面相对滑动速度大的齿顶或齿根部位。齿面一旦出现胶合,不但齿面温度升高,而且齿轮的振动和噪声也增大,导致失效。提高齿面抗胶合能力的方法有:减小模数,降低齿高,降低滑动系数;提高齿面硬度和降低齿面粗糙度;采用齿廓修形,提高传动平稳性;采用抗胶合能力强的齿轮材料和加入极压添加剂的润滑油;等等。1.齿轮

27、传动的失效形式三、齿轮传动的失效形式与设计准则图6-24齿面胶合5)齿面塑性变形重载时,在摩擦力作用下,轮齿表层材料将沿着摩擦力方向发生塑性流动,导致主动齿轮齿面节线处出现凹坑,从动齿轮齿面节线处出现凸脊,此称为齿面塑性变形,如图6-25所示。齿面塑性变形使齿形被破坏,直接影响齿轮的正常啮合。为防止齿面的塑性变形,可采取提高齿面硬度、选用黏度较高的润滑油等措施。1.齿轮传动的失效形式三、齿轮传动的失效形式与设计准则图6-25齿面塑性变形针对上述各种不同的失效形式,各有相应的工作能力判定条件。这种为了防止失效以满足齿轮的工作要求而制定相应的判定条件,通常称为齿轮工作能力的设计准则,主要有强度、刚

28、度、耐磨性和稳定性准则等。2.齿轮传动的设计准则三、齿轮传动的失效形式与设计准则1)闭式齿轮传动设计准则在闭式齿轮传动中,齿轮封闭在箱体内,保持良好的润滑,是传动系统精度和刚度都比较好的场合。闭式齿轮传动的主要失效形式为齿面点蚀和轮齿的弯曲疲劳折断。当采用软齿面(硬度350HBS)时,其齿面接触疲劳强度相对较低,因此设计时首先按齿面接触疲劳强度条件进行设计计算,并确定齿轮的主要参数和尺寸,然后按轮齿的弯曲疲劳强度进行校核。当采用硬齿面(硬度350HBS)时,一般首先按轮齿的弯曲疲劳强度条件进行设计计算,确定齿轮的模数及其主要几何尺寸,然后校核其齿面接触疲劳强度。2.齿轮传动的设计准则三、齿轮传

29、动的失效形式与设计准则2)开式齿轮传动设计准则在开式齿轮传动中齿轮暴露在外界,杂物容易侵入齿轮啮合区域,不能保证良好的润滑,且传动系统精度和刚度都较低,只适用于低速传动。开式齿轮传动的主要失效形式为磨粒磨损。通常按照齿根弯曲疲劳强度进行设计计算,确定齿轮的模数及其他参数,但考虑磨粒磨损的影响再将模数增大10%20%,无须校核齿面接触疲劳强度。2.齿轮传动的设计准则三、齿轮传动的失效形式与设计准则制造和安装齿轮传动装置时,不可避免地会产生误差(如齿形误差、齿距误差、齿向误差、两轴线不平行等)。误差对传动带来以下三方面的影响。1.误差对传动的影响四、齿轮传动的精度(1)相啮合齿轮在一转范围内实际转

30、角与理论转角不一致,即影响传递运动的准确性。(2)瞬时传动比不能保持恒定不变,齿轮在一转范围内会出现多次重复的转速波动,特别在高速传动中将引起振动、冲击和噪声,影响传动的平稳性。(3)齿向误差能使齿轮上的载荷分布不均匀,当传递较大转矩时,易引起早期损坏,即影响载荷分布的均匀性。按国家标准规定,齿轮和齿轮副分为12个精度等级,从112级精度依次降低。其中1、2级是为发展前景而规定的,目前加工工艺水平还难以达到;35级属于高精度,68级属于中精度,912级属于低精度。两个齿轮的精度等级一般是相同的,也允许采用不同等级。2.齿轮精度等级的选择四、齿轮传动的精度选择齿轮精度等级时必须按其用途、工作条件

31、及技术要求,如圆周速度、传递的功率、运动精度、振动和噪声、工作持续时间和使用寿命等要求来确定,同时应考虑工艺性和经济性。目前,生产上一般采用类比法选定齿轮精度,即参照经过实践验证的、适用产品性能和工作条件的经验资料,进行精度等级选择。表6-5列出了各种机械采用的齿轮精度等级,表6-6列出了部分齿轮精度等级的适用范围,供选用时参考。四、齿轮传动的精度四、齿轮传动的精度直齿圆柱齿轮传动 Straight-toothedcylindricalgeardrive肆对轮齿上的作用力进行分析是进行齿轮承载能力计算、设计支承齿轮的轴以及选用轴承的基础。如图6-26所示,在理想状态下,齿轮工作时载荷沿接触线均

32、匀分布,为简化分析常以作用在齿宽中点C处的集中力来代替该均布力。图6-26 直齿圆柱齿轮的受力分析一、直齿圆柱齿轮传动的受力分析图6-26 直齿圆柱齿轮的受力分析一、直齿圆柱齿轮传动的受力分析一、直齿圆柱齿轮传动的受力分析图6-27 直齿圆柱齿轮各力的方向二、轮齿的计算载荷二、轮齿的计算载荷1.齿面接触疲劳强度计算三、直齿圆柱齿轮传动的强度计算三、直齿圆柱齿轮传动的强度计算1.齿面接触疲劳强度计算三、直齿圆柱齿轮传动的强度计算1.齿面接触疲劳强度计算三、直齿圆柱齿轮传动的强度计算三、直齿圆柱齿轮传动的强度计算图6-28 齿面接触疲劳寿命系数ZN1.齿面接触疲劳强度计算三、直齿圆柱齿轮传动的强度

33、计算1.齿面接触疲劳强度计算三、直齿圆柱齿轮传动的强度计算轮齿齿根的弯曲疲劳强度计算是为了防止轮齿根部的疲劳折断。轮齿的疲劳折断主要与齿根弯曲应力的大小有关。为简化计算,假定全部载荷由一对轮齿承担,且载荷作用于齿顶时齿根部分产生的弯曲应力最大。计算时可将轮齿看作宽度为b的悬臂梁。轮齿的折断位置一般发生在齿根部的危险截面处。危险截面可用30切线法来确定,即作与轮齿对称中心线成30角并与齿根过渡曲线相切的两条直线,连接两个切点的截面即为齿根的危险截面,如图6-30所示。2.齿根弯曲疲劳强度计算三、直齿圆柱齿轮传动的强度计算图6-30 齿根弯曲危险截面2.齿根弯曲疲劳强度计算三、直齿圆柱齿轮传动的强

34、度计算三、直齿圆柱齿轮传动的强度计算2.齿根弯曲疲劳强度计算三、直齿圆柱齿轮传动的强度计算三、直齿圆柱齿轮传动的强度计算2.齿根弯曲疲劳强度计算三、直齿圆柱齿轮传动的强度计算图6-32 齿根弯曲疲劳寿命系数YN2.齿根弯曲疲劳强度计算3.公式应用注意事项三、直齿圆柱齿轮传动的强度计算1.齿轮传动参数的选择四、直齿圆柱齿轮传动设计步骤2)模数传递动力的齿轮,其模数不宜小于1.5mm,过小则加工、检验不便。普通减速器、机床及汽车变速箱中的齿轮模数一般为28mm。齿轮模数必须取标准值。为加工测量方便,一个传动系统中,齿轮模数的种类应尽量少。1.齿轮传动参数的选择四、直齿圆柱齿轮传动设计步骤1.齿轮传

35、动参数的选择四、直齿圆柱齿轮传动设计步骤直齿圆柱齿轮传动设计流程如图6-33所示。2.直齿圆柱齿轮传动设计流程四、直齿圆柱齿轮传动设计步骤图6-33 直齿圆柱齿轮传动设计流程1)明确设计要求明确设计要求是前提。可通过列出已知条件(如功率P、转速n、传动比i等)明确设计要求。2)选材料计算许用应力,选取合适的材料。3)分析失效形式,选择设计公式闭式齿轮主要失效形式为齿面点蚀和齿根弯曲疲劳破坏,设计时应控制齿面接触疲劳应力和齿根弯曲疲劳应力。开式齿轮主要失效形式为齿面磨损和齿根弯曲疲劳破坏。设计时要选耐磨材料,进行齿根弯曲疲劳强度计算,并用将计算所得模数加大10%20%的办法考虑磨损的影响。各类齿

36、轮要采取相应的润滑和密封措施。2.直齿圆柱齿轮传动设计流程四、直齿圆柱齿轮传动设计步骤2.直齿圆柱齿轮传动设计流程四、直齿圆柱齿轮传动设计步骤5)齿轮结构设计齿轮的结构由轮缘、轮毂和轮辐三部分组成,根据齿轮毛坯制造的工艺方法,齿轮可分为锻造齿轮、铸造齿轮和焊接齿轮三种。当齿轮的齿根直径与轴径很接近时,可以将齿轮与轴做成一体,即设计成齿轮轴的形式,如图6-34所示。2.直齿圆柱齿轮传动设计流程四、直齿圆柱齿轮传动设计步骤图6-34齿轮轴6)绘制齿轮零件工作图齿轮零件工作图示例如图6-35所示。2.直齿圆柱齿轮传动设计流程四、直齿圆柱齿轮传动设计步骤图6-35齿轮零件工作图其他齿轮传动 Other

37、geardrives伍与直齿圆柱齿轮传动相比,平行轴斜齿轮传动的优点是:传动中齿廓接触线是斜直线,轮齿是逐渐进入和脱离啮合的,故工作平稳,冲击和噪声小,适用于高速传动;重合度较大,有利于提高承载能力和传动的平稳性;最少齿数小于直齿轮的最少齿数。主要缺点是传动中存在轴向力,为克服此缺点,可采用人字齿轮。图6-36所示为平行轴斜齿轮传动,图6-37所示为人字齿轮传动。图6-36平行轴斜齿轮传动图6-37人字齿轮传动一、斜齿圆柱齿轮传动1)螺旋角斜齿轮的轮齿在一条螺旋线上。图6-38所示为斜齿轮分度圆柱面的展开图,分度圆柱上的螺旋线展开后成为一条斜直线,该直线与齿轮轴线之间的夹角称为分度圆柱上的螺旋

38、角,简称螺旋角,用表示。一、斜齿圆柱齿轮传动1.斜齿圆柱齿轮传动的基本参数图6-38 斜齿轮分度圆柱面的展开图螺旋角是反映斜齿轮特征的一个重要参数,可反映出轮齿的倾斜程度。按照斜齿轮的齿廓螺旋线的方向不同,其可分为左旋和右旋两种,如图6-39所示。从斜齿轮的端面沿着它的轴线方向观察斜齿轮上可见部分的螺旋线:若螺旋线向左上方倾斜,则为左旋齿轮,如图6-39(a)所示;反之,若螺旋线向右上方倾斜,则为右旋齿轮,如图6-39(b)所示。一、斜齿圆柱齿轮传动1.斜齿圆柱齿轮传动的基本参数图6-39 斜齿轮的旋向螺旋角越大,轮齿越倾斜,则传动的平稳性越好,但轴向力也越大。一般设计时常取=820。近年来为

39、了增大重合度、提高传动平稳性和降低噪声,在螺旋角参数选择上,有大螺旋角化的倾向。对于人字齿轮,因其轴向力可以抵消,常取=2545,但加工较困难,精度较低,一般用于重型机械的齿轮传动。一、斜齿圆柱齿轮传动1.斜齿圆柱齿轮传动的基本参数2)其他基本参数除螺旋角之外,斜齿轮与直齿轮一样,也有齿数、模数、压力角、齿顶高系数和顶隙系数这五个基本参数。一对外啮合斜齿圆柱齿轮的正确啮合条件是:齿轮副的法面模数和法面压力角分别相等,而且螺旋角大小相等,旋向相反。由于有了螺旋角,因而齿轮的各个参数均有端面和法面之分。斜齿圆柱齿轮上垂直于齿轮轴线的平面称为端面,通过分度圆柱轮齿螺旋线上的一点C且垂直于齿廓分度圆柱

40、螺旋线的平面称为法面,如图6-40所示。一、斜齿圆柱齿轮传动1.斜齿圆柱齿轮传动的基本参数图6-40 斜齿轮的法面和当量齿数一、斜齿圆柱齿轮传动1.斜齿圆柱齿轮传动的基本参数图6-40 斜齿轮的法面和当量齿数一、斜齿圆柱齿轮传动1.斜齿圆柱齿轮传动的基本参数标准斜齿轮尺寸计算公式见表6-12。一、斜齿圆柱齿轮传动2.标准斜齿轮尺寸计算从表中可知,斜齿轮传动的中心距与螺旋角有关,当一对齿轮的模数、齿数一定时,可以通过改变螺旋角的方法来配凑中心距。一、斜齿圆柱齿轮传动3.斜齿圆柱齿轮的受力分析图6-41斜齿圆柱齿轮的受力分析一、斜齿圆柱齿轮传动4.斜齿圆柱齿轮传动的疲劳强度计算一、斜齿圆柱齿轮传动

41、4.斜齿圆柱齿轮传动的疲劳强度计算二、直齿圆锥齿轮传动二、直齿圆锥齿轮传动二、直齿圆锥齿轮传动1.直齿圆锥齿轮传动受力分析图6-43直齿圆锥齿轮传动受力分析二、直齿圆锥齿轮传动1.直齿圆锥齿轮传动受力分析图6-43直齿圆锥齿轮传动受力分析二、直齿圆锥齿轮传动1.直齿圆锥齿轮传动受力分析图6-43直齿圆锥齿轮传动受力分析二、直齿圆锥齿轮传动2.直齿圆锥齿轮传动的疲劳强度计算二、直齿圆锥齿轮传动2.直齿圆锥齿轮传动的疲劳强度计算二、直齿圆锥齿轮传动2.直齿圆锥齿轮传动的疲劳强度计算二、直齿圆锥齿轮传动齿轮的制造工艺复杂,大尺寸的锥齿轮加工更困难,因此在设计时应尽量减小其尺寸。当在传动中同时有圆锥齿

42、轮传动和圆柱齿轮传动时,应尽可能将圆锥齿轮传动放在高速级,这样可使设计的锥齿轮的尺寸较小,便于加工。为了使大锥齿轮的尺寸不致过大,通常齿数比取uF2B.F1F2C.F1=F2D.F1F26.对于开式齿轮传动,在工程设计中,一般()。A.先按齿面接触疲劳强度设计,再校核齿根弯曲疲劳强度B.只需按齿面接触疲劳强度设计C.先按齿根弯曲疲劳强度设计,再校核齿面接触疲劳强度D.只需按齿根弯曲疲劳强度设计思考与练习二、选择题7.设计硬齿面齿轮传动,当直径一定时,常取较少的齿数、较大的模数以()。A.提高轮根弯曲疲劳强度B.提高齿面接触疲劳强度C.减少加工切削量,提高生产率D.提高轮齿抗塑性变形能力8.一对

43、减速齿轮传动中,若保持分度圆直径d不变,而减少齿数并增大模数,其齿面接触应力将()。A.增大B.减小C.保持不变D.略有减小9.在下面的各种方法中,()不能提高齿轮传动的齿面接触疲劳强度。A.分度圆直径d不变而增大模数B.改善材料C.增大齿宽bD.增大齿数以增大d思考与练习二、选择题10.在下面的各种方法中,()不能增加齿轮轮齿的齿根弯曲疲劳强度。A.分度圆直径不变增大模数B.齿轮负变位C.由调质改为淬火D.适当增加齿宽11.为提高齿轮传动的齿面接触疲劳强度,可采取的方法是()。A.采用闭式传动B.增大传动的中心距C.模数不变,减少齿数D.中心距不变,增大模数12.圆柱齿轮传动的中心距不变,减

44、小模数、增加齿数,可以()。A.提高齿轮的齿根弯曲疲劳强度B.提高齿面接触疲劳强度C.改善齿轮传动的平稳性D.减少齿轮的塑性变形思考与练习二、选择题13.在以下几种工况中,()齿轮传动的齿宽系数d可以取大些。A.对称布置B.不对称布置C.悬臂布置D.同轴式减速器布置14.对于齿面硬度350HBS的齿轮传动,若大、小齿轮均采用45钢,一般采取的热处理方式为()。A.小齿轮淬火,大齿轮调质B.小齿轮淬火,大齿轮正火C.小齿轮调质,大齿轮正火D.小齿轮正火,大齿轮调质思考与练习二、选择题15.一对圆柱齿轮,常把小齿轮的宽度做得比大齿轮宽些,是为了()。A.使传动平稳B.提高传动效率C.提高小齿轮的齿

45、面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度D.便于安装,保证接触线长16.锥齿轮的齿面接触疲劳强度按当量圆柱齿轮的公式计算,当量齿轮的齿数、模数是锥齿轮的()。A.实际齿数,大端模数B.当量齿数,平均模数C.当量齿数,大端模数D.实际齿数,平均模数思考与练习二、选择题17.选择齿轮的精度等级时主要依据()。A.传动功率B.载荷性质C.使用寿命D.圆周速度18.一对齿轮要正确啮合,它们的()必须相等。A.直径B.宽度C.模数D.齿数19.一个齿轮上的圆有()。A.齿顶圆和齿根圆B.齿顶圆、分度圆和齿根圆C.齿顶圆、分度圆、基圆和齿根圆D.齿顶圆、分度圆、基圆、节圆、齿根圆思考与练习三、简答题1.开式和闭式

46、齿轮传动的失效形式有什么不同?设计准则各是什么?其设计准则针对的失效形式各是什么?2.齿轮的齿根弯曲疲劳裂纹发生在危险截面轮齿的那一边?为什么?为提高轮齿抗弯曲疲劳折断的能力,可采取哪些措施?3.齿面点蚀首先发生在什么部位?为什么?防止点蚀可采取哪些措施?4.齿轮传动设计中,为什么引入载荷系数K?减小动载荷的措施有哪些?5.一对齿轮传动,如何判断大、小齿轮中哪个齿面不易出现疲劳点蚀?哪个齿不易出现弯曲疲劳折断?理由如何?6.齿轮传动设计过程中,在确定小齿轮的齿数z1和模数m时,要考虑哪些因素?思考与练习四、分析与计算题1.试设计两级减速器中的低速级直齿轮传动。已知:用电动机驱动,载荷有中等冲击,齿轮相对于支承位置不对称,单向运转,传递功率P=10kW,低速级主动轮转速n1=400r/min,传动比i=3.5。2.设计一对闭式斜齿圆柱齿轮传动。已知:用单缸内燃机驱动,载荷平稳,双向传动,齿轮相对于支承位置对称,要求结构紧凑。传递功率P=12kW,低速级主动轮转速n1=350r/min,传动比i=3感谢观看！THANKS!机械设计基础