第四章 齿轮传动与蜗杆传动（课件）《机械常识》（中国劳动保障出版社）

中国劳动社会保障出版社 机械常识 （第二版） 第四章 齿轮传动与蜗杆传动 齿轮传动利用齿轮的啮合传递运动和动力。 第四章 齿轮传动与蜗杆传动 蜗杆传动利用蜗杆与蜗轮的啮合传递运动和动力。 本章主要内容如下： 1．齿轮传动的类型、传动比和特点。 2．渐开线齿廓的形成，渐开线直齿圆柱齿轮各部分的名称、基本参数和几何尺寸计算，渐开线直齿圆柱齿轮正确啮合的条件及特点。 3．斜齿圆柱齿轮传动的形式及特点，齿轮齿条传动和锥齿轮传动的形式。 第四章 齿轮传动与蜗杆传动 本章主要内容如下： 4．齿轮的失效、材料及热处理，齿轮的结构与润滑。 5．蜗杆传动的特点、主要参数，蜗轮旋转方向的判别，蜗杆和蜗轮的结构、材料，蜗杆传动的润滑与散热。 6．轮系的类型和特点。 第四章 齿轮传动与蜗杆传动 §4-1　齿轮传动概述 §4-2　直齿圆柱齿轮传动 §4-3　其他齿轮传动 §4-4　齿轮的失效、材料与热处理 §4-5　齿轮的结构与润滑 §4-6　蜗杆传动 §4-7　轮系 第四章 齿轮传动与蜗杆传动 齿轮传动概述 §4-1 齿轮是一个有齿构件，它与另一个有齿构件通过其共轭齿面的相继啮合，从而传递运动和动力。齿轮传动是利用齿轮副来传递运动和动力的一种机械传动，可以用来传递空间任意两轴间的运动，而且传动准确可靠，效率高。 一、齿轮传动的常用类型 直齿圆柱 齿轮传动 斜齿圆柱 齿轮传动 人字齿圆柱 齿轮传动 外啮合齿轮传动 内啮合齿轮传动 齿轮齿条传动 直齿锥 齿轮传动 曲线齿锥 齿轮传动 交错轴斜齿圆柱 齿轮传动 二、齿轮传动的传动比 齿轮互相啮合时，主动齿轮1的轮齿逐个推动从动齿轮2的轮齿使从动齿轮转动，从而将主动齿轮的运动和动力传递给从动齿轮。 当主动齿轮转过一个齿时，从动齿轮也转过一个齿，且单位时间内主动齿轮转过的齿数与从动齿轮转过的齿数应相等。 齿轮传动的传动比是主动齿轮转速与从动齿轮转速之比，也等于两齿轮齿数之反比。 三、齿轮传动的应用特点 1．优点 （1）能保证瞬时传动比恒定，工作可靠性高，传递运动准确。 （2）传递功率和圆周速度范围较宽。 （3）结构紧凑，可实现较大的传动比。 （4）传动效率高，使用寿命长，维护简便。 2．缺点 （1）运转过程中有振动、冲击和噪声。 （2）对齿轮的安装精度要求较高。 （3）不能实现无级变速。 （4）不适用于中心距较大的场合。 直齿圆柱齿轮传动 §4-2 一、渐开线齿廓 1．渐开线的形成 在平面上，一条直线AB沿着一固定圆的外侧做纯滚动时，此直线上一点K的轨迹CD称为圆的渐开线。 2．压力角 渐开线上某点的法线（正压力方向线）与该点的速度方向线所夹的锐角αK 称为渐开线在该点的压力角。 3．渐开线齿廓的啮合特性 以同一个基圆上产生的两条反向渐开线为齿廓的齿轮就是渐开线齿轮。 （1）能保证瞬时传动比恒定，保证传动的平稳性，振动和冲击较小。 （2）齿轮在啮合过程中，即使两齿轮的实际中心距与设计的中心距稍有改变，其瞬时传动比仍能保持不变，从而保证齿轮在实际工作中，因制造、安装误差或轴承磨损而导致齿轮的中心距产生微小改变时，仍能保持良好的传动性能。 渐开线齿廓啮合时具有以下特性： 二、渐开线直齿圆柱齿轮各部分名称 齿顶曲面位于齿根曲面之外的齿轮称为外齿轮。 齿顶曲面位于齿根曲面之内的齿轮称为内齿轮。 齿轮上凸起的部分称为轮齿。 1．轮齿 轮齿两侧形状相同而方向相反的渐开线轮廓称为齿廓。 2．齿廓 齿轮上相邻两轮齿之间的空间称为齿槽。在端平面的任意圆周上，同一齿槽的两侧齿廓之间的弧长称为齿槽宽（ek）。 3．齿槽与齿槽宽 在端平面的任意圆周上，同一个轮齿的两侧齿廓之间的弧长称为齿厚（sk）。 4．齿厚 各轮齿顶部所连成的圆称为齿顶圆，其直径用da表示。 5．齿顶圆 各齿槽底部所连成的圆称为齿根圆，其直径用df表示。 6．齿根圆 在齿顶圆与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，其直径用d表示。 7．分度圆 在端平面的任意圆周上，两个相邻的同侧齿廓之间的弧长称为齿距，用pk表示。 8．齿距 齿顶圆与分度圆之间的径向距离称为齿顶高，用ha表示。 9．齿顶高 齿根圆与分度圆之间的径向距离称为齿根高，用hf表示。 10．齿根高 齿顶圆与齿根圆之间的径向距离称为齿高，用h表示。 11．齿高 齿轮的有齿部位沿分度圆柱面的母线方向度量的宽度称为齿宽，用b表示。 12．齿宽 三、渐开线标准直齿圆柱齿轮的基本参数 齿轮轮齿的总数称为齿数，用z表示。 1．齿数 齿距p除以圆周率π所得的商称为模数（m），单位mm。 2．模数 渐开线圆柱齿轮模数 3．压力角 齿轮的压力角一般是指分度圆上的压力角。 齿廓形状与压力角密切相关，故分度圆上的压力角也称为齿形角。标准齿轮的压力角为20°，在某些特殊场合也允许采用其他值。 4．齿顶高系数ha* 和顶隙系数c* 齿顶高ha=ha*m，ha*称为齿顶高系数，标准齿轮的ha*=1。 相互啮合的两齿轮的齿顶与齿根之间应留有一定的径向间隙c，c=c*m，c*称为顶隙系数，标准齿轮的c*=0.25。 四、渐开线标准直齿圆柱齿轮的几何尺寸计算 标准直齿圆柱齿轮是指模数m、压力角α、齿顶高系数ha*、顶隙系数c*都取标准值的直齿圆柱齿轮。 渐开线标准直齿圆柱齿轮各部分的几何尺寸计算公式 五、渐开线直齿圆柱齿轮的啮合传动 1．直齿圆柱齿轮传动的类型 两外齿轮相互啮合的传动称为外啮合齿轮传动。 一个内齿轮与一个外齿轮啮合的传动称为内啮合齿轮传动。 外啮合齿轮传动的两轴旋转方向相反，内啮合齿轮传动的两轴旋转方向相同。 由于外齿轮加工较为方便，机械中大部分情况下都是采用外啮合齿轮传动；当要求齿轮传动的两轴平行、旋转方向相同且结构紧凑时，可采用内啮合齿轮传动。 2．渐开线直齿圆柱齿轮正确啮合的条件 （1）两齿轮的模数必须相等，即 m1=m2。 （2）两齿轮分度圆上的压力角必须相等，即α1=α2。 3．齿侧间隙 齿轮啮合传动时，为了在啮合齿廓之间形成润滑油膜，避免因轮齿摩擦发热膨胀而卡死，齿廓之间必须留有间隙，此间隙称为齿侧间隙，简称侧隙。 4．直齿圆柱齿轮传动的特点 （1）相比斜齿圆柱齿轮，直齿圆柱齿轮制造工艺简单，生产成本低。 （2）传动时不会产生轴向力，对轴承要求简单。 （3）直齿圆柱齿轮用于平行轴间的传动，齿轮进入与退出啮合时沿着齿宽同时进行，容易产生冲击、振动和噪声，传动平稳性较差，不适用于高速传动的场合。 例　有一对外啮合标准直齿圆柱齿轮，齿数 z1=20， z2=32，模数 m=10 mm。计算 d、da、df、s、a。 解　 外啮合标准直齿圆柱齿轮尺寸计算结果 其他齿轮传动简介 §4-3 一、斜齿圆柱齿轮传动 1．斜齿圆柱齿轮传动概述 斜齿圆柱齿轮的齿廓在形成时，发生面上的直线 KK′不是与基圆柱母线NN′平行，而是成一个夹角βb，直线KK′的运动轨迹形成了一个螺旋形的空间曲面（称为渐开线螺旋面），βb称为基圆柱上的螺旋角。 斜齿圆柱齿轮齿廓的形成 当一对斜齿圆柱齿轮啮合时，两齿轮齿面的接触线是一条与轴线倾斜的直线，且其接触线的长度是变化的。 斜齿圆柱齿轮的螺旋方向分为左旋和右旋，判定方法为：将齿轮轴线竖直放置，轮齿自左至右上升者为右旋，反之为左旋。一对相互啮合的斜齿圆柱齿轮的模数相等、旋向应相反。 2．斜齿圆柱齿轮传动的特点 （1）传动平稳，承载能力强。 （2）传动时产生轴向力。 （3）不能用作滑移齿轮。 二、齿轮齿条传动 齿条是指在一个面上具有一系列相同等距离齿的平板或直杆，可以看作直径无穷大的外圆柱齿轮。 齿条分为直齿条和斜齿条。 齿轮齿条传动可以将齿轮的旋转运动转换为齿条的直线运动，或将齿条的直线运动转换为齿轮的旋转运动。 三、锥齿轮传动 锥齿轮是指分度曲面为圆锥面的齿轮，其类型有直齿锥齿轮、曲线齿锥齿轮和斜齿锥齿轮等。 齿轮的失效、 材料与热处理 §4-4 一、齿轮的失效 齿轮工作过程中，因过载、磨损或疲劳损伤等发生破坏而失去正常工作能力的现象称为齿轮的失效。 齿轮失效主要发生在轮齿上，轮齿失效主要有轮齿折断、齿面点蚀、齿面胶合、齿面磨损、齿面塑性变形等。 1．轮齿折断 轮齿折断的原因有两种：一种是受到严重冲击、短期过载而突然折断；另一种是轮齿长期工作后经过多次反复的弯曲，使齿根发生疲劳折断。 （1）对齿根表面进行喷丸或碾压等强化处理，以提高齿根的强度。 （2）在使用中避免意外的严重过载和冲击。 （3）增大齿根过渡圆角半径和降低齿根表面粗糙度值，以降低齿根的应力集中。 防止轮齿折断的措施： 2．齿面点蚀 轮齿啮合过程中，接触面间产生脉动循环接触应力，当此应力超过轮齿表层材料的疲劳极限时，齿面就会产生细微的疲劳裂纹。封闭在裂纹中的润滑油，在压力作用下产生楔挤作用使裂纹不断扩大，最后导致表层金属小片状剥落，出现凹坑，形成麻点状剥伤，这种现象称为齿面点蚀。齿面点蚀常发生在靠近节线的齿根部位。 （1）减小轮齿表面粗糙度值，提高齿形精度，以改善齿面的接触情况。 （2）提高齿面硬度以增大轮齿的疲劳极限。 （3）提高润滑油的黏度或采用适宜的添加剂，使啮合齿面间形成较厚的、牢固的油膜，以增大其承载面积。 防止齿面点蚀的措施： 3．齿面胶合 在重载的条件下，相啮合齿面的金属在一定压力下直接接触发生黏着，同时随着齿面的相对运动使相黏结的金属从齿面上撕落，并在轮齿表面沿滑动方向形成沟痕，这种现象称为齿面胶合。齿面胶合常发生在靠近节线的齿顶部位。 （1）对低速齿轮传动应采用黏度较大的润滑油，对于高速齿轮传动则应采用含抗胶合剂的润滑油。 （2）减小表面粗糙度值和提高齿面硬度也能增强抗胶合能力。 防止齿面胶合的措施： 4．齿面磨损 齿面磨损是指在齿轮啮合传动过程中，轮齿接触表面上的材料出现摩擦损耗的现象。 （1）提高齿面硬度，减小表面粗糙度值。 （2）采用合适的材料组合，改善润滑条件和工作条件（如采用闭式传动）。 防止齿面磨损的措施： 5．齿面塑性变形 齿面塑性变形是指硬度较低的软齿面齿轮在低速重载时，由于齿面压力过大，在摩擦力作用下，齿面金属产生塑性流动而失去原来的齿形。 塑性变形后，主动齿轮沿着分度线形成凹沟，从动齿轮沿着分度线形成凸棱。 防止齿面塑性变形的措施有选用黏度较大的润滑油，提高齿面硬度，避免频繁启动和过载等。 二、齿轮常用材料与热处理 由轮齿的失效形式可知，应使齿面具有较高的抗磨损、抗点蚀、抗胶合及抗塑性变形能力。理想的齿轮材料应保证齿面硬度高、齿心韧性好，同时还具有良好的力学性能和热处理性能。 常用的齿轮材料为优质碳素结构钢、合金结构钢、铸钢、铸铁和非金属材料等，一般多采用锻件或轧制钢材。 钢制齿轮的热处理方法主要有表面淬火、渗碳、渗氮、调质、正火等。 齿轮的结构与润滑 §4-5 一、齿轮的结构 按结构不同齿轮可分为齿轮轴、实心式齿轮、腹板式齿轮和轮辐式齿轮等。 1．齿轮轴 对于直径较小的钢制齿轮，若其齿根圆直径与轴径相差不大时，应将齿轮与轴制成一体，称为齿轮轴。 2．实心式齿轮 当齿轮的齿顶圆直径da≤200 mm，且齿根圆到键槽底部的径向距离e>2.5 mm，可采用实心式结构。 3．腹板式齿轮 当齿轮的齿顶圆直径da=200～500 mm时，可采用腹板式结构。 腹板式圆柱齿轮 腹板式锥齿轮 4．轮辐式齿轮 当齿轮的齿顶圆直径da>500 mm时，可采用轮辐式结构。 二、齿轮传动的润滑 齿轮在啮合时会产生摩擦和磨损，造成动力损耗，而使传动效率降低，因此齿轮的润滑十分重要。 润滑不仅可以减少齿轮传动啮合时所产生的摩擦、磨损和动力损耗，提高传动效率，还可以起到冷却、防锈、降低噪声、改善齿轮工作状况、延缓轮齿失效、延长齿轮使用寿命等作用。 1．齿轮传动的润滑方式 开式齿轮传动及低速、轻载、不是很重要的闭式齿轮传动，通常采用人工定期润滑，润滑剂可采用润滑油或润滑脂。 （1）一般闭式齿轮传动的润滑方式根据齿轮圆周速度v的大小而定。当v<12 m/s 时多采用油池润滑。 （2）当多级传动中低速级大齿轮浸油深度合适，而高速级大齿轮未能浸入油中时，可采用带油轮给高速级大齿轮供油。 （3）当v≥12 m/s时，由于圆周速度大，齿轮搅油剧烈，且黏附在齿面上的油易被甩掉，不能形成合适的润滑油膜，应采用喷油润滑。 2．齿轮润滑剂的选择 （1）齿轮的载荷是选择润滑油的主要依据。轻负荷的齿轮可选用抗氧防锈齿轮油，负荷较大、滑移较大的齿轮（如斜齿轮）可选用中负荷工业齿轮油，重负荷又有强烈冲击的齿轮应选用重负荷工业齿轮油。 （2）速度高的选用黏度小的润滑油，速度低的选用黏度大的润滑油。 （3）循环润滑要求润滑油的流动性好，宜选用黏度小的润滑油。对人工间歇加油的装置，则应采用黏度大一些的润滑油，以免迅速流失。 （4）的润滑油要同时满足齿轮与其他润滑对象的润滑性能要求，且不得与其他润滑对象的材料发生化学反应。 必须经常检查齿轮传动润滑系统的状况。 采用油池润滑或带油轮润滑时，油面过低则润滑不良，油面过高则会增加搅油功率的损失。 压力喷油润滑系统需检查油压状况，油压过低会造成供油不足，应及时调整油压至正常值。 油路不畅通可能会导致油压过高，应及时清理油路。 齿轮润滑油的使用注意事项 蜗杆传动 §4-6 一、蜗杆传动概述 蜗杆传动是指由蜗杆与蜗轮互相啮合组成的交错轴间的齿轮传动。它主要用于传递空间垂直交错两轴间的运动和动力。 1、蜗杆 　　蜗杆传动相当于两轴交错成90°的斜齿轮传动，只是小齿轮的螺旋角很大，而直径却很小，因而在圆柱面上形成了连续的螺旋齿，这种只有一个或几个螺旋齿的斜齿轮就是蜗杆。 2、蜗轮 与蜗杆组成交错轴齿轮副且轮齿沿着齿宽方向呈内凹弧形的斜齿轮称为蜗轮。 3、蜗杆传动的特点及应用 1．传动比大，结构紧凑。 2．传动平稳、噪声小。 3．在一定条件下可以实现自锁。 4．传动效率低，磨损严重，易发热。 5．蜗杆上的轴向力较大，轴承易磨损。 蜗杆传动常用于两轴交错，传动比较大，传递功率不太大或间歇工作的场合。由于当蜗杆导程角γ较小时传动具有自锁性，故常用在卷扬机等起重机械中，起安全保护作用。 在制造精度和传动比相同的条件下，蜗杆传动的效率比齿轮传动低。蜗杆和蜗轮齿间发热量较大，容易导致润滑失效，引起磨损加剧。因此，蜗杆传动不适用于大功率且长时间工作的场合。 二、蜗杆传动的主要参数 通过蜗杆轴线并与蜗轮轴线垂直的平面称为中平面。 在中平面内，蜗杆相当于齿条，蜗轮相当于渐开线齿轮。 蜗杆与蜗轮的啮合相当于渐开线齿轮与齿条的啮合。 1．模数m 蜗杆的轴向模数mx1和蜗轮的端面模数mt2相等，且为标准值。 2．压力角α 蜗杆的轴向压力角αx1和蜗轮的端面压力角αt2相等。 3．蜗杆的头数z1与蜗轮的齿数z2 一般推荐选用蜗杆头数z1=1、2、4、6。蜗杆头数少，则蜗杆传动的传动比大，容易自锁，传动效率较低；蜗杆头数越多，传动效率越高，但加工也越困难。 蜗轮齿数z2可根据蜗杆头数z1和传动比i来确定，一般推荐z2=29～80。 4．蜗杆传动的传动比i 蜗杆传动的传动比： 5．旋向 蜗杆的旋向有左旋和右旋两种，蜗轮也有左旋和右旋之分。 蜗杆和蜗轮旋向的判别 手心对着自己，四指顺着蜗杆或蜗轮轴线方向摆正。 若齿向与右手拇指指向一致，则该蜗杆或蜗轮为右旋，反之则为左旋。 三、蜗轮旋转方向的判别 左旋蜗杆用左手，右旋蜗杆用右手。 四指弯曲与蜗杆的旋转方向相同，拇指伸直与蜗杆轴线重合，拇指所指方向的反方向为蜗轮上啮合点的线速度方向。 四、蜗杆和蜗轮的结构 1．蜗杆的结构 蜗杆通常与轴合为一体形成蜗杆轴。 2．蜗轮的结构 蜗轮的结构可分为整体式和组合式两种。 五、蜗杆和蜗轮的材料 蜗杆传动的相对滑动速度大，因摩擦引起的发热量大、效率低，故主要失效形式为胶合，其次是点蚀和磨损。用蜗杆、蜗轮材料时不仅要满足强度要求，还要具有良好的减摩性、耐磨性和抗胶合的能力。 蜗杆一般用非合金钢或合金钢制造。 蜗轮轮齿常用锡青铜、铝青铜或铸铁制造。 六、蜗杆传动的润滑与散热 由于蜗杆传动的传动效率低、发热量大，若润滑不当，容易引起失效。为保证蜗杆传动具有良好的润滑，必须合理选择和确定润滑油、润滑方法及润滑油的供油量。 1．蜗杆传动的润滑 为提高蜗杆传动的抗胶合能力，常采用黏度较大的矿物油，或在润滑油中加入适量的添加剂，如抗氧化剂、抗磨剂、油性极压添加剂等。 （1）润滑油及添加剂 闭式蜗杆传动的润滑方式主要有浸油润滑和喷油润滑。 喷油润滑时，应注意控制一定的油压。 采用油池浸油润滑时，蜗杆最好下置，浸油深度以蜗杆一个齿高为宜；若因结构限制蜗杆不得已上置时，浸油深度可取蜗轮半径的 1/6～1/3。为避免蜗杆工作时带起油池沉渣，并考虑散热问题，油池容量以及蜗杆（或蜗轮）与油池底面的距离应适当大一些。 （2）润滑方法 2．蜗杆传动的散热 （1）在箱体上加散热片以增大散热面积。 （2）在蜗杆轴上装风扇进行吹风散热。 （3）在箱体油池内装设蛇形水管，用冷却水散热。 （4）用循环油散热。 轮系 §4-7 为了满足机器的功能要求和实际工作需要，所采用的多对相互啮合齿轮组成的传动系统称为轮系。 一、轮系的类型 轮系的形式有很多，按照轮系传动时各齿轮的轴线位置是否固定分为定轴轮系、周转轮系和混合轮系三大类。 1．定轴轮系 当轮系运转时，各齿轮的几何轴线位置均相对固定不变的轮系称为定轴轮系，也称为普通轮系。 2．周转轮系 　　当轮系运转时，至少有一个齿轮的几何轴线的位置是不固定的，并且绕另一个齿轮的固定轴线转动的轮系称为周转轮系。 周转轮系由太阳轮、内齿圈、行星齿轮和行星架组成。 周转轮系分为行星轮系和差动轮系两种。 有一个中心轮的转速为零的周转轮系称为行星轮系。 中心轮的转速都不为零的周转轮系称为差动轮系。 行星轮系只有一个自由度，差动轮系有两个自由度。 3．混合轮系 在轮系中，既有定轴轮系又有周转轮系的轮系称为混合轮系。 齿轮在轴上的固定方式 二、轮系的应用特点 采用轮系传动，可以获得很大的传动比，以满足低速工作的要求。 1．可获得很大的传动比 采用轮系传动，则可使结构紧凑，缩小传动装置占用的空间，节约材料。 2．可实现较远距离传动 经过轮系传动，可使输出轴获得多级转速，以满足不同的工作要求。 3．可以方便地实现变速要求 利用中间齿轮（也称惰轮）可以改变从动齿轮的转向。 4．可以方便地实现变向要求 著作权声明 本教学课件的著作权受国家著作权法保护，任何人不得复制盗用本教学课件所包含的全部或部分电子文件或图片。否则，著作权人有权向复制盗用者追究法律责任并依法索取赔偿。 感谢您的使用 $$