1、第十一章 齿轮传动,第一节 齿轮传动的特点、应用与分类,应用举例,汽车变速器,应用举例,机器人关节,应用举例,一、齿轮传动机构的特点,优点：,3）传动比恒定；,1）适用的圆周速度和功率范围广；,5）可实现任意两轴之间的传动；,2）传动效率高；,4）寿命较长；,缺点：,2）不适宜于远距离两轴之间的传动。,1）要求较高的制造和安装精度，成本较高。,二、齿轮传动机构的类型,(一）按传动时两轮轴的相对位置分： 平面齿轮机构：（平行轴间传动） 直齿轮、斜齿轮、人字齿 外啮合、内啮合、齿轮与齿条传动空间齿轮传动： (相交轴间传动)：圆锥齿轮、 (交错轴间传动)：交错轴斜齿轮机构、蜗杆传动,外啮合,内啮合,
2、齿轮齿条,（二）按齿轮传动的工作情况分：开式齿轮传动低速、易磨损闭式齿轮传动重要的传动、食品工业常用,交错轴斜齿轮,（旧称螺旋齿轮）,蜗杆传动,二轴交错，通常交90,外啮合传动 内啮合传动 齿轮齿条传动,外啮合传动 二轮转向相反,内啮合传动 二轮转向相同,齿轮齿条传动 转动移动,内齿轮,外齿轮,齿条,外齿轮,直齿圆柱齿轮机构,分类,平面齿轮传动 （两轴平形）,空间齿轮传动 （两轴不平形）,两轴相交 圆锥齿轮传动,蜗杆传动,交错轴斜齿轮传动,圆柱齿轮传动,直齿,斜齿,曲齿,直齿,斜齿,外啮合,内啮合,齿轮齿条,两轴交错,人字齿轮,齿轮分类汇总,图片展示,图片展示,图片展示,图片展示,图片展示,图
3、片展示,图片展示,图片展示,图片展示,图片展示,齿轮轴：齿轮与轴做成一体，一般用于直径很小的齿轮。 制造工艺复杂，同时制造，同时报废。,三、齿轮结构,实心式齿轮：齿顶圆直径da160mm 齿轮与轴分开制造,腹板式齿轮：齿顶圆直径da500mm,轮辐式齿轮：齿顶圆直径da500mm,对于单件或小批量生产的齿轮，可做成焊接齿轮结构，对于尺寸较大的圆柱齿轮，为了节约贵重金属，可做成组装齿圈式结构。,四、基本要求,机械系统对齿轮传动的基本要求归纳起来有两项：,1、传动要准确平稳,即要求齿轮传动在工作过程中，瞬时传动比要恒定，且振动、冲击要小。,2、承载能力大,即要求齿轮传动能传递较大的动力，且体积小、
4、重量轻、寿命长。,为了满足基本要求，需要对齿轮齿廓曲线、啮合原理和齿轮强度等问题进行研究。,一、渐开线的形成,一直线在一个圆周上做纯滚动时，直线上任意一点K的轨迹称为该圆渐开线。,第二节 渐开线齿廓,渐开线,发生线,基圆,向径rK,压力角,基圆半径 rb,rK,展角,二、渐开线的特性,1、NK = AN,发生线沿基圆滚过的长度等于基圆上被滚过的圆弧长度。,2、渐开线上任一点的法线必与基圆相切。渐开线上某点的曲率中心是该点法线与基圆的切点。,NK为渐开线在K点的法线 N点为渐开线上K点的曲率中心 线段NK长度为曲率半径,当基圆半径趋于无穷大时，渐开线成为斜直线。它就是渐开线齿条的齿廓。,3、渐开
5、线的形状取决于基圆的大小。,O1,rb1,1、可分性,已知传动比i与基圆半径成反比。当齿轮制成后，基圆大小已定。所以即使中心距稍有变化，其传动比仍保持原值不变，这种性质称为渐开线齿轮传动的可分性。,可以适当放宽渐开线齿轮的中心距公差，以便于加工和装配。,三、渐开线齿廓的特点,两齿廓接触点的轨迹称为啮合线，N1N2即为啮合线。,2、啮合角是常数,两节圆的公切线t-t与啮合线N1N2之间的夹角称为啮合角。它为一常数，且等于渐开线在节圆上的压力角。,啮合线、公法线、两基圆的内公切线三线重合。,若不计齿廓间的摩擦力，则齿廓间的作用力始终沿着接触点的公法线方向，称为法向力。 所以渐开线齿廓传动具有力平稳
6、性。,若齿轮传递的力矩不变，则齿廓间法向力的大小和方向均不变。,3、传力方向不变,第三节 渐开线标准齿轮的各部分名称及基本尺寸,1、齿轮各部分名称和符号,基 圆 (db, rb) : 产生渐开线的圆 齿顶圆da(ra)： 连接齿轮各齿顶的圆 齿根圆df(rf): 齿槽底部连接的圆 齿厚 sk: 在di圆周上, 一个轮齿左右两侧齿廓间的弧线长 齿槽宽ek: 在di圆周上, 齿间的弧线长 齿距pk: pk=sk+ek,分度圆d (r): 设计齿轮的基准圆 分度圆上，p=s+e 齿顶高 ha： 齿根高hf： 齿全高h=ha+hf 齿宽B,齿间 (齿槽),齿z,2、基本参数,(1)齿数：z (2) 模
7、数：md=zp d=zp/令 m=p/ 则d=zm 压力角a ：分度圆压力角的简称分度圆上的压力角20,齿间 (齿槽),齿z,不同模数齿轮尺寸比较（放大）,模数是齿轮计算的基本参数，轮齿大小的标志 人为规定一些特定模数值，称标准模数：1、1.25、1.5、2、2.5、3、单位mm 齿数相同的齿轮， m 愈大，尺寸愈大，抗弯能力愈大，轮齿抗弯能力的重要标志 当模数一定时，齿数不同，齿廓渐开线的形状不同。,齿轮不同圆周上的模数不同，只有分度圆上的模数才是标准值,(3)压力角a,同一齿廓不同半径处的压力角不同 分度圆： 齿顶圆： 基圆：,轮齿上，基圆压力角等于零 齿顶圆上压力角最大 分度圆上压力角为
8、标准值,齿轮不同圆周上的压力角不同，只有分度圆上的压力角是标准值,由上式可知，当齿轮的齿数和模数一定时，分度圆压力角不同，其基圆大小就不同，渐开线齿廓的形状也就不同。因此，分度圆压力角是决定渐开线齿廓形状的基本参数。,所以，分度圆也可定义为： 齿轮上具有标准模数和标准压力角的圆。,国家标准规定分度圆上的压力角为标准值（20），在某些情况下也可采用14.5、15、22.5、25。,3、几何尺寸的计算,分度圆直径d : 齿顶圆直径da: 齿根圆直径df: 基圆直径db: 齿距p： 齿厚s与齿槽宽e: 基圆齿距pb：,齿间 (齿槽),齿z,标准系数,一对齿轮啮合时，为避免一齿轮齿顶圆与另一齿轮齿根圆
9、相碰，并为存储润滑油，齿顶高略小于齿根高，留有径向间隙（顶隙）。,齿顶高 ha ha*m,齿根高 hf (ha* +c *) m,全齿高 h ha + hf (2ha* +c *) m,顶隙 c c * m,正常齿： m1 mm：ha*=1，c*=0.25 m1 mm： ha*=1，c*=0.35 短齿： ha*=0.8，c*=0.3,标准齿轮： m, a, ha*，c*等于标准数值，s=e,标准中心距,标准齿轮：m, a, ha*，c*等于标准数值，s = e = pm/2 标准齿轮标准安装：无侧隙、标准顶隙 标准中心距：,标准齿轮标准安装时： 即r1 = r1 ， r2 = r2 节圆与分
10、度圆重合，此时啮合角等于压力角， =,第四节 渐开线直齿轮的啮合传动,正确啮合条件 重合度 标准中心距 标准齿轮的安装 齿轮与齿条的传动,一对齿轮正确啮合条件是：,两齿轮的模数和分度圆压力角必须分别相等。,一对齿轮的传动比为：,重合度的意义,重合度不仅是齿轮传动的连续性条件，而且是衡量齿轮承载能力和传动平稳性的重要指标。,在一般机械制造中常使e1.11.4。对于标准齿轮传动，一般都能满足这一条件。重合度愈大，表示两对齿同时啮合的时间愈长，同时参与啮合的轮齿对数愈多，传动愈平稳，每对轮齿所承受的载荷小，总体承载能力愈大。,正确啮合条件和连续传动条件是保证一对齿轮能够正确啮合并连续平稳传动的缺一不
11、可的条件。 如果前者不满足，两齿轮便不能正确进入啮合；如果后者得不到保证，则两轮的正确啮合传动将会出现中断现象。,注意！,第五节 轮齿的失效形式,硬齿面的齿轮和铸铁齿轮受到过载或冲击时，易引起轮齿的突然折断,轮齿受的弯曲应力是循环变化的，齿根处的弯曲应力最大，且在齿根的过渡圆角处有应力集中。当应力超过材料的弯曲疲劳极限时裂纹裂纹扩展疲劳折断,1、轮齿折断,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,2、齿面磨损,磨粒磨损： 磨料(沙粒、铁屑等)进入啮合区齿面磨损 齿形破坏 齿根减薄（根部严重）断齿,跑合磨损：新机器,开式齿轮传动的主要失效形式,3、齿面点蚀,
12、机理：接触应力超过材料的疲劳极限，滑动速度低形成油膜条件差节圆附近表层产生疲劳小裂缝扩大连片剥落麻窝点蚀首先发生在节线附近，然后向齿根，最后向齿顶发展,齿面材料在变化着的接触应力作用下，由于疲劳而产生麻点状损伤。,机理：高速重载，齿面间正压力大，油膜被挤走，散热不良，滑动速度大，较软齿面粘连后撕脱 ，在齿顶和齿根沿滑动方向形成沟纹。,相啮合齿面的金属在一定压力下直接接触发生粘着，同时随着齿面间的相对运动，使金属从齿面上撕落而引起严重粘着磨损。,4、齿面胶合,5、齿面塑性变形,机理：当齿面硬度不高，而又受到较大接触应力时，在摩擦力作用下，齿面材料会沿着摩擦力方向发生塑性流动而使渐开线齿形遭到破坏
13、。,在过大的应力作用下，轮齿材料因屈服产生塑性流动而在齿面或齿体形成的变形。,第六节 齿轮传动的润滑,开式齿轮传动通常采用人工定期加润滑油或润滑脂进行润滑。 一般闭式齿轮传动的润滑方式根据齿轮的圆周速度v的大小而定。,当v12m/s时多采用油池润滑，大齿轮浸入油池一定的深度，齿轮运转时就把润滑油带到啮合区，同时也甩到箱壁上，借以散热。当v较大时，浸入深度约为一个齿高；当v较小，如(0.50.8m/s)时，可达到齿轮半径的1/6。,在多级齿轮传动中，当几个大齿轮直径不相等时，可以采用惰轮蘸油润滑。,当v12m/s时，不宜采用油池润滑，最好采用喷油润滑，用油泵将润滑油直接喷到啮合区。,2）搅油过于
14、激烈，使油的温升增加，并降低其润滑性能； 3）会搅起箱底沉淀的杂质，加速齿轮的磨损。,1）圆周速度过高，齿轮上的油大多被甩出去而达不到啮合区；,这是因为：,第七节 渐开线齿轮的加工方法及根切现象,一、齿轮轮齿的加工方法,切削渐开线齿轮的方法分: 仿形法和展成法,1 . 仿形法 这种方法的特点是，所采用成形刀具切削刃的形状，在其轴向剖面内与被切齿轮齿槽的形状相同。常用的有盘状铣刀和指状铣刀。,（2）齿条插刀加工,（3）齿轮滚刀加工,二、渐开线齿廓的根切现象与最少齿数,用展成法加工齿轮时，有时会出现刀具的顶部切入齿根，将齿根部分渐开线齿廓切去的现象称之为根切。产生严重根切的齿轮削弱了轮齿的抗弯强度
15、，导致传动的不平稳，对传动十分不利，因此，应尽力避免根切现象的产生。,要避免根切就必须使刀具的顶线不超过N1点,当=20、 ha* =1时 Zmin=17,不根切的条件：Z17,作业,1、齿轮传动有哪些特点？ 2、渐开线齿轮的各部分名称和基本参数有哪些？ 3、齿轮传动的正确啮合条件是什么？ 4、渐开线齿轮的轮齿失效形式有哪些？ 5、开式齿轮传动和闭式齿轮传动的润滑方式分别有哪些？,第八节 其他齿轮传动,1、齿轮传动的啮合特点,直齿圆柱齿轮啮合时：齿面的接触线均平行于齿轮轴线，轮齿沿整个齿宽同时进入啮合、同时脱离啮合，载荷沿齿宽突然加上或卸下。因此传动的平稳性较差，易产生冲击和噪声，不适于高速和
16、重载的传动。,一、斜齿圆柱齿轮,斜齿圆柱齿轮啮合时：斜齿轮的齿廓是逐渐进入啮合、逐渐脱离啮合的，齿廓接触线的长度由零逐渐增加，又逐渐缩短，直至脱离接触，载荷不是突然加上或卸下的，因此斜齿轮传动工作较平稳。,2、斜齿圆柱齿轮的主要参数,螺旋角：齿廓曲面与分度圆柱的交线称分度圆柱上的螺旋线，如图展开后与轴线的夹角称为分度圆螺旋角，表示轮齿的倾斜程度。螺旋线向右上升称右旋，向左上升称左旋。越大，重合度越大，但啮合时产生轴向力也越大，一般取812。,8.6 斜齿圆柱轮齿,3、斜齿圆柱齿轮的正确啮合条件,正确啮合条件： 两斜齿轮的法面模数相等； 两斜齿轮的法面压力角相等； 两斜齿轮的螺旋角大小相等，方向
17、相反。,内啮合时（ ）,4、螺旋线旋向判别,将齿轮轴线垂直，螺旋线右边高右旋螺旋线左边高左旋,左旋,右旋,二、直齿圆锥齿轮机构,1、直齿圆锥齿轮机构的啮合特点,直齿圆锥齿轮机构用于传递空间两相交轴之间运动和动力（两轴线间的夹角可根据传动需要任意选取，在一般机械中，多用90）。,直齿圆锥齿轮：设计、制造和安装简单， 适用于低速、轻载传动的场合。曲齿圆锥齿轮：传动平稳，承载能力高， 适用于高速重载的场合。,锥齿轮轮齿分布在截圆锥体上，齿形从大端到小端逐渐变小。圆柱齿轮中的有关圆柱均变成了圆锥。为计算和测量方便，通常取大端参数为标准值。,一对圆锥齿轮的运动可以看作是两个圆锥体相互作纯滚动，这两个锥顶
18、共点的圆锥体就是节圆锥，对于正确安装的标准圆锥齿轮传动，其节圆锥与分度圆锥重合，传动比为：,2、直齿圆锥齿轮的啮合条件,正确啮合条件：圆锥齿轮大端的模数和压力角分别相等，且锥距相等，锥顶重合。,分度圆直径：d1=2Rsin1 d2=2Rsin2,三、 蜗杆传动的特点和类型,蜗杆传动是由蜗杆和蜗轮组成的，用于传递空间交错两轴之间的运动和动力。交错角一般为90。传动中一般蜗杆是主动件，蜗轮是从动件。,（1）传动比大，一般 i =1080，最大可达1000；,（2）重合度大，传动平稳，噪声低；,（4）蜗杆传动的主要缺点齿面的相对滑动速度大，效率低；,主要用于中小功率，间断工作的场合。广泛用于机床、冶
19、金、矿山及起重设备中。,1、蜗杆传动的特点：,（3）结构紧凑，可实现反行程自锁；,（5）. 蜗轮的造价较高。,2、类型、蜗杆分左旋和右旋。,左旋,右旋,蜗杆还有单头和多头之分。,3、圆柱蜗杆传动的主要参数:,(1).模数m和压力角,主平面,=,1,中间平面：通过蜗杆轴线并与蜗轮轴线垂直的平面。,在两轴交错角为90的蜗杆传动中，蜗杆分度圆柱上的导程角应与蜗轮分度圆上的螺旋角大小相等旋向相同，即=(2).传动比i、蜗杆头数z1和蜗轮齿数z2 设蜗杆头数为z1，蜗轮齿数为z2，当蜗杆转一周时，蜗轮转过 z1 个齿( z1 / z2周)。因此，其传动比为,z1效率 ，但加工困难。 z1 传动比 i，但
20、传动效率 。 常取，z11，2，4，6。,4.蜗轮的转向,左右手法： 左旋左手，右旋右手，四指转向1，拇指反向；即为v2。,5.蜗杆传动的失效形式及材料选择 （1）. 主要失效形式：胶合、磨损、点蚀等。在润滑良好的闭式传动中，若不能及时散热，胶合是其主要的失效形式。在开式和润滑密封不良的闭式传动中，蜗轮轮齿的磨损尤其显著。 （2）. 设计准则,按蜗轮的齿面接触疲劳强度进行设计；之后校核蜗轮的齿根弯曲疲劳强度，并进行热平衡计算。,通常只计算蜗轮的齿根弯曲疲劳强度。,（3）.常用材料 由于蜗杆传动的特点，蜗杆副的材料不仅要求有足够的强度，更重要的是具有良好的减摩耐磨和抗胶合性能。为此常采用青铜作蜗
21、轮齿圈，并与淬硬磨削的钢制蜗杆相匹配。 蜗杆的常用材料为碳钢和合金钢。高速重载的蜗杆常用15Cr、20Cr渗碳淬火，或45钢、40Cr淬火。低速中轻载的蜗杆可用45钢调质。精度要求高的蜗杆需经磨削。,适用于齿面滑动速度 较高的传动。,vs 8 m/s 的场合。（抗胶合能力差）,vs 2 m/s 的场合。,（抗胶合能力强，抗点蚀能力差）,6.蜗杆和蜗轮的结构由于蜗杆的直径不大，所以常和轴做成一个整体（蜗杆轴），当蜗杆的直径较大时，可以将轴与蜗杆分开制作。,无退刀槽，加工螺旋部分时只能用铣制的办法。,有退刀槽，螺旋部分可用车制，也可用铣制加工，但该结构的刚度 较前一种差。,组合式蜗轮,为了减摩的需要，蜗轮通常要用青铜制作。为了节省铜材，当蜗轮直径较大时，采用组合式蜗轮结构，齿圈用青铜，轮芯用铸铁或碳素钢。常用蜗轮的结构形式如下：,例1：标出各图中未注明的蜗杆或蜗轮的转动方向，绘出蜗杆和蜗轮在啮合点处的各分力的方向（均为蜗杆主动）。,2,1,径向力Fr 的方向：略,7.蜗杆传动的润滑 目的：减摩、散热。 一般根据相对滑动速度选择润滑油的粘度和给油方法。,蜗杆下置时，浸油深度应为蜗杆的一个齿高； 蜗杆上置时，浸油深度约为蜗轮外径的 1/61/3。,为减小搅油损失，下置式蜗杆不宜浸油过深。蜗杆线速度v24m/s时，常将蜗杆置于蜗轮之上，形成上置式传动，由蜗轮带油润滑。,
