齿轮传动的特点和应用.docx
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齿轮传动的特点和应用
齿轮传动的特点和应用
12.1概述
12.1.1齿轮传动的特点和应用
齿轮传动是应用极为广泛的传动形式之一。
特点:
能够传递任意两轴间的运动和动力，传动平稳、可靠，效率高，寿命长，结构紧凑，传动速度和功率范围广。
但需要专门设备制造，加工精度和安装精度较高，且不适宜远距离传动。
12.1.2齿轮传动的类型
齿轮传动的类型很多，按照两齿轮传动时的相对运动为平面运动或空间运动，可将其分为平面齿轮传动和空间齿轮传动两大类
1（平面齿轮传动
平面齿轮传动是用于两平行轴之间的传动。
外啮合直齿圆柱齿轮传动内啮合直齿圆柱齿轮传动齿轮齿条传动（直齿条）
外啮合斜齿圆柱齿轮传动人字齿轮传动齿轮齿条传动（斜齿条）2（空间齿轮传动
空间齿轮传动用于相交轴和交错轴之间的传动。
螺旋齿轮传动
直齿圆锥齿轮传动曲齿圆锥齿轮传动
（交错轴斜齿轮传动）
蜗杆传动准双曲面齿轮传动
齿轮传动的类型
外啮合直齿圆柱齿轮传动
内啮合
（轮齿与轴平行）齿轮齿条平面齿轮运动
齿外啮合斜齿圆柱齿轮传动（传递平行轴间的运动）内啮合（轮齿与轴不平行）轮齿轮齿条
人字齿轮传动（轮齿成人字形）传
直齿传递相交轴运动
（锥齿轮传动）斜齿动空间齿轮运动
交错轴斜齿轮传动
（传递不平行轴间的运动）传递交错轴运动蜗轮蜗杆传动
准双曲面齿轮传动12.1.3齿廓啮合基本定律
齿轮传动要求准确平稳，即要求在传动过程中，瞬时传动比保持不变，以免产生冲击、
振动和噪音。
不论齿廓在任何点接触，过接触点所作两齿廓的公法线必须与连心线交于一固定点，这
就是齿廓啮合基本定律。
12.2渐开线齿轮
12.2.1渐开线的形成及基本性质
1.渐开线的形成
2（渐开线的性质
根据渐开线的形成，可知渐开线具有下列一些特性:
1）发生线沿基圆滚过的直线长度，等于基圆上被滚过的圆弧长度;
2）发生线KN是渐开线在任意点K的法线。
因此，发生线上任一点的法线必切于基圆。
3）渐开线齿廓上某点的法线与该点的速度方向线所夹的锐角α称为该点的压力角。
k
由上式可知，渐开线上各点的压力角是不相等的。
4）渐开线的形状完全取决于基圆的大小。
如图所示，基圆半径相等，则渐开线相同;基圆半径愈小，则渐开线愈弯曲;基圆半径愈大，则渐开线愈平直;基圆半径为无穷大时，则渐开线就变成直线。
5）基圆内无渐开线。
12.2.2渐开线标准直齿圆柱齿轮的基本参数和几何尺寸
1.齿轮各部分的名称和主要参数
齿轮各部分的名称
zp=pd
d=（p/p）z
m=p/p
m——模数，单位为mm
d=mz
cosa=d/d=d/mzbb
2.基本参数
标准直齿圆柱齿轮的基本参数有五个:
z、m、α、ha*、c*，其中ha*称为齿顶高系
数，c*称为顶隙系数。
这两个系数在我国已标准化了，ha*=1，c*=0.25。
3.几何尺寸计算
几何尺寸计算公式见表。
公法线长度
12.3渐开线标准直齿圆柱齿轮的啮合传动12.3.1渐开线齿轮啮合传动特点
1.渐开线齿廓能保证瞬时传动比恒定
2.一对渐开线齿廓在任何位置啮合时，接触点的公法线都是同一条直线NN，这说明12一对渐开线齿廓从开始啮合到脱离啮合所有啮合点均应在NN线上。
因此，NN是两1212齿廓接触点的轨迹线，称为啮合线。
由于啮合线与公法线是同一条直线，故齿廓间的正压力方向不变。
这有利于齿轮传动的平稳性。
啮合线NN与过节点的两节圆公切线t-t所夹的锐角称为啮合角，用α’表示（图12-12
17）,显然渐开线齿轮的啮合角也是不变的。
3.由图可知，?
ONP?
?
ONP，所以两轮的传动比还可以写成1122
12.3.2渐开线齿轮啮合传动的条件
1.正确啮合条件
须满足p=p，且p=πmcosαb1b2b
m=m12
α=α12渐开线直齿圆柱齿轮的正确啮合条件是:
两轮的模数和压力角分别相等。
2.标准安装条件
为了避免冲击、振动，理论上齿轮传动应为无侧隙传动。
对于满足正确啮合条件的一对标准齿轮，其分度圆上的齿厚与齿槽宽相等，即s=e=πm/2。
所以，要保证无侧隙传动，要求分度圆与节圆重合。
分度圆与节圆重合的安装称为标准安装，此时的中心距称为标准中心距。
3.连续传动条件
1）渐开线齿轮的啮合过程
2）连续传动条件
ε称为重合度，它表明同时参与啮合轮齿的对数。
ε=1表明始终有一对齿啮合，ε=2表明始终有两对齿啮合，而ε=1.3表明在齿轮转过一个基圆齿距的时间内有30%的时间是两对齿啮合，70%的时间是一对齿啮合。
12.4渐开线齿轮的切齿原理及变位齿轮的概念
12.4.1渐开线齿轮的切齿原理
齿轮加工方法很多，有铸造法、热轧法、冲压法、粉末冶金法和切制法等等，最常用的是切制法。
按其加工原理可分为仿形法和范成法。
1.仿形法
仿形法加工是刀具在通过其轴线的平面内，刀刃的形状和被切齿轮齿间形状相同。
一般采用盘形铣刀和指状铣刀。
如图所示为盘形铣刀切制齿轮。
切制时，铣刀转动，同时毛坯沿其轴线移动一个行程，这样就切出一个齿间。
然后毛坯退回原来位置，将毛坯转过
0360/z，再继续切制，直到切出全部齿间。
由于渐开线形状取决于基圆大小，而基圆直径d=mzcosα，故齿廓形状与模数、齿数、b
压力角有关。
理论上，模数和压力角相同，不同齿数的齿轮，应采用不同的刀具，这在实际中是不可能的。
通常每种刀具加工一定范围的齿数，刀具齿形此范围内某一特定的齿数设计。
因此对大多数齿轮，这种加工在理论上就存在误差。
盘形铣刀切制齿轮指状铣刀切制齿轮
铣直齿动画演示铣斜齿动画演示
2.范成法
范成法也称展成法，是利用一对齿轮啮合时两轮的齿廓互为包络线的原理加工齿轮的，如图所示。
加工时，刀具与齿坯相当于一对齿轮（或齿轮与齿条）的无侧隙啮合传动。
范成法加工齿轮常用的刀具有齿轮插刀、齿条插刀和齿轮滚刀。
插齿机加工直齿轮插齿机加工斜齿轮
滚齿机加工直齿轮滚齿机加工斜齿轮
用范成法加工齿轮，一把齿轮刀具可以加工模数、压力角相同而齿数不同的齿轮，且生产率较高，所以应用广泛。
齿轮加工实景录像
12.4.2根切现象与不发生根切时的最少齿数
1.根切现象
用范成法加工齿轮时，若刀具的齿顶线（或齿顶圆）超过啮合极限点N时（如图所示），被切齿轮的根部被切去了一部分（如图所示），这种现象称为根切现象。
根切
2.不发生根切时的最少齿数
最少齿数
2*Z=2h/sinamina
*0当h=1，a=20，Z=17。
amin
12.4.3变位齿轮的概念
1.变位齿轮的概念
轮齿发生根切的原因是，刀具的齿顶线超过了啮合极限点N。
如图所示，我们可以将刀具向远离轮坯中心的方向移动一个距离xm，刀具就不会切到轮齿的根部，从而不再发生根切现象。
通过改变刀具和轮坯的相对位置来切制齿轮的方法称为变位修正法，这样切制的齿轮称为变位齿轮。
刀具向远离轮坯方向移动，称为正变位;
刀具向靠近轮坯方向移动，称为负变位。
刀具移动量为xm，x称为变位系数。
正变位时，变位系数为正值;
负变位时，变位系数为负值。
（刀具可拉动）
由于加工变位齿轮时，齿轮的模数、压力角、齿数以及分度圆、基圆都与标准齿轮相同，所以两者的齿廓曲线是相同的渐开线，只是截取了不同的部位（如图所示）。
由图可以看出，正变位齿轮齿根部分齿厚增大，提高了齿轮的抗弯强度，而齿顶减薄;负变位齿轮与其相反。
2.不发生根切的最小变位系数
由上图可以看出，要避免根切，刀具的最小移动量为xm，刀具的齿顶线通过N点，min
则
12.5渐开线直齿圆柱齿轮传动的设计
12.5.1失效形式
齿轮失效一般都是其轮齿部分失效。
主要失效形式有:
1（轮齿折断
轮齿象一个悬臂梁，受载后齿根部弯曲应力最大，而且有应力集中，使得轮齿容易在根部折断。
轮齿折断分为两种情况:
一种是当重复受载后，齿根处产生疲劳裂纹，裂纹逐步扩展，致使轮齿折断;另一种是轮齿受到短时过载或冲击载荷而突然折断。
2（齿面点蚀
齿轮工作时，其啮合表面上任一啮合点所产生的接触应力是由零（该点未进入啮合时）逐渐变到最大值（该点啮合时），即齿面接触应力是按脉动循环变化的。
齿面长时间在这种循环应力作用下，齿的表面就会发生细微的疲劳裂纹，裂纹的扩展使表层金属微粒剥落下来形成齿面点蚀。
实践表明，齿面点蚀多出现在轮齿节线附近靠齿根的一侧。
3（齿面胶合
在高速重载的齿轮传动中，由于齿面间压力很大，造成啮合面间润滑油膜的破裂，使滑动速度较大的、直接接触的金属表面产生瞬时高温而粘连，其中较软齿面上的金属颗粒沿啮合齿面相对滑动速度方向被另一齿面撕下，这种失效形式称为齿面胶合，如图12-30所示。
在低速重载的齿轮传动中，由于齿面间不易形成油膜，也可能出现胶合现象。
为了提高齿轮的抗胶合能力，可以采用抗胶合能力强的润滑油，选择不同齿轮材料组合，提高齿面的硬度和光洁度等。
4（齿面磨损
当灰尘、砂粒、铁屑等落入齿面间时，将引起齿面的磨粒磨损（图12-31）。
闭式齿轮传动，只要注意润滑油的更换和清洁，一般不会出现这种齿面磨损。
开式齿轮传动，由于齿轮外露，其主要失效形式为齿面磨损。
5（齿面塑性变形
若轮齿的硬度较低，在啮合过程中，轮齿齿面上会产生局部金属流动现象——塑性变形，从而破坏了齿面的渐开线齿形。
这种失效形式常在低速、过载和起动频繁的传动中发生。
提高齿面硬度，选用粘度较高的润滑油等，都有助于防止或减轻齿面塑性变形。
12.5.2齿轮材料选择
1.齿轮材料的基本要求
由齿轮的失效形式可知，对齿轮材料的基本要求为:
（1）齿面应有足够的硬度;
（2）齿芯应有足够的强度和韧性;（3）应有良好的加工工艺性能及热处理性能。
齿轮常用材料是钢，其次是铸铁，有时也采用非金属材料。
2.齿轮材料及热处理
1）锻钢
2）铸钢
当齿轮的尺寸较大（大于400,600mm）而不便于锻造时，可用铸造方法制造成铸钢齿坯，再进行正火处理。
铸钢耐磨性和强度均较好，承载能力稍低于锻钢。
3）铸铁
低速、轻载场合的齿轮可以制成铸铁齿坯。
铸铁齿轮的加工性能、抗点蚀、抗胶合性能均较好，但强度低，耐磨性及抗冲击性差。
3.设计准则
齿轮传动的设计准则如下:
对于闭式软齿面齿轮传动，齿面点蚀是主要的失效形式，应先按齿面接触疲劳强度进行设计计算，确定齿轮的主要参数和尺寸，然后再按弯曲疲劳强度校核齿根的弯曲强度。
闭式硬齿面齿轮传动常因齿根折断而失效，故通常先按齿根弯曲疲劳强度进行设计计算，确定齿轮的模数和其他尺寸，然后再按接触疲劳强度校核齿面的接触强度。
对于开式齿轮传动中的齿轮，齿面磨损为其主要失效形式，故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，考虑磨损因素，再将模数增大10,—20,，而无需校核接触强度。
12.5.3齿轮传动精度等级选择
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，选择齿轮精度等级。
各精度等级对应的各项公差值，可查GB10095—88或有关设计手册。
12.5.4直齿圆柱齿轮传动设计
1.轮齿受力分析和计算载荷
1）受力分析
式中:
T是主动轮传递的扭矩;d是主动轮分度圆直径;α是压力角。
11
在主动轮上圆周力的方向与转动方向相反;在从动轮上圆周力的方向与转动方向一致。
径向力的方向分别指向各自的轮心。
2）计算载荷
由上式计算的载荷均为齿轮的名义载荷，考虑齿轮传动实际工况等影响因素，通过修正
'计算得到的载荷，称为计算载荷F。
在齿轮传动强度计算中，载荷大小应按计算载荷n
进行。
F'n=KFn
2.齿面接触疲劳强度计算
齿面点蚀主要于齿面的接触应力的大小有关。
为防止齿面点蚀，应保证齿面的最大接触应力σ不大于齿轮材料的许用接触应力[σ]。
HH
3.齿根弯曲疲劳强度计算
齿根弯曲疲劳强度计算是为了防止齿根出现疲劳折断。
因此，应保证齿根最大弯曲应力
σ不大于齿轮材料的许用弯曲应力[σ]。
FF
12（6（1斜齿圆柱齿轮传动
1（斜齿圆柱齿轮齿廓曲面的形成、啮合特点及应用
1）斜齿圆柱齿轮齿廓曲面的形成
当发生面绕基圆柱作纯滚动时，发生面上与基圆柱的轴线相平行的一条直线KK（见图）在空间的运动轨迹就形成了直齿轮的渐开线齿面，简称渐开面。
斜齿轮齿面形成的原理和直齿轮一样，也是发生面绕基圆柱作纯滚动，所不同的是形成渐开面的直线KK不再与轴线平行，而是与轴线方向偏斜了一个角度βb，所以形成的曲面称为渐开螺旋面。
2）啮合特点
直齿圆柱齿轮传动时，齿面上的接触线是一条与轴线平行的直线。
这就使轮齿的啮合沿整个齿宽同时接触或同时分离，比较容易引起冲击、振动和噪音。
斜齿轮传动齿面上的接触线先由短变长，再由长变短，轮齿是逐渐进入和脱离啮合的。
这种接触方式使斜齿轮传动比较平稳，冲击和噪音小。
由于斜齿轮的轮齿是螺旋形的，所以在啮合区内，齿面上接触线的总长度比同样参数直齿轮的齿面接触线长，故斜齿轮的承载能力也较大。
2.斜齿圆柱齿轮的基本参数
由于斜齿轮的轮齿是螺旋形的，所以斜齿轮上的参数有端面与法面之分。
与轴线垂直的平面称为端面，与螺旋线垂直的平面称为法面。
端面中的参数和法面中的参数分别加以下标“t”和“n”。
法面参数为标准值。
1）螺旋角
不同圆柱上的螺旋角是不相同的。
分度圆柱上的螺旋角（简称螺旋角）
4）正确啮合条件
斜齿轮的正确啮合条件除应满足两轮模数和压力角对应相等外，两轮的螺旋角还应大小相等，旋向相反（内啮合旋向相同）。
3（斜齿圆柱齿轮的几何尺寸计算
斜齿轮的几何尺寸计算见表12-7。
12.6.2圆锥齿轮传动
1.直齿圆锥齿轮传动的特点及应用
圆锥齿轮传动是用于传递两相交轴之间的运动和动力，两轴间的夹角可以是任意的。
机械传动中应用最多的是两轴交角Σ=900的直齿圆锥齿轮传动。
圆锥齿轮的轮齿分布在圆锥表面上，轮齿有直齿和曲齿之分（图12-6、图12-7），这里我们只讨论两轴交角Σ=900的直齿圆锥齿轮传动。
2.直齿圆锥齿轮的基本参数
圆锥齿轮的齿形由大端向小端逐渐收缩。
为计算和测量方便，规定大端参数为标准值。
0模数m见标准GB12368-90;压力角α=20;齿顶高系数ha*=1，顶隙系数c*=0.2。
一对直齿圆锥齿轮传动的正确啮合条件是:
两齿轮大端的模数和压力角对应相等。
3.直齿圆锥齿轮的几何尺寸计算
12.6.3蜗杆传动
1.蜗杆传动的特点、类型和应用
蜗杆传动用于传递垂直交错轴之间运动和动力。
广泛应用于各类机床、矿山机械、冶金及起重设备等的传动系统中。
蜗杆传动传动比大，机构紧凑，传动平稳，噪声小，还可具有自锁性能。
但是效率低，蜗轮材料成本较高。
按蜗杆形状不同，蜗杆传动可分为普通圆柱蜗杆传动和圆弧面（也称环面）蜗杆传动）。
圆柱蜗杆的螺纹切制在圆柱体上，在车床上车削而成。
圆弧面蜗杆的齿是在一个圆弧回转面上，它的承载能力及传动效率均高于圆柱蜗杆传动，但加工较困难，制造安装要求较高。
圆柱蜗杆传动圆弧面（也称环面）蜗杆传动锥蜗杆传动
风风雨雨走到今天，真不容易。
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