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齿轮机构设计.ppt
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1、第六章第六章 齿齿 轮轮 机机 构构 设设 计计1.教学目标教学目标 1.了解齿轮机构的类型和应用;平面齿轮机构的齿廓啮合基本定理;2.深入了解渐开线齿轮的啮合特性及正确啮合的条件、连续传动条件等;熟悉渐开线齿轮各部分的名称、基本参数及几何尺寸计算;了解渐开线齿廓的展成切齿原理及根切现象、最少齿数;3.掌握齿轮传动的失效形式和设计准则,常用的材料及热处理方法。圆柱齿轮传动的设计和强度校核方法。4.了解斜齿圆柱齿轮齿廓曲面的形成、啮合特点,并能计算其几何尺寸;对斜齿圆柱齿轮传动的设计方法有所了解和掌握。5.了解标准直齿圆锥齿轮的传动特点及其基本尺寸计算。掌握圆锥齿轮传动设计的特点。2教学重点和难
2、点教学重点和难点 重点:渐开线直齿圆柱齿轮外啮合传动的基本理论和设计计算。齿轮传动的失效形式和设计准则。圆柱齿轮传动的设计和强度校核方法。难点:啮合过程;根切;锥齿轮的当量齿轮和当量齿数等。6.1 概述(齿轮机构的应用和分类)概述(齿轮机构的应用和分类)齿轮是大家都十分熟悉的一个名词,对于齿轮的形状,我们大家并不陌生,同时也知道几乎所有的机器上都有齿轮的应用。但是,对于各种各样的齿轮各有什么特点,为什么应用的这么广泛,我们如何才能对其进行科学的分类等等,我们也许不太清楚,或者说不能用科学的语言对其进行描述。那么这一节中我们就要来了解这些内容,这些内容也是我们对齿轮进行进一步讨论所必须的。齿轮机
3、构是历史上应用最早的传动机构之一,渐开线齿廓的研究和应用已有近300年的历史,被广泛地应用于传递空间任意两轴间的运动和动力。它与其它机械传动相比它与其它机械传动相比,具有传递功率大、效率高、传动比准确、使用寿命长、工作安全可靠等特点。但是要求有较高的制造和安装精度,成本较高;不宜在两轴中心距很大的场合使用。在众多的齿轮机构中,直齿圆柱齿轮机构是最基本、最常用的一种,所以本章中我们也就以直齿圆柱齿轮作为研究的重点。齿轮传动类型很多,有不同的分类方法。1、按照齿轮副中两轴的相对位置、齿轮传动可以分为平行轴齿轮传动、相交轴齿轮传动和交错轴齿轮传动三类。(按照传递运动和力的方向可以分为平面齿轮机构和空
4、间齿轮机构,也就是按照主、从动轮轴线是否平行的划分方法)。图图 6-12、按传动比()是否恒定分为定传动比 和变传动比 传动齿轮机构。在定传动比传动的齿轮机构中,齿轮都是圆柱形或圆锥形的,所以我们把这类齿轮机构又称为圆形齿轮机构,如图6-1所示。图图 6-1在定传动比齿轮机构中,根据啮合方式的不同有多种类型的齿轮机构,如外啮合直齿外啮合直齿、斜齿,内内啮合直齿、啮合直齿、斜齿,曲齿啮合,齿条等等,如图。在定传动比齿轮机构中,根据啮合方式的不同有多种类型的齿轮机构,如外啮合直齿、斜齿斜齿,内啮合直齿、斜齿斜齿,曲齿啮合,齿条等等,如图。在定传动比齿轮机构中,根据啮合方式的不同有多种类型的齿轮机构
5、,如外啮合直齿、斜齿斜齿,内啮合直齿、斜齿斜齿,曲齿啮合,齿条等等,如图。而在变传动比的传动机构中,齿轮一般是非圆形的,例如椭圆齿轮机构传动,如图62所示。所以该类机构又称为非圆齿轮机非圆齿轮机构构。图图 6-13、按使用要求分类:4、从齿廓曲线分类:5、从外形分类:6、从工作条件分类:齿轮传动的主要类型、特点和应用如下:齿轮传动的主要类型、特点和应用如下:1、平行轴齿轮传动、平行轴齿轮传动 1)直齿圆柱齿轮传动)直齿圆柱齿轮传动 a)外啮合直齿圆柱齿轮传动外啮合直齿圆柱齿轮传动 两齿轮转向相反,轮齿与轴线平行,工作时无轴向力;重合度较小,传动平稳性差,承载能力较低;多用于速度较低的传动,尤其
6、适用于变速箱的换档齿轮。b)内啮合圆柱齿轮传动内啮合圆柱齿轮传动 两齿轮转向相同;重合度大,轴间距离小,结构紧凑,效率较高。c)齿轮齿条传动齿轮齿条传动 齿条相当于一个半径为无限大的齿轮,用于连续转动到往复移动的运动变换。2)平行轴斜齿轮传动)平行轴斜齿轮传动 a)外啮合斜齿圆柱齿轮传动外啮合斜齿圆柱齿轮传动 两齿轮转向相反,轮齿于轴线成一夹角,工作时存在轴向力,所需的支撑较复杂;重合度较大,传动较平稳,承载能力较高;适用于速度较高、载荷较大或要求结构较紧凑的场合。b)外啮合人字齿轮传动外啮合人字齿轮传动 两齿轮转向相反;承载能力较高,轴向力能够抵消,多用于重载传动2、相交轴齿轮传动、相交轴齿
7、轮传动 a)直齿锥齿轮传动直齿锥齿轮传动 两轴线相交,轴交角为90的应用较广;制造安装简便,传动平稳行较差,承载能力较低,轴向力较大;适用于速度较低(0;刀具向里移动,称作负变位,x0;正变位加工出的齿轮称作正变位齿轮,负变位加工出来的齿轮称作负变位齿轮。图图 6-243不根切的最小变位系数不根切的最小变位系数由图6-24所示,当刀具齿顶线移至N1点或以下时,齿轮即不根切,故变位量应该满足,即:图图 6-24因为 所以 故,最小变为系数为:图图 6-24可以看出,当z0,为避免根切,必须正变位。当zzmin时,xmin0,该齿轮不会根切,但为了保证某些性能的要求,也可以用正变位或负变位方法加工
8、齿轮。图图 6-244变位齿轮的几何尺寸变位齿轮的几何尺寸1)分度圆和基圆分度圆和基圆 由于分度圆和基圆仅与齿轮的z、m、有关,并且加工变位齿轮的刀具仍是标准刀具,故变位齿轮的分度圆和基圆仍为2齿厚和齿槽宽齿厚和齿槽宽由于加工变位齿轮时,与轮坯分度圆相切的不再是刀具中线(即刀具分度线),如图4-25所示,则齿厚和齿槽宽为:;3齿顶高和齿根高齿顶高和齿根高 由于正变位时,刀具向外移出xm距离,故加工出的齿轮其齿根高减小xm,即:同样,齿顶高增大xm,即:变位齿轮需要利用被切齿轮毛坯的直径(外径)保证齿顶高。4齿顶圆和齿根圆齿顶圆和齿根圆变位齿轮的齿顶圆和齿根圆分别为:为齿顶高削减系数。5变位齿轮
9、的应用变位齿轮的应用 变位有等距变位和不等距变位两大类。不等距变位又有正变位和负变位两种。等距变位指 ,一般用在zzmin的情况下。对正变位,下降,负变位 上升。变位齿轮的共同缺点是互换性差。变位齿轮的共同缺点是互换性差。6.8 齿轮传动精度齿轮传动精度一、精度等级一、精度等级 齿轮在制造、安装中,总要产生误差。例如,齿形齿距、齿向误差和轴线变形产生的误差,将产生三个方面的影响将产生三个方面的影响:1)相啮合齿轮在一转范围内,实际转角和理论转角不一致,影响传动的准确性;2)不能保持瞬时传动比恒定,出现速度波动,引起振动、冲击等,影响传动平稳性;3)齿向误差造成载荷的不均匀性。GB10095-8
10、8规定了渐开线圆柱齿轮传动的精度等级和公差。GB11365-89规定了锥齿轮传动的精度等级和公差。按误差特性和它们对传动性能的影响,将齿轮的各项公差分为三个组,见表所示。齿轮公差组及其对传动性能的影响齿轮公差组及其对传动性能的影响公差组公差组误误 差差 特特 性性对传动性能的影响对传动性能的影响以齿轮一转为周期的误差(运动精度)传动的准确性以齿轮一转内多次周期性出现的误差(工作平稳性精度)传动的平稳性齿向误差(接触精度)载荷分布的均匀性 两标准将齿轮精度等级分为12个级别,1级最高,12级最低,其中常用为69级。根据使用要求不同,允许各项公差组选用不同的精度等级,但在同一公差组内,各项公差与极
11、限偏差应保持相同的精度等级。齿轮的精度等级,应根据齿轮传动的用途、使用条件、传递的功率、圆周速度以及经济性等技术要求选择。具体选择时可根据齿轮的圆周速度参考下表进行。注意:注意:锥齿轮传动的圆周速度按齿宽中点分度圆直径计算。齿轮传动常用精度等级及其应用齿轮传动常用精度等级及其应用精度 等级圆周速度v/ms-1应 用 举 例直齿圆柱斜齿圆柱直齿锥齿轮615309要求运转精确或在高速重载下工作的齿轮传动;精密仪器和飞机、汽车、机床中重要齿轮710206一般机械中的重要齿轮;标准系列减速器齿轮;飞机、汽车和机床中的齿轮8593一般机械中的重要齿轮;飞机、汽车和机床中的不重要齿轮;纺织机械中的齿轮;农
12、业机械中的重要齿轮9362.5工作要求不高的齿轮;农业机械中的齿轮二、侧隙二、侧隙 为了保证齿轮副在啮合传动时,不因工作温升造成热变形而卡死,也不因齿轮副换向时有过大的空行程而产生冲击、振动和噪声,为此要求齿轮副的轮齿齿侧间隙在法向(传力方向)留有一定的间隙,称为侧隙。圆柱齿轮的侧隙由齿厚的上下偏差和中心距极限偏差来保证。GB1009588规定了14种齿厚极限偏差,按偏差数值大小为序,依次用字母C、D、E、S表示。D为基准(偏差为0)C为正偏差,ES为负偏差。锥齿轮的侧隙由最小法向侧隙和法向侧隙公差来保证。GB1136589规定了6种最小法向侧隙分别用字母a、b、c、d、e和h表示,a值最大,
13、h为0。相啮合两轮齿间的法向侧隙公差有5种,分别用字母A、B、C、D和H表示。在高速、高温、重载条件下工作的传动齿轮,应有较大的侧隙;对于一般齿轮传动,应有中等大小的侧隙;对经常正、反转,转速不高的齿轮,应有较小的侧隙。三、齿轮精度等级和侧隙的标注三、齿轮精度等级和侧隙的标注 在齿轮零件图上的参数表栏内,应标注齿轮精度等级和齿厚偏差的字母代号,如图示例。当三个公差组的精度等级同为7级时,可以表示为:7GM GB1009588 锥齿轮精度等级的标注同圆柱齿轮,其侧隙由最小法向侧隙种类代号和法向侧隙公差种类代号共同表达。示例如图所示:5.9 齿轮传动失效形式及设计准则、齿轮传动失效形式及设计准则、
14、材料及热处理材料及热处理一、失效形式及设计准则一、失效形式及设计准则 齿轮传动的失效主要是指齿轮轮齿的破坏。至于齿轮的其它部分,通常都是按经验进行设计,所以确定尺寸对强度来说都是很富裕的,在实际工程中也极少破坏。针对轮齿失效形式不同,决定轮齿强度的设计准则和计算方法也不同。所以,首先我们要了解轮齿的主要失效形式。工程上主要有二大类(5小类)失效形式。1)轮齿折断)轮齿折断(打牙)(打牙)轮齿就好象一个悬臂梁,在受外载作用时,在其轮齿根部产生的弯曲应力最大。同时,在齿根部位过渡尺寸发生急剧变化,以及加工时沿齿宽方向留下加工刀痕而造成应力集中的作用,当轮齿重复受载,在脉动循环或对称循环应力作用下,
15、在根部会造成疲劳断裂。不良或由于轴的刚度不足而产生过大的弯曲变形,也会出现轮齿局部过载,造成局部折断。轮齿受到突然过载,齿根应力如果超过材料强度极限,也会发生脆断现象。在斜齿轮传动中,轮齿的接触线为一斜线,轮齿受载后会发生局部折断;直齿圆柱齿轮,若制造及安装图图 6-25 轮齿折断都是其弯曲应力超过了材料相应的极限应力,是最危险的一种失效形式。一旦发生断齿,传动立即失效。根据这种失效形式确定的设计根据这种失效形式确定的设计准则及计算方法即为轮齿弯曲强度计准则及计算方法即为轮齿弯曲强度计算算。由于疲劳破坏是断齿的主要原因,故齿根弯曲疲劳强度计算是后面所要讨论的主要问题之一。2)轮齿工作表面的破坏
16、)轮齿工作表面的破坏 轮齿的破坏,除断齿外,还有轮齿表面的破坏而造成传动的失效。轮齿表面的破坏主要有四类:点蚀、胶合、塑性变形和磨损。(1)齿面点蚀)齿面点蚀在润滑良好的闭式齿轮传动中,由于齿面材料在交变接触应力作用下,因为接触疲劳产生贝壳形状凹坑的破坏形式称为点蚀,也是常见的一种齿面破坏形式。齿面上最初出现的点蚀随材料不同而不同,一般出一般出现在靠近节线的齿根面上现在靠近节线的齿根面上,最初为细小的尖状麻点。当齿面硬度较低、材料塑性良好,齿面经跑合后,接触应力趋于均匀,麻点不再继续扩展,这是一种收敛性点蚀收敛性点蚀,不会导致传动失效。但当齿面硬度较高、材料塑性较差时,点蚀就会不断扩大,这是一
17、种破坏性点蚀,破坏性点蚀,是一种危险的失效形是一种危险的失效形式式。图图 6-26 为什么最初点蚀会发生在靠近节线的齿根面上呢?因为在轮齿的啮合过程中,齿面间的相对滑动起着形成润滑油膜的作用,而且相对速度越高,形成油膜的作用越显著,润滑也就越好。当轮齿在靠近节线处啮合时,相对滑动速度低,带油效果差,所以在这里首先出现点蚀破坏。也就是说:在靠近节线处的齿根面抵抗点蚀破在靠近节线处的齿根面抵抗点蚀破坏的能力最差。坏的能力最差。由于油膜的存在,增大了齿面上实际承受压力的面积,可以减缓点蚀破坏。在合理的限度内,油的粘度越高,效果越好。低速时可用高粘度油;当高速(如 )时,则要选用粘度较低的油,采用喷油
18、润滑,同时起到散热的作用。针对点蚀破坏而拟订的设计准则和计算针对点蚀破坏而拟订的设计准则和计算方法即为齿面接触疲劳强度计算。方法即为齿面接触疲劳强度计算。(2)齿面胶合)齿面胶合对于某些高速重载的齿轮传动(如航空发动机的主传动齿轮),齿面间的压力大,瞬时温度高,油变稀而降低了润滑效果,导致摩擦增大,发热增多,将会使某些齿面上接触的点熔合焊在一起,在两齿面间相对滑动时,焊在一起的地方又被撕开。于是,在齿面上沿相对滑动的方向形成伤痕,这种现象称作胶合。缺少供油,也会导致胶合。针对胶合失效而拟订的设计准则及计算方法即为传动的胶合承载能力计算。由于这种方法目前还不统一,而且计算过程复杂,我们就不作介绍
19、。图图 6-27(3)齿面磨损)齿面磨损 在开式传动中,这是一种主要的破坏形式,现在还没有简明的计算方法。改用闭式传动是避免轮齿磨损的最有效办法。加大齿面硬度也有助于减少磨损。图图 6-28(4)齿面塑性变形)齿面塑性变形 若轮齿的材料较软,载荷及摩擦力又都很大时,齿面材料就会沿着摩擦力的方向产生塑性变形,这种情况一般发生在硬度较低的齿面上。图图 6-29 以上所列举的是齿轮失效的几种主要形式,都有可能在传动中发生。但在一定条件下,总有一种形式是主要的。随着强度计算理论的发展和计算方法的完善,各国都制订有针对轮齿折断和点蚀的两种计算方法和标准,也是比较成熟和完善的两种。针对不同的齿轮传动失效形
20、式、设计准则也有所不同,具体设计准则如下:具体设计准则如下:1、当轮齿表面硬度350HBS(HRC350HBS(HRC38)时,称 硬齿面。2、闭式软齿面齿轮传动:按接触强度确定传动的尺 寸,而后验算齿根弯曲疲劳强度;3、闭式硬齿面齿轮传动:按弯曲疲劳强度确定,验算 接触强度;4、开式传动:由于开式传动的失效形式主要是造成轮 齿变薄,产生断齿,故按弯曲疲劳强度计算进行 设计。二、材料选择及热处理二、材料选择及热处理 根据轮齿失效形式的分析可以知道,齿轮材料应具备如下性能:1)齿面具有足够的硬度,以获得较高的抗点蚀、抗磨损、抗胶合的能力;2)齿芯部有足够的韧性,以获得较高的抗弯曲和抗冲击载荷的能
21、力;3)具有良好的加工工艺性和热处理工艺性能;4)经济。总的要求就是:齿面硬度高、齿芯韧性要好齿面硬度高、齿芯韧性要好。所以,主要用各种钢材,由于钢材经过适当的热处理就具有这种综合性能。在特殊场合也有使用其它材料的,如铸铁、工程塑料等。材料的选择是一个比较费事的工作。针对各行业的不同,一般采用的方法是类比选择类比选择。但是,作为一个机械设计工程技术人员应对材料的选择方法原则有一个大概的了解。1材料的选择必须满足一般工作要求和特殊工 作要求,即机器的工作要求、可靠性等要求2要考虑齿轮尺寸的大小、毛坯成型方法、热 处理及加工等因素;3要考虑齿轮载荷的大小、工况条件等因素的 影响;4齿轮的重要程度;
22、5传动比及配对情况。选择材料时具体可参考下述方法:选择材料时具体可参考下述方法:1)软齿面齿轮:工艺简单、生产率高,故比较经济。但因为齿面硬度不高,限制了承载能力,故适用于载荷、速度、精度要求均不很高的场合。硬齿面齿轮承载能力高,但成本也高,故适用于载荷、速度、精度要求高的重要齿轮。2)相啮合的一对齿轮,小齿轮齿面硬度要比大齿轮齿面硬度高2050HBS。3)由于锻钢的力学性能优于同类铸钢,所以齿轮材料应优先选用锻钢。对于结构复杂的大型齿轮,手锻造工艺和设备的限制,可采用铸钢制造。如低速重载的轧钢设备、矿山机械的大型齿轮等。4)在小功率和精度要求不高的高速齿轮传动中,为了减少噪声,其小齿轮常用尼
23、龙、夹布胶木、聚甲醛等非金属材料制造,但配对的大齿轮仍用钢或铸铁制造。提高齿面硬度,既可以提高接触强度,又可以提高抗磨粒磨损及抗塑性变形的能力。硬齿面齿轮与软齿面齿轮比较,其综综合承载能力可提高合承载能力可提高23倍倍以上。在相同承载能力的条件下,硬齿面齿轮尺寸比软齿面齿轮尺寸小的多。所以除非生产条件受到限制,一般硬采用硬齿面齿轮传动。经过表面硬化的齿轮齿面硬度一般不低于HRC45(相当于424HBS)。对金属制的直齿轮,配对的两齿轮齿面的硬度齿面的硬度差应保持在差应保持在3050或更多或更多(即HBS1HBS2),是普遍要求。因为当小齿轮与大齿轮的齿面具有较大的硬度差时(如小齿轮淬火磨制,大
24、齿轮为常化或调质),在运转过程中较硬的小齿轮齿面对较软的大齿轮齿面,会有显著的冷作硬化效应,提高大齿面的疲劳极限,其接触疲劳强度约可以提高20%。选取齿轮材料及热处理方法时,要根据需要及可能而定。钢制齿轮总要进行适当的热处理以改善材料性能,常用方法有常用方法有:常化、调质、淬火、渗碳淬火、氮化等1)调质)调质 对于45、40Cr、35SiMn等中碳合金钢,经过调质处理后,其机械强度、韧性等综合性能较好,齿面硬度一般为220260HBS。因为硬度不高,故可以在热处理之后精切齿面,以消除热处理的变形。2)正火)正火 正火处理后可以使材料晶粒细化,增大机械强度和韧性,消除内应力,改善切削性能。一般用
25、于机械强度要求不高的中碳钢齿轮。对于大直径的齿轮可采用铸钢正火处理。3)表面淬火)表面淬火 对于45、40Cr等中碳钢和中碳合金钢齿轮,也可以进行表面淬火,齿面硬度达到50HRC以上,齿芯部仍有较高的韧性,故接触强度高。耐磨性好,也可承受一定的冲击载荷,适用于无剧烈冲击的齿轮传动。4)渗碳淬火)渗碳淬火 对于含碳量0.150.25的低碳钢和低碳合金钢,例如20、20Cr等材料,为了获得较好的力学性能,可进行渗碳淬火处理,齿面硬度达到5662HRC,而芯部仍能保持较高的韧性。这种齿轮的齿面接触强度高、耐磨性好,常用于承受冲击载荷的重要齿轮。但由于渗碳淬火后变形比较大,渗碳淬火后都必须磨齿或用硬质
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