機械設計基礎齒輪機構與齒輪傳動 課件

主講人：田艷行Gearmechanismandgeardrive機械設計基礎模塊五齒輪機構與齒輪傳動模塊五齒輪機構與齒輪傳動相關知識齒輪傳動齒輪機構是現代機械中應用最廣泛的一種傳動機構,它可以用來傳遞空間任意兩軸間的運動和動力,傳遞的功率和適用的速度范圍大。齒輪機構設計與分析齒輪傳動的失效與精度凸輪機構一二三齒輪機構設計與分析一齒輪機構的主要優(yōu)點有：1、瞬時傳動比恒定;2、傳遞的功率和圓周速度范圍廣;3、能實現兩軸平行、相交和交錯的傳動;4、效率較高，工作可靠,壽命長。主要缺點是：1、制造和安裝精度要求高,故制造成本較高;2、不適用于遠距離的傳動;3、精度低時產生沖擊、噪聲和振動。一、齒輪機構的特點與類型1.齒輪機構的特點齒輪機構的類型很多,可按不同的條件加以分類。(1)根據兩齒輪軸線的相互位置分類。兩軸線平行兩軸線相交。兩軸線相錯。齒輪機構的類型一、齒輪機構的特點與類型2.齒輪機構的類型(2)根據兩齒輪嚙合方式分類,有外嚙合齒輪機構，內嚙合齒輪機構、齒輪齒條機構。(3)根據齒輪齒廓曲線的形狀分類,有漸開線齒輪機構、擺線齒輪機構、圓弧齒輪機構。一、齒輪機構的特點與類型2.齒輪機構的類型齒輪機構的類型為保證齒輪傳動準確平穩(wěn),其瞬時傳動比應保持恒定不變,即一對相互嚙合的齒廓無論在任何位置嚙合,其兩輪的傳動比恒等于連心線被齒廓接觸點的公法線所分成的兩段的反比。齒廓嚙合基本定律二、漸開線齒廓分析1.齒廓嚙合的基本定律

二、漸開線齒廓分析1.齒廓嚙合的基本定律齒廓嚙合基本定律設在半徑為rb的圓上有一直線L與其相切,如圖所示,當直線L沿圓周做純滾動時,直線上一點K的軌跡為該圓的漸開線。該圓稱為漸開線的基圓，直線L稱為漸開線的發(fā)生線。任意兩條反向的漸開線形成漸開線齒廓。漸開線的形成二、漸開線齒廓分析2.漸開線齒輪齒廓的形成右圖所示為標準直齒圓柱齒輪的一部分,其各部分名稱和符號如下。(1)齒寬。(2)齒槽寬。(3)齒厚。二、漸開線齒廓分析3.漸開線齒輪各部分的名稱標準直齒圓柱齒輪(4)齒頂圓。(5)齒根圓。(6)齒數。(7)齒距。二、漸開線齒廓分析3.漸開線齒輪各部分的名稱標準直齒圓柱齒輪二、漸開線齒廓分析3.漸開線齒輪各部分的名稱(8)分度圓。(9)全齒高。(10)齒頂高。(11)齒根高。標準直齒圓柱齒輪

二、漸開線齒廓分析4.漸開線直齒圓柱齒輪的基本參數二、漸開線齒廓分析漸開線齒廓上的壓力角

二、漸開線齒廓分析4.漸開線直齒圓柱齒輪的基本參數

二、漸開線齒廓分析4.漸開線直齒圓柱齒輪的基本參數

二、漸開線齒廓分析5.標準直齒圓柱齒輪幾何尺寸的計算公式二、漸開線齒廓分析

二、漸開線齒廓分析一正常齒制標準直齒圓柱齒輪,因輪齒損壞需要更換,現測得齒頂圓直徑為71.95mm,齒數為22,試求該齒輪的主要尺寸。例：(1)傳動比恒定不變。(2)中心距可分性。一對漸開線齒輪中心距改變時其傳動比恒定不變的特性,稱為中心距可分性。二、漸開線齒廓分析6.漸開線齒廓的嚙合特性

二、漸開線齒廓分析6.漸開線齒廓的嚙合特性二、漸開線齒廓分析6.漸開線齒廓的嚙合特性(5)重合度重合度ε表示同時接觸的輪齒對數,用ε表示，齒輪連續(xù)傳動,必須保證ε≥1。(6)標準安裝條件。一對齒輪傳動時,一齒輪節(jié)圓上的齒厚之差稱為齒側間隙。無齒側間隙的安裝稱為標準安裝。此時標準中心距??=??(??1+??2)/2。二、漸開線齒廓分析6.漸開線齒廓的嚙合特性仿形法加工輪齒齒輪輪齒成形的加工方法很多，其中切削法最常用。切削法又分為仿形法和范成法兩種。1)仿形法仿形法是利用成形刀具的軸面齒形與漸開線齒槽形狀一致的特點,直接在輪坯上加工出齒形。三、漸開線齒形的切齒原理與根切1.漸開線齒形的切齒原理齒輪滾刀切齒2)范成法范成法是利用一對齒輪(或齒輪齒條)相互嚙合過程中兩輪齒廓互為包絡線的原理切制輪齒的加工方法。常用的范成法成形加工有插齒法和滾齒法等。三、漸開線齒形的切齒原理與根切1.漸開線齒形的切齒原理插齒切齒根切齒輪加工時根部被切除的現象稱為根切,如圖所示。范成法切制的標準齒輪受根切限制,直齒圓柱齒輪不發(fā)生根切的最少齒數z=17。三、漸開線齒形的切齒原理與根切2.漸開線齒形的根切齒輪傳動的失效與精度二圓柱齒輪軸與圓錐齒輪軸

1)鍛造齒輪對于齒頂圓直徑da<500mm的齒輪,通常采用鍛造齒輪,其結構形式有齒輪軸、實心式齒輪和腹板式齒輪。(1)齒輪軸。若圓柱齒輪的齒根圓到鍵槽底面的徑向距離e≤2.5m圓錐齒輪小端齒根圓到鍵槽底面的徑向距離e<1.6m,則可將齒輪與軸做成一體,稱為齒輪軸。一、齒輪的結構、材料與熱處理1.齒輪的結構齒輪有鍛造齒輪、鑄造尺寸和焊接齒輪之分。腹板式圓柱齒輪(2)實心式齒輪。若齒輪齒根圓的直徑大于軸的直徑,則當齒輪的齒頂圓直徑da≤200mm,并且e不滿足上述條件時,應將齒輪與軸分開制造,以便于制造和裝配。(3)腹板式齒輪。當200mm<da<500mm時,可采用腹板式結構。為了減輕重量、便于加工和裝配,在腹板上常常加工出若干圓孔。實心式齒輪一、齒輪的結構、材料與熱處理1.齒輪的結構2)鑄造齒輪對于齒頂圓直徑da>400mm的圓柱齒輪,以及齒頂圓直徑da>300mm的圓錐齒輪來說,由于鍛造困難,大多采用鑄造齒輪。3)焊接齒輪對于單件小批量生產的大直徑齒輪,為降低成本,縮短加工周期,常采用焊接結構。鑄造齒輪一、齒輪的結構、材料與熱處理1.齒輪的結構為了使齒輪能正常工作,齒輪材料應保證輪齒表面有足夠的硬度,以增強它的抗磨損和抗塑性變形的能力;輪芯部應有足夠的強度和韌性,以抵抗齒根折斷和沖擊載荷;同時材料應具有良好的加工性能和熱處理性能,使之便于加工。常用齒輪材料及其力學性能見下表。一、齒輪的結構、材料與熱處理2.齒輪的材料與熱處理一、齒輪的結構、材料與熱處理一、齒輪的結構、材料與熱處理齒輪的常用材料是鍛鋼。只有當齒輪的尺寸較大或結構復雜不容易鍛造時,才采用鑄鋼。在一些低速輕載的開式齒輪傳動中,也常采用鑄鐵齒輪。一、齒輪的結構、材料與熱處理2.齒輪的材料與熱處理按照齒輪熱處理后齒面硬度的高低,齒輪傳動分為軟齒面齒輪傳動(齒面硬度小于等于350HBS)和硬齒面齒輪傳動(齒面硬度大于350HBS)兩類。

一、齒輪的結構、材料與熱處理2.齒輪的材料與熱處理2)硬齒面齒輪對于硬齒面齒輪,通常是在調質后切齒,然后進行表面硬化處理。硬齒面主要用于高速、重載或要求尺寸緊湊的重要傳動中。齒輪齒面硬度配對見下表。一、齒輪的結構、材料與熱處理2.齒輪的材料與熱處理一、齒輪的結構、材料與熱處理潤滑對于齒輪傳動十分重要,尤其是高速齒輪傳動。潤滑可以減少摩擦和磨損,降低噪聲、減緩沖擊并散熱,提高齒輪的傳動效率并延長使用壽命。一、齒輪的結構、材料與熱處理潤滑方式：油池潤滑和噴油潤滑，根據齒輪的圓周速度來確定。齒輪的圓周速度v<12m/s時,采用油池潤滑。大齒輪的浸油深度不應超過其分度圓半徑的1/3。齒頂到油池底面的距離不應小于30mm。當v>12m/s時,為了避免攪油損失過大,常采用噴油潤滑。

齒輪傳動的潤滑方式二、齒輪傳動的潤滑1.閉式齒輪傳動的潤滑對于開式齒輪傳動,由于其傳動速度較低,通常采用人工定期潤滑的方式,即定期將潤滑脂或潤滑油加到嚙合表面進行潤滑。二、齒輪傳動的潤滑2.開式齒輪傳動的潤滑齒輪由于某種原因不能正常工作的現象稱為失效。三、齒輪傳動的失效形式與設計準則1.齒輪傳動的失效形式1)輪齒折斷齒輪在工作時,輪齒像懸臂梁一樣承受彎曲應力,在其齒根部分的彎曲應力最大，當交變的齒根彎曲應力超過材料的彎曲疲勞極限應力時,在齒根處受拉一側就會產生疲勞裂紋,并逐漸擴展,最終導致一個或多個齒整體或局部折斷,這種現象稱為輪齒折斷。直齒輪輪齒的折斷一般是全齒折斷,如圖(a)所示,斜齒輪和人字齒輪一般是局部齒折斷,如圖(b)所示。

輪齒折斷為防止輪齒折斷,應使齒輪具有足夠的模數并增大齒根過渡圓角半徑、降低表面粗糙度、進行齒面強化處理、減輕加工過程中的損傷等,這樣可提高輪齒抗疲勞折斷的能力，有效避免輪齒局部折斷。三、齒輪傳動的失效形式與設計準則1.齒輪傳動的失效形式2)齒面點蝕輪齒進入嚙合時,輪齒齒面上會產生很大的接觸應力。如果超過了輪齒材料的許用接觸應力,多次反復作用后,齒面表層就會出現不規(guī)則的細微的疲勞裂紋。齒面點蝕實踐表明,齒面的疲勞點蝕一般首先出現在靠近節(jié)線處的齒根表面上,然后向其他部位蔓延和擴展,如圖所示。為防止齒面過早點蝕,可采用提高齒面硬度、降低齒面粗糙度、使用黏度較高的潤滑油等措施。三、齒輪傳動的失效形式與設計準則1.齒輪傳動的失效形式3)齒面磨損輪齒在嚙合過程中存在相對滑動,致使齒面間產生摩擦、磨損。當硬質磨粒進入輪齒間時引起磨損,如圖所示。齒面磨損使?jié)u開線齒廓破壞,齒厚減薄，引起沖擊振動,使強度降低甚至導致輪齒折斷。

齒面磨損三、齒輪傳動的失效形式與設計準則1.齒輪傳動的失效形式4)齒面膠合在高速重載齒輪傳動中，齒面間壓力大、相對滑動速度快,摩擦發(fā)熱多,使嚙合點處瞬時溫度過高,潤滑失效,致使相嚙合兩齒面金屬尖峰直接接觸并相互粘連在一起,當兩齒面相對運動時,粘連的地方即被撕開,在齒面上沿相對滑動方向形成條狀傷痕,這種現象稱為齒面膠合,如圖所示。齒面膠合三、齒輪傳動的失效形式與設計準則1.齒輪傳動的失效形式4)齒面膠合齒面一旦出現膠合，齒輪的振動和噪聲增大,導致失效。提高齒面抗膠合能力的方法有:減小模數,降低齒高,降低滑動系數，采用抗膠合能力強的齒輪材料等。

齒面膠合三、齒輪傳動的失效形式與設計準則1.齒輪傳動的失效形式5)齒面塑性變形如圖所示，重載時,在摩擦力作用下,輪齒表層材料將沿著摩擦力方向發(fā)生塑性流動,導致主動齒輪齒面節(jié)線處出現凹坑,從動齒輪齒面節(jié)線處出現凸脊,稱為齒面塑性變形。此時，齒形被破壞,直接影響齒輪的正常嚙合。為防止該塑性變形,可采取提高齒面硬度、選用黏度較高的潤滑油等措施。

齒面塑性變形三、齒輪傳動的失效形式與設計準則1.齒輪傳動的失效形式為了防止失效以滿足齒輪的工作要求而制定相應的判定條件,通常稱為齒輪工作能力的設計準則,主要有強度、剛度、耐磨性和穩(wěn)定性準則等。三、齒輪傳動的失效形式與設計準則2.齒輪傳動的設計準則1)閉式齒輪傳動設計準則閉式齒輪傳動的主要失效形式為齒面點蝕和輪齒的彎曲疲勞折斷。當采用軟齒面時,其齒面接觸疲勞強度相對較低,因此設計時首先按齒面接觸疲勞強度條件進行設計計算,并確定齒輪的主要參數和尺寸,然后按輪齒的彎曲疲勞強度進行校核。當采用硬齒面時,一般首先按輪齒的彎曲疲勞強度條件進行設計計算,確定齒輪的模數及其主要幾何尺寸,然后校核其齒面接觸疲勞強度。三、齒輪傳動的失效形式與設計準則2.齒輪傳動的設計準則2)開式齒輪傳動設計準則

在開式齒輪傳動中齒輪暴露在外界,雜物容易侵入齒輪嚙合區(qū)域,不能保證良好的潤滑，其主要失效形式為磨粒磨損。通常按照齒根彎曲疲勞強度進行設計計算,確定齒輪的模數及其他參數，但無須校核齒面接觸疲勞強度。三、齒輪傳動的失效形式與設計準則2.齒輪傳動的設計準則制造和安裝齒輪傳動裝置時,不可避免地會產生誤差。誤差對傳動帶來以下三方面的影響。(1)影響傳遞運動的準確性。(2)瞬時傳動比不能保持恒定不變,齒輪在一轉范圍內會出現多次重復的轉速波動，引起振動、沖擊和噪聲,影響傳動的平穩(wěn)性。

(3)齒向誤差能使齒輪上的載荷分布不均勻,當傳遞較大轉矩時,易引起早期損壞。四、齒輪傳動的精度1.誤差對傳動的影響選擇齒輪精度等級時必須按其用途、工作條件及技術要求和壽命等要求來確定,同時應考慮工藝性和經濟性。下面2表分別列出了各種機械采用的齒輪精度等級和部分齒輪精度等級的適用范圍,供選用時參考。四、齒輪傳動的精度2.齒輪精度等級的選擇國家標準規(guī)定,齒輪和齒輪副分為12個精度等級,從1~12級精度依次降低。兩個齒輪的精度等級一般是相同的。四、齒輪傳動的精度四、齒輪傳動的精度直齒圓柱齒輪傳動三對輪齒上的作用力進行分析是進行齒輪承載能力計算、設計支承齒輪的軸以及選用軸承的基礎。

直齒圓柱齒輪的受力分析一、直齒圓柱齒輪傳動的受力分析

圖6-26直齒圓柱齒輪的受力分析一、直齒圓柱齒輪傳動的受力分析

圖6-27直齒圓柱齒輪各力的方向一、直齒圓柱齒輪傳動的受力分析

二、輪齒的計算載荷二、輪齒的計算載荷

三、直齒圓柱齒輪傳動的強度計算1.齒面接觸疲勞強度計算三、直齒圓柱齒輪傳動的強度計算

三、直齒圓柱齒輪傳動的強度計算1.齒面接觸疲勞強度計算

三、直齒圓柱齒輪傳動的強度計算1.齒面接觸疲勞強度計算圖6-28齒面接觸疲勞壽命系數ZN三、直齒圓柱齒輪傳動的強度計算1.齒面接觸疲勞強度計算

三、直齒圓柱齒輪傳動的強度計算1.齒面接觸疲勞強度計算三、直齒圓柱齒輪傳動的強度計算輪齒齒根的彎曲疲勞強度計算是為了防止輪齒根部的疲勞折斷。主要與齒根彎曲應力的大小有關。計算時可將輪齒看作寬度為b的懸臂梁。輪齒的折斷位置一般發(fā)生在齒根部的危險截面處。危險截面可用30°切線法來確定,即作與輪齒對稱中心線成30°角并與齒根過渡曲線相切的兩條直線,連接兩個切點的截面即為齒根的危險截面,如圖所示。圖6-3齒根彎曲危險截面三、直齒圓柱齒輪傳動的強度計算2.齒根彎曲疲勞強度計算

三、直齒圓柱齒輪傳動的強度計算2.齒根彎曲疲勞強度計算三、直齒圓柱齒輪傳動的強度計算

三、直齒圓柱齒輪傳動的強度計算2.齒根彎曲疲勞強度計算

三、直齒圓柱齒輪傳動的強度計算2.齒根彎曲疲勞強度計算圖6-32齒根彎曲疲勞壽命系數YN三、直齒圓柱齒輪傳動的強度計算2.齒根彎曲疲勞強度計算

三、直齒圓柱齒輪傳動的強度計算3.公式應用注意事項齒輪傳動參數選擇主要包括齒數、模數、齒寬、螺旋角的選擇。四、直齒圓柱齒輪傳動設計步驟1.齒輪傳動參數的選擇1)齒數大小齒輪齒數選擇應符合傳動比i的要求。對于重要的傳動或重載高速傳動,大小輪齒互為質數,這樣輪齒磨損均勻,有利于提高壽命。中心距一定時,增加齒數能使重合度增大,提高傳動平穩(wěn)性;同時,齒數增多,相應模數減小,對相同分度圓的齒輪,齒頂圓直徑小,能節(jié)省輪齒加工的切削量。因此,在滿足齒根彎曲疲勞強度的前提下,應適當減小模數,增大齒數。2)模數傳遞動力