机械设计课件：第2章 齿轮传动

1、第2章 齿轮传动1 . 概述2 . 渐开线齿轮传动参数和几何计算3. 齿轮传动的载荷和应力4 . 齿轮传动的失效分析5. 齿轮常用材料和热处理6. 齿轮传动的设计准则7. 齿轮传动的计算载荷8. 齿轮强度计算9. 其他设计保证1 概述 齿轮传动示例1 直齿圆柱齿轮2 斜齿圆柱齿轮3 直齿圆锥齿轮4 人字齿轮5 交错轴斜齿轮6 齿条7 内齿轮8 斜齿圆锥齿轮9 曲齿圆锥齿轮10 螺旋齿轮12365410987汽车变速器 机器人关节 齿轮传递行星齿轮微型行星齿轮减速器 齿轮轴 齿轮传动的特点传递两轴之间的运动和动力功率：几瓦-几百千瓦速度齿轮直径 几毫米-几米效率高可靠、寿命长恒定传动比结构紧凑制

2、造、安装精度要求高振动、噪声大不适于中心距大的场合应用非常广泛重要传动零件齿轮传动分类用于平行轴间传动的齿轮传动螺旋齿轮传动蜗轮蜗杆传动外啮合齿轮传动内啮合齿轮传动齿轮齿条传动用于相交轴间的齿轮传动用于交错轴间的齿轮传动直齿轮传动斜齿轮传动人字齿轮传动圆锥齿轮传动直齿斜齿曲齿齿轮传动的主要类型按齿廓曲线的形状渐开线齿轮摆线齿轮圆弧齿轮按齿轮传动是否封闭开式齿轮传动闭式齿轮传动齿轮传动的主要类型半开式齿轮传动按齿轮齿面硬度硬齿面齿轮传动软齿面齿轮传动分类渐开线摆线圆弧闭式(箱体内，重要场合）开式（露天，低速）半开式平行轴相交轴交错轴直齿斜齿人字齿曲线齿软齿面硬齿面圆柱圆锥按一对齿轮传动的角速比是

3、否恒定分定传动比 (即i12常数) 传动的齿轮机构(圆形齿轮机构) （circular Gear) 。变传动比(即i12常数）传动的齿轮机构(非圆形齿轮机构) (Non-circular Gear) 。 齿轮传动的主要类型椭圆齿轮机构对数螺线非圆齿轮机构学习内容直齿圆柱齿轮传动斜齿圆柱齿轮传动直齿圆锥齿轮传动设计方法 圆柱齿轮2. 渐开线齿轮传动参数和几何计算直齿斜齿圆锥齿轮直齿螺旋角正常齿制圆锥齿轮短齿制顶隙侧隙传动比、齿数比1主动轮2从动轮直齿圆柱齿轮基本参数齿数 模数齿宽变位系数分度圆压力角齿顶高系数顶隙系数标准齿轮传动正确啮合条件模数相等分度圆压力角相等斜齿圆柱齿轮基本参数齿数 法向模

4、数端面模数齿宽变位系数分度圆法向压力角齿顶高系数顶隙系数分度圆螺旋角标准齿轮传动当量直齿轮正确啮合条件模数相等分度圆压力角相等螺旋角大小相等，方向相反法面直齿圆锥齿轮基本参数大端模数大端分度圆直径分锥角轴角齿顶高系数顶隙系数标准齿轮传动正确啮合条件模数相等分度圆压力角相等分锥角之和等于轴角分锥角轴角当量直齿轮模数 (mm)直齿圆柱齿轮传动斜齿圆柱齿轮传动直齿圆锥齿轮传动大端法向齿形角（压力角）法向大端正确啮合条件法向直齿锥齿轮大端斜齿轮当量齿数直齿圆柱齿轮传动斜齿圆柱齿轮传动直齿圆锥齿轮传动几何计算表2-5 表2-6 斜齿轮直齿锥齿轮标准值-标准中心距-无齿侧间隙圆整变位高度变位齿轮传动角度变

5、位齿轮传动正传动负传动避免根切提高强度凑中心距精度等级1 12 （常用69级） 高 低三个公差组 （，） 运动准确性误差 影响运动平稳性误差 影响载荷分布均匀性误差 影响侧隙的误差 齿的种类 传动种类齿面硬度HBS齿轮精度等级3,4,56789直齿圆柱齿轮3501218126435010151053圆锥齿轮35071074335069632.5斜齿及曲齿圆柱齿轮35025362512835020302096圆锥齿轮3501624169635013191376圆周速度3. 齿轮传动的载荷和应力直齿圆柱齿轮传动斜齿圆柱齿轮传动直齿圆锥齿轮传动分析齿轮传动受力时 沿齿宽的法向力均匀分布 忽略摩擦力2

6、1nno1o2E1E2Ck节点节圆节圆啮合线rb1rb20.55Pb0.45Pb0.45PbPbPb单齿啮合区双齿啮合区双齿啮合区122312N2N1PB1B31B41.45PbB22对齿啮合1对齿啮合齿轮啮合过程从动轮齿顶节点非节点 啮合点力作用点啮合线节点摩擦力法向力 沿齿宽均匀分布忽略径向力：分别指向轮心切向力：主动轮与旋转方向相反 从动轮与旋转方向相同5.1 直齿圆柱齿轮传动的受力分析Flash动画方向小齿轮传递的转矩小齿轮节圆啮合角力的大小5.2 斜齿圆柱齿轮传动的受力分析动画 径向力：分别指向轮心切向力：主动轮与旋转方向相反 从动轮与旋转方向相同轴向力：右手法则（主动轮） 受力面判

7、断法方向斜齿人字齿力的大小 n2Fa1Fa2Fa3斜 齿 圆 柱 齿 轮 传 动 的 受 力 分 析 :轴上的轴向力=Fa2+Fa3轴上的两个齿轮的旋向相反；轴的轴向力不能抵消轴上的轴向力=Fa2-Fa3n2Fa1Fa2Fa3轴上的两个齿轮的旋向相同；斜 齿 圆 柱 齿 轮 传 动 的 受 力 分 析 :轴的轴向力互相抵消5.3 直齿圆锥齿轮传动的受力分析受力分析 径向力：分别指向轮心切向力：主动轮与旋转方向相反 从动轮与旋转方向相同轴向力：指向大端 Ft1 与 Ft2 是一对力 Fr1 与 F2 是一对力 Fa1 与 F2 是一对力方向平均分度圆直径大端参数取标准值强度计算的依据为齿宽中点处

8、的当量齿轮力的大小使轴上的轴向力尽量的小，求齿轮3、4的旋向；Fa1Fa2Fa3Fa4受 力 分 析 ：Fa1Fa2Fa3Fa4Fr1Ft1Ft2Fr2Fr3Fr4Ft3Ft4轮齿上的应力齿面接触应力齿根弯曲应力4. 齿轮传动的失效分析轮齿折断齿面点蚀齿面胶合齿面磨损齿面塑性变形4.1 轮齿折断(1)疲劳折断 动画-1 动画-2 动画-3(2)过载折断(3)随机折断齿根弯曲疲劳折断全齿折断：常发生于齿宽较小的直齿轮局部折断：常发生于齿宽较大的直齿轮和斜齿轮原因过载应力集中磨损偏载（加工误差、安装误差）措施减小齿根应力集中 增大齿根过渡圆角半径，消除加工刀痕受载均匀 增大轴及支承的刚性热处理 齿

9、芯材料具有足够韧性强化处理 喷丸、滚压变位减小加工误差、安装误差增大模数4. 2 齿面点蚀（齿面疲劳损伤）早期点蚀破坏性点蚀 点蚀动画-点蚀机理 收敛性点蚀 扩展性点蚀 润滑良好 靠近节线，相对滑动速度低，形成油膜的条件差，润滑不良，摩擦力较大 （靠近节线处的齿根面抵抗点蚀的能力最差） 接触疲劳强度最低开式齿轮，由于磨损较快，很少出现点蚀措施提高齿面硬度降低表面粗糙度粘度高的润滑油（速度低时） 喷油润滑（速度高时 ）加大综合曲率半径增大齿轮直径 中心距 最易发生点蚀的位置3.3 齿面胶合热胶合 冷胶合 严重的刮伤 温度 咬死 措施提高齿面硬度降低表面粗糙度抗胶合能力强的润滑油（硫化油）极压添加

10、剂冷却4.4 齿面磨损磨粒磨损 低速磨损腐蚀磨损磨粒磨损是开式齿轮传动的主要失效形式 磨合跑合4.5 齿面塑性变形动画讲解主动轮塑性变形从动轮塑性变形塑性变形机理 措施提高轮齿齿面硬度高粘度润滑油极压添加剂润滑油防止失效方法合理选配材料和硬度制造减小加工误差、合理热处理方式，减小表面粗糙度适当的磨合（跑合）使用良好润滑（润滑剂、润滑方法）合理设计参数5. 齿轮常用材料和热处理钢铸铁非金属材料齿面硬表面热处理齿心韧（1）锻钢优质碳素钢： 45、合金钢： 35SiMn、40Cr、20CrMnTi、锻钢因具有强度高、韧性好、便于制造、便于热处理等优点，大多数齿轮都用锻钢制造常用锻钢有两大类（2）铸钢

11、 耐磨性和强度均较好，承载能力稍低于锻钢，当齿轮的尺寸较大(大于400一600mm)而不便于锻造时可用铸造方法制成铸钢齿坯，再进行正火处理以细化晶粒ZG310-570、 屈服极限强度极限常用于不宜锻造的场合（3） 铸铁低速、轻载场合的齿轮可以制成铸铁齿坯。当尺寸大于500mmm时可制成大齿圈，或制成轮辐式齿轮HT300、HT350抗弯及耐冲击性较差，主要用于低速、工作平稳、传递功率不大和对尺寸与重量无严格要求的开式齿轮球墨铸铁 QT500-7 、 抗拉强度延伸率7%（4）非金属夹布胶木尼龙、弹性模量小，在承受相同载荷的情况下，接触应力低，但它的硬度、接触强度和抗弯强度低。常用于高速、小功率、精

12、度不高或要求噪声低的场合 软齿面齿轮齿面硬度350HBS or 38HRC常用中碳钢和中碳合金钢，如45钢40Cr，35SiMn等材料进行调质或正火处理适用于强度。精度要求不高的场合，轮坯经过热处理后进行插齿或滚齿加工，生产便利、成本较低注意：小齿轮的齿面硬度比大齿轮的齿面硬度高30一50HBS，这是因为小齿轮受载荷次数比大齿轮多，且小齿轮齿根较薄为使两齿轮的轮齿接近等强度，小齿轮的齿面要比大齿轮的齿面硬一些。硬齿面齿轮齿面硬度大于350HBS or 38HRC中碳钢或中碳合金钢，表面淬火处理 HRC4055低碳钢或低碳合金钢， 20Cr，20GrMnTi 表面渗碳、渗氮、碳氮共渗、淬火处理，

13、 HRC5662常用于高速、重载、精密传动满足工作条件的要求齿轮尺寸的大小正火碳钢 平稳载荷，轻度冲击调制碳钢中等冲击合金钢高速、重载、冲击载荷飞行器高强度合金钢配对两轮齿面硬度差最小3050HBS，（冷作硬化），提高大齿轮接触疲劳许用应力20%选择原则：硬齿面结构紧凑工艺复杂精度要求高软齿面一般传动工艺简单齿轮常用材料及其机械性能 6. 齿轮传动的设计准侧轮齿折断齿根的弯曲应力 齿根弯曲疲劳强度齿面点蚀齿面胶合齿面磨损齿面塑性变形齿面的接触应力齿面接触疲劳强度GB/T34801997齿根弯曲（提高模数）没有行之有效的计算方法及设计数据（高速、大功率）静强度齿轮传动设计原则开式、闭式软齿面（

14、） 硬齿面（ ）开式、硬齿面-弯曲闭式、软齿面-接触、弯曲闭式、硬齿面-弯曲、接触疲劳强度影响实际载荷增大 的因素制造误差啮合齿对数变化材料弹性安装不对称温升变形轴弹性，刚度箱体制造精度 刚度7. 齿轮传动的计算载荷计算载荷计算载荷名义载荷使用系数动载荷系数齿间载荷分配系数齿向载荷分布系数 原动机及工作机性能的影响齿轮制造误差（基节误差、齿形误差）同时啮合齿对间载荷分配不均匀一对齿上，沿接触线不能均匀分配（1）使用系数外部因素引起的附加载荷影响的系数 原动机、工作机、轴、联轴器-工作特性 均匀平稳、轻微冲击、中等冲击、严重冲击查表 表2-7精密测量 （2） 动载荷系数制造与装配误差，轮齿的弹性

15、变形，存在基节误差、齿形误差，瞬时传动比不是定值，从动齿轮产生角加速度，产生动载荷和冲击；啮合对数变化，轮齿啮合刚度变化基节误差产生的动载荷分析 瞬时传动比变化惯性力动载荷齿轮精度节线速度查 图2-6 措施提高制造精度减小齿轮直径，降低圆周速度修缘齿（高速齿轮传动、硬化的齿面）v ， Kv 制造精度、齿轮直径d v ， Kv 制造精度 ，KV （3）齿间载荷分配系数表2-8GB/T34801997考虑同时啮合的各对轮齿间载荷分配不均匀的影响 轮齿受载后变形，轮齿的制造误差（基节误差、齿廓修形、跑合效果）动画-1 动画-2表2-8 齿间载荷分配系数KH 、 KF 精度等级II组 5 6 7 8

16、5级及更低 KAFt / b 100 N/mm b2 （取圆整）4.螺旋角斜齿圆柱齿轮软齿面齿轮接触强度弱项弯曲强度强项接触强度设计弯曲强度校核传动平稳性金属切削量抗校核能力弯曲强度校核能力富余硬齿面齿轮、开式齿轮弯曲强度弱项接触强度强项弯曲强度设计接触强度校核接触强度校核能力富余直径直径9. 其他设计保证1. 效率2. 润滑3. 齿轮结构9. 1 效率啮合中的摩擦损失搅动润滑油的油阻损失轴承的摩擦损失9. 2 润滑浸油润滑喷油润滑油雾润滑脂润滑固体润滑减小摩擦散热减小振动、噪声防锈弹性流体动压润滑开式半开式闭式脂润滑浸油润滑(3050) + ( 一个齿高 )用带油轮带油喷油润滑在闭式齿轮传动

17、当中当齿轮的圆周速度: v12 m/s 时,应采用喷油润滑。9.3 齿轮结构齿轮轴实心式辐板式轮辐式http:/products_list/&pmcId=c4dd5e61-aeea-46cd-a886-22a4b3cd872e.html齿轮轴如果圆柱齿轮齿根圆到键槽底面的径向距离e2.5m(mn),则可将齿轮与轴做成一体称为齿轮轴.当da 200mm,且x2.5m(mn),则可做成实心式实心式齿轮腹板式齿轮自由锻圆柱齿轮自由锻锥齿轮 当da 500mm时，为了减少质量和节约材料，通常采用腹板式结构da300mm(锻造毛坯)da400mm(锻造毛坯)轮辐式齿轮轮幅式铸造齿轮da=4001000m

18、m,多采用轮辐式的铸造结构大直径的齿轮, 为节省材料, 可采用镶套式齿圈镶套式齿轮焊接式齿轮单件生产而尺寸过大又不利于铸造的齿轮，可采用焊接结构齿轮的结构设计齿轮加工仿形法范成法仿形法 仿形法是在普通铣床上利用成形刀具直接加工出轮齿的方法。为了减少刀具的数量，规定铣刀在每一模数m下有八把刀具，加工齿数的范围如下： 仿形法的优缺点：（1）方便易行，可在普通铣床上加工；（2）间断加工，生产率低，齿形误差大。适用于单件生产或修配加工。范成法 范成法是在滚齿机、插齿机等专用机床上，用齿轮滚刀或齿轮插刀，并利用一对齿轮（或齿轮与齿条）相互啮合时，两轮的齿廓互为包络线的原理加工出轮齿的方法。齿轮插刀 齿条

19、插刀 齿轮滚刀 范成法的优缺点（1）只要刀具的模数和压力角选定，一把刀具可以加工任何齿数的齿轮，所以给生产带来很大方便；（2）齿形精确度高；（3）连续加工，故生产效率高；（4）需用专用机床加工，故生产成本较高。适用于批量生产渐开线齿轮的根切根切动画分析避免根切的措施 齿数z17 斜齿圆柱齿轮传动公法线长度测量 公法线千分尺 公法线千分尺的测量位置齿轮测量仪器齿圈径向跳动测量 测量仪器：齿圈径向跳动检查仪 齿厚卡尺测量弦齿厚 周节仪 万能测齿仪双面啮合检查仪 双啮仪齿轮传动的设计方法 选择齿轮材料、热处理方式、 精度等级 初选齿数、齿宽系数、螺旋角 根据强度条件初步计算出齿轮的分度圆直径或模数 计算出齿轮的主要几何尺寸 设计齿轮结构，并绘制出零件工作图根据齿轮工作情况，确定齿轮传动的载荷选择齿轮的材料，确定热处理方式，齿面硬度选择计算齿轮的齿数计算齿轮的许用/接触或弯曲疲劳强度选择强度设计公式确定有关有关参数（查表或图）计算设计参数d,m及传动主要尺寸确定齿轮的结构形式及润滑绘制零件工作图进行强度校核普通齿轮工艺介绍具体工艺主要内容如下：齿形加工主要方法普通齿轮工艺介绍其他加工齿形热处理主要方法普通齿轮工艺介绍齿形精加工主要方法普通齿轮工艺介绍 齿轮精加工的新方法格 里 森