13.1齿轮传动（课件）-《汽车机械基础》同步教学（高教版）

第1节 齿轮传动 一、齿轮传动的特点与类型 1. 齿轮传动的特点 （1）瞬时传动比准确，传动平稳。结构紧凑，适用范围广。 （2）传动精度高；传动效率高，可达99%。工作可靠，寿命长。 （3）可实现两轴平行、交叉、交错的传动。 （4）齿轮需要专用制造设备，成本较高。 2 2. 齿轮传动的类型 （1）用于两平行轴之间的传动　 如内外齿轮传动和斜齿轮传动。 齿轮的齿数越多，齿轮的直径越大，圆周曲线越来越平直， 直至成为一条直线，这时齿轮就变成了齿条。 3 2. 齿轮传动的类型 （2）用于两相交轴之间的传动 如锥齿轮传动。 2. 齿轮传动的类型 （3）用于两相错轴之间的 传动 如蜗杆传动。 4 二、渐开线直齿圆柱齿轮轮齿的各部分名称、主要参数和几何尺寸 1. 渐开线的形成及性质 (1) 渐开线的形成 当一条直线沿固定的圆周边缘作无滑动的纯滚动时，该直线上任一点K的运动轨迹，称为该圆的渐开线，如图13-7所示。该直线称为发生线，该圆称为基圆。 5 （2）渐开线的性质 ① 发生线沿基圆边缘滚过的长度KB，等于基圆上被滚过的圆弧长AB，即 。 ②渐开线上任一点K的法线必与基圆相切。切点B是渐开线上K点的曲率中心，线段KB是K点的曲率半径。 ③渐开线的形状取决于基圆的大小。 ④基圆内无渐开线。 6 2. 渐开线直齿圆柱齿轮轮齿的各部分名称 图13-8所示为渐开线直齿圆柱齿轮轮齿的一部分，其各部分名称如图所示。 7 （1）齿顶圆 齿顶所在的圆称为齿顶圆，齿顶圆直径用da表示。 （2）齿根圆 齿槽底部所在的圆称为齿根圆，齿根圆直径用df 表示。 （3）齿厚 同一轮齿上左、右两齿廓之间的某一圆周弧长称为齿厚，分度圆上的齿厚用s表示。 （4）齿槽宽 相邻两齿之间的某一圆周弧长称为齿槽宽，分度圆上的齿槽宽用e表示。 8 （5）齿距 相邻两齿同一侧齿廓圆周弧长称为齿距，分度圆上的齿距用p表示。 （6）分度圆 轮齿上齿厚等于齿槽宽所在的圆称为分度圆，分度圆直径用d表示。 （7）齿顶高 分度圆到齿圆顶之间的径向距离称为齿顶高，用ha表示。 9 （8）齿根高 分度圆到齿根圆之间的径向距离称为齿根高，用hf 表示。 （9）齿全高 齿顶圆到齿根圆之间的径向距离称为齿全高，用h表示。 （10）中心距 两传动齿轮中心的距离称为中心距，用a表示。 10 3. 渐开线直齿圆柱齿轮的基本参数 （1）齿数z 齿轮圆周上轮齿的总数称为齿数。 （2）模数m　齿轮几何尺寸的重要参数。 模数是决定齿轮尺寸的最主要参数。分度圆直径不变，模数越大，齿数越少，如图13-9所示；齿数不变，模数越大，分度圆直径也越大，如图13-10所示。齿形越大，强度越高，传递的动力也越大。 11 我国已规定了标准模数系列，见表13-1。 （3）压力角α 压力角指轮齿速度方向与受力方向所夹的锐角，通常指分度圆上的压力角α 。我国规定分度圆上的标准压力角为20º。 （4）顶高系数h*a 标准齿轮的齿顶高系数 h*a ＝1。 （5）顶隙系数c* 标准齿轮的顶隙系数c*＝0.25。 13 4. 渐开线直齿标准圆柱齿轮的几何尺寸计算 渐开线直齿标准圆柱齿轮的几何尺寸计算公式见表13-2。 注意：该表为外啮合齿轮几何尺寸计算公式。 14 例13-1 已知一对渐开线标准直齿圆柱齿轮传动的模数m=10 mm，主动齿轮的齿数z1 =20, 从动齿轮的齿数z2 ＝80，压力角 α＝20º，试计算该直齿圆柱齿轮的各部分尺寸。 15 例13-2 已测得一渐开线标准直齿圆柱旧齿轮的齿全高为11.5 mm，齿数为23，试计算该齿轮的齿顶圆直径。 16 三、 一对渐开线标准直齿圆柱齿轮的啮合传动 1．一对渐开线标准直齿 圆柱齿轮的啮合过程 一对渐开线标准直齿圆 柱齿轮的啮合过程如图13-11 所示。 17 2．传动比值恒定 在两轮节点C处的线速度值相等，线速度的方向垂直于O1、O2的连线，即有 得 结论：渐开线标准直齿圆柱齿轮的传动比值为恒定不变。 18 3．中心距的可分性 一对渐开线标准直齿圆柱齿轮的传动比与两轮的基圆半径成反比。在传动中，如果实际中心距发生微小的改变，传动比的值也不会发生变化，称之为渐开线齿轮传动的中心距可分性。 4．齿廓间的作用力方向不变 渐开线齿轮的两齿廓无论在何处啮合，齿廓间作用的压力方向始终在两基圆的内公切线上，即在接触点的公法线上，也就是啮合线方向上，啮合线成为固定的直线。所以，齿廓间作用的压力方向不变，传动平稳。 19 5．正确啮合条件 一对渐开线标准直齿圆柱齿轮正确啮合的条件：两个齿轮的模数和压力角分别相等，且等于标准值。 20 6．正确安装中心距 这表明一对渐开线标准直齿圆柱齿轮传动的中心距等于两齿轮分度圆半径之和，该中心距称为标准中心距或正确安装中心距。 21 四、渐开线齿轮的加工及根切现象 1．齿轮的加工 （1）仿形法加工 仿形法加工是在普通铣床上，用轴向剖面形状与被切齿轮轮的槽形状完全相同的成形铣刀，铣削出齿轮的加工方法。 特点：仿形法加工齿轮的精度低，效率低，适用于单件生产。 22 23 （2）展成法加工 展成法加工是利用一对无侧隙啮合的齿轮传动，两轮齿廓曲线互为包络线的原理，将其中一个齿轮做成刀具的齿形，与被加工齿轮的毛坯共轭展成运动，形成渐开线齿形。 特点：展成法加工齿轮的精度高，渐开线的形状准确，生产效率高。 24 25 2．根切现象 （1）仿形法加工 用展成法加工齿轮的时，如果齿轮的齿数太少，轮齿根部的渐开线齿廓会被部分切去，这种现象称为根切。 注意：只有当被加工齿轮的齿数小于17齿时，才会出现根切现象。 26 五、变位齿轮简介 当被加工齿轮的齿数小于17齿时，只有采用变位的加工方法，才能避免出现根切现象，所得到的齿轮称为变位齿轮。 变位齿轮的加工是靠调整刀具与被加工齿轮毛坯的中心距的方法获得的。 变位齿轮主要应用于以下两种场合： （1）两轴之间有多组齿轮变速传动。 （2）等寿命设计。 27 六、齿轮的精度 1．齿轮的加工精度 齿轮的加工精度影响到传动的精度。常用齿轮的公法线长度W值来控制齿轮的加工精度，如图13-18所示。 W＝（n－1）pb+sb 式中 pb——齿轮基圆的齿距； sb——齿轮基圆的齿厚； n——齿轮的齿数。 28 2. 齿轮的传动精度 齿轮在制造和安装的过程中，不可避免会产生一定的精度误差，影响齿轮的正常传动。国家标准GB/T 10095—2008规定，齿轮的传动精度分为12 级，精度从1～12级依次降低。常用中级精度6、 7、8级。 29 （1）运动精度 指齿轮转动一周的转角最大误差值不超过允许的范围，表示传递运动的准确性。 （2）工作平稳性 指齿轮瞬时传动比的变化限制在一定的范围内，表示传递运动的平稳性。 （3）接触精度 指齿轮传动的轮齿接触表面大又均匀，接触斑点占整个齿面的比例（如接触斑点超过60%以上）。 （4）齿轮副的侧隙 指齿轮非工作面在齿廓法 线方向上的间隙，间隙用于储存润滑油和防止卡死。 30 七、齿轮的失效形式 1.轮齿折断 定义：齿轮传动时，轮齿承受很大的载荷，根部产生弯曲应力，在长期循环载荷作用下，当弯曲应力超过材料允许的疲劳强度极限时，轮齿的根部将出现疲劳裂纹，随着裂纹的扩大，导致整个齿根折断，这种折断称为疲劳折断。 出现场合：过载折断常出现在没有良好润滑条件的开式齿轮传动中。 31 2．齿面疲劳点蚀 定义：在充分润滑液的条件下，进入裂纹的润滑液受到密封高压的作用，使齿面金属剥落而形成麻点状的凹坑，这种现象称为疲劳点蚀。 出现场合：齿面疲劳点蚀常出现在闭式齿轮的传动中。 32 3．齿面磨损 定义：轮齿啮合表面落入金属屑、粉尘等物质，当润滑条件较差，齿面材料被磨损，失去了渐开线齿廓的形状。 出现场合：齿面磨损常发生在润滑条件较差的开式齿轮传动中。 33 4．齿面胶合 定义：相互啮合的金属齿面，在高速重载下表面压力和温度过高容易造成粘着，随着齿面的相对运动，较硬的齿面将较软的齿面撕成沟纹的现象，称为齿面胶合。 34 5．齿面塑性变形 定义：如果齿轮的齿面硬度不高，当低速重载、冲击载荷或频繁起动时，轮齿表面在切向摩擦力相互作用下，主动轮的表面被拉出凹槽变形，从动轮的表面将被挤压出凸棱，破坏了正常的齿形，称为齿面塑性变形。 35 八、 常用齿轮的材料和结构 1．常用齿轮的材料 （1）锻钢 锻造齿轮的组织均匀、力学性能好、强度高、承载能力大。常用中碳结构钢和合金结构钢，如 45、40Cr。由于锻造设备限制，锻造齿轮的直径一般小于500 mm。 齿轮工作表面硬度 350HBW的齿轮称为软齿面齿轮。 齿轮工作表面硬度大于350HBW的齿轮称为硬齿面齿轮。 36 （2）铸钢 当齿轮的直径大于500 mm不能选用锻造时，只能选择铸钢。 （3）铸铁 当低速、载荷不大时，可选用铸铁作为齿轮材料。 （4）非金属材料 在载荷较轻、转速较高的低噪声场合，如家用电器、办公机械，可选用尼龙、塑料等非金属作为材料。 37 2． 常用齿轮的轮幅结构 常用圆柱齿轮的结构由轮缘、轮幅和轮毂三部分组成，轮幅的结构根据齿顶圆的大小分为齿轮 轴、实心齿轮、腹板式齿轮和轮幅式齿轮四种形式。 38 （1）齿轮轴 当齿顶圆直径小于2倍轴孔时，将齿轮和轴做成一体，称为齿轮轴。 （2）实心齿轮 当齿顶圆直径小于200 mm时，采用实心式结构。 （3）腹板式齿轮 当齿顶圆直径在200～500 mm之间时，采用腹板式结构。 （4）轮幅式齿轮 当齿顶圆直径大于500 mm，选用腹板式结构。 39 九、 齿轮传动的润滑与维护 1．齿轮传动的润滑 （1）定点 所有的运动副加油到位。 （2）定质 油质到位。 （3）定量 油量到位。 （4）定期 加油期限到位。 （5）定人 责任人到位。 40 闭式齿轮传动应定期更换规定牌号的润滑油，确保润滑油的清洁，检查供油系统是否处于正常状态，防止油温过高。油浴润滑的油液高度不超过齿高的3倍，油液过高会增加齿轮传动的阻力，但最少不低于齿高的1/3。 闭式齿轮传动的润滑方式如图13-26所示。 41 2．齿轮传动的维护 “看”和“听”是维护齿轮传动最常用的方法，直接检查开式齿轮传动的齿面，或从窥视孔观察闭式齿轮传动的齿面啮合状态；通过耳朵判断齿轮传动的啮合是否有异常的声音，常见的异常声音来自配合间隙过大、径向跳动、轴向窜动、连接松动和润滑剂牌号不符合要求。维护时，根据具体的产生原因采取相应的解决办法。 拆卸齿轮时，最好选用压力机或拆卸器将齿轮压出，也可用紫铜棒锤击齿轮的轮毂部分，注意受力均匀。 装配齿轮时，最好选用压力机或用紫铜棒锤击齿轮的轮毂部分，注意受力均匀，并安装到轴向位置，使齿轮端面和轴线垂直。 42 （3）传动比i 单级齿轮的传动比i=z2 /z1 小于5，以避免两轮尺寸相差悬殊。 （4）齿宽b 由齿轮结构确定。 （5）小齿轮分度圆直径d1 由齿轮结构确定。 （6）齿宽系数ψd ψd =b/d1，齿宽系数越大，载荷分布越不均匀。选择齿宽系数参考表13-6。 43 十、锥齿轮传动简介 1. 锥齿轮的传动特点、分类和应用 （1）锥齿轮的传动特点 锥齿轮的轮齿分布在圆锥体上，其齿形从大端向小端逐渐收缩。 锥齿轮传动用于传递两相交轴间的运动和动力。两轴间多采用90º的夹角。 44 （2）锥齿轮的分类 锥齿轮分为直齿、斜齿和曲齿三种。 45 2. 锥齿轮传动的主要参数和几何尺寸 （1）传动比I 传动比与两轮转速和齿数有关： 46 （2）模数m与其他参数 直齿圆锥齿轮的各参数都以大端为准，大端的模数m和压力角 а为标准值。标准模数见表13-10。标准压力角 а =20°，齿顶高系数 =1，顶隙系数c* =0.2。 47 （3）直齿圆锥齿轮的正确啮合条件 直齿圆锥齿轮的正确啮合条件与直齿圆柱齿轮相同，即 （4）几何尺寸计算 48 （4）几何尺寸计算 图13-28所示为等顶隙锥齿轮传动，其几何尺寸计算公式见表13-11。 49 小结： 1.直齿圆柱齿轮传动的特点、基本参数、几何尺寸的计算。 2.标准直齿圆柱齿轮传动的设计。 3.齿轮的失效形式、常用材料。 4.齿轮传动润滑与维护的基本知识。　 $$