1、安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授,第九章 齿轮机构及其设计,91 齿轮机构的应用和分类,92 齿轮的齿廓曲线,93 渐开线的形成及其特性,94 渐开线齿廓的啮合特性,96 渐开线直齿圆柱齿轮任意圆上的齿厚,95 渐开线标准齿轮的基本参数和几何尺寸,97 渐开线直齿圆柱齿轮的啮合传动,98 渐开线齿轮的切制,99 变位齿轮概述,911 斜齿圆柱齿轮传动,912 圆锥齿轮传动传动,913 其他曲线齿廓的齿轮传动简介,910 变位齿轮传动,914 齿轮传动设计,安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授,91 齿轮机构的应用和分类,作用：传递空间任意两轴（平行、相交、交错）的旋转运动，或将转动
2、转换为移动。,优点：,传动比准确、传动平稳。,圆周速度大，高达300 m/s。,传动功率范围大，从几瓦到10万千瓦。,效率高(0.99)、使用寿命长、工作安全可靠。,可实现平行轴、相交轴和交错轴之间的传动。,缺点： 要求较高的制造和安装精度，加工成本高、不适宜远距离传动(如单车)。,安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授,平面齿轮传动（轴线平行）,外齿轮传动,直齿,斜齿,人字齿,圆柱齿轮,非圆柱齿轮,空间齿轮传动 （轴线不平行）,按相对运动分,按齿廓曲线分,直齿,斜齿,曲线齿,圆锥齿轮,两轴相交,两轴交错,蜗轮蜗杆传动,交错轴斜齿轮,准双曲面齿轮,渐开线齿轮(1765年),摆线齿轮 (165
3、0年),圆弧齿轮 (1950年),按封闭形式分：,齿轮传动的类型,开式齿轮传动、闭式齿轮传动。,球齿轮,抛物线齿轮(近年),分类：,内齿轮传动,齿轮齿条,安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授,准双曲面齿轮,安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授,作者：潘存云教授,92 齿轮的齿廓设计,1.齿廓啮合基本定律,得： i12 1/2O2 P /O1P,齿廓啮合基本定律:互相啮合的一对齿轮在任一位置时的传动比，都与连心线O1O2被其啮合齿廓的在接触处的公法线所分成的两段成反比。,根据三心定律可知： P点为相对瞬心。,由： v12 O1P 1,O2 P 2,安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授
4、,作者：潘存云教授,节圆： r1 r2,两节圆相切于P点，且两轮节点处速度相同，故两节圆作纯滚动。,a=r1+r2,中心距：,共轭齿廓：一对能实现预定传动 比(i12=1/2)规律 的 啮合齿廓。,如果要求传动比为常数，则应使O2 P /O1P为常数。,由于O2 、O1为定点，故P必为一个定点。,安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授,渐开线,2.齿廓曲线的选择,理论上，满足齿廓啮合定律的曲线有无穷多，但考虑到便于制造和检测等因素，工程上只有极少数几种曲线可作为齿廓曲线，如渐开线、其中应用最广的是渐开线，其次是摆线(仅用于钟表)和变态摆线。(摆线针轮减速器)，近年来提出了圆弧和抛物线。,渐开
5、线具有很好的传动性能，而且便于制造、安装、测量和互换使用等优点。本章只研究渐开线齿轮。,摆线,变态摆线,圆弧,抛物线,渐开线齿廓的提出已有近两百多年的历史，目前还没有其它曲线可以替代。,安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授,作者：潘存云教授,93 渐开线的形成及其特性,1、 渐开线的形成和特性,条直线在圆上作纯滚动时，直线上任一点的轨迹,2、渐开线的特性,渐开线上任意点的法线切于基圆,切点B点为曲率中心，BK为曲率半径。 渐开线起始点A处曲率半径为0,BK发生线，,发生线,基圆rb,kAK段的展角,安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授,作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,渐开线形状取决
6、于基圆, 基圆内无渐开线。,当rb，变成直线。,离中心越远，渐开线上的压力角越大。,定义：啮合时K点正压力方向与速度方向所夹锐角为渐开线上该点之压力角k。,cosk rb/rk,顺口溜： 弧长等于发生线， 基圆切线是法线， 曲线形状随基圆， 基圆内无渐开线。,安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授,作者：潘存云教授,为使用方便，已制成函数表待查。,3、渐开线函数,tgk= BK/rb,k = tgk-k,上式称为渐开线函数，用invk 表示：,k invk,4、渐开线方程 （极坐标方程）,= rb(k+k)/rb,tgk-k,k invk,tgk-k,rk=rb/cosk,安徽工程科技学院专
7、用 作者： 潘存云教授,作者：潘存云教授,要使两齿轮作定传动比传动，则两轮的齿廓无论在任何位置接触，过接触点所作公法线必须与两轮的连心线交于一个定点。,两齿廓在任意点K啮合时，过K作两齿廓的法线N1N2，是基圆的切线，为定直线。,i12=1/2=O2P/ O1P=const,工程意义：i12为常数可减少因速度变化所产生的附加动载荷、振动和噪音，延长齿轮的使用寿命，提高机器的工作精度。,两轮中心连线也为定直线，故交点P必为定点。在位置K时同样有此结论。,1.渐开线齿廓满足定传动比要求,94 渐开线齿廓的啮合特性,安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授,作者：潘存云教授,2.齿廓间正压力方向不变
8、,N1N2是啮合点的轨迹， 称为啮合线,由渐开线的性质可知：啮合线又是接触点的法线，正压力总是沿法线方向，故正压力方向不变。该特性对传动的平稳性有利。,啮合线与节圆公切线之间的夹角 ，称为啮合角,实际上 就是节圆上的压力角,安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授,作者：潘存云教授,3.运动可分性, O1N1PO2N2P,由于上述特性，工程上广泛采用渐开线齿廓曲线。,实际安装中心距略有变化时，不影响i12，这一特性称为运动可分性，对加工和装配很有利。,故传动比又可写成： i12=1/2= O2P/ O1P,= rb2 /rb1,基圆半径之反比。基圆半径是定值,安徽工程科技学院专用 作者： 潘存
9、云教授,作者：潘存云教授,一、外齿轮,1.名称与符号,齿顶圆 da、ra,齿根圆 df、rf,齿厚 sk 任意圆上的弧长,齿槽宽 ek 弧长,齿距 （周节） pk= sk +ek 同侧齿廓弧长,齿顶高ha,齿根高 hf,齿全高 h= ha+hf,齿宽 B,分度圆人为规定的计算基准圆,表示符号： d、r、s、e，p= s+e,法向齿距 （周节） pn,= pb,95 渐开线齿轮各部分的名称和尺寸,安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授,2.基本参数,模数m,齿数z,出现无理数,不方便为了计算、制造和检验的方便,分度圆周长：d=zp,称为模数m 。,模数的单位：mm，它是决定齿轮尺寸的一个基本参
10、数。齿数相同的齿轮，模数大，尺寸也大。,于是有： d=mz， r = mz/2,人为规定： m=p/只能取某些简单值，,安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授,0.35 0.7 0.9 1.75 2.25 2.75 (3.25) 3.5 (3.75) 第二系列 4.5 5.5 (6.5) 7 9 (11) 14 18 22 28 (30) 36 45,安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授,作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,分度圆压力角,得:iarccos(rb/ri),由 rbri cosi,定义分度圆压力角为齿轮的压力角：,对于同一条渐开线：ri ,i ,b0,安徽工程科技学院专用
11、作者： 潘存云教授,由d=mz知：m和z一定时，分度圆是一个大小唯一确定的圆。,规定标准值：20,由dbdcos可知，基圆也是一个大小唯一确定的圆。,称 m、z、为渐开线齿轮的三个基本参数。,对于分度圆大小相同的齿轮，如果不同，则基圆大小将不同，因而其齿廓形状也不同。,是决定渐开线齿廓形状的一个重要参数。,或rbrcos，,arccos(rb/r),dbdcos,某些场合采用14.5、15、22.5、25 如航空齿轮。,安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授,作者：潘存云教授,齿轮各部分尺寸的计算公式：,齿顶高：ha=ha*m,齿根高：hf=(ha* +c*)m,全齿高：h= ha+hf,齿
12、顶圆直径： da=d+2ha,齿顶高系数:ha*,齿根圆直径： df=d-2hf,顶隙系数: c*,分度圆直径： d=mz,=(2ha* +c*)m,=(z+2ha*)m,=(z-2ha*-2c*)m,正常齿： ha*1 短齿制： ha*0.8,正常齿： c*0.25 短齿制： c*0.3,（顶隙 c= c* m）,安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授,作者：潘存云教授,基圆直径：,法向齿距：,标准齿轮的含义：,一个标准齿轮的基本参数和参数的值确定之后，其主要尺寸和齿廓形状就完全确定了。,=mzcos,=db/z,=mcos,=pcos,统一用pb表示,m 、取标准值， ha* 、c* 取
13、标准值， 且e=s的齿轮,db=dcos,pn=pb,安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授,作者：潘存云教授,二、齿条,特点：齿廓是直线，各点法线和速度方向线平行 1)压力角处处相等，且等于齿形角，,2)齿距处处相等: p=m,其它参数的计算与外齿轮相同, 如： s=m/2 e=m/2,z的特例。齿廓曲线（渐开线）直线,ha=ha*m hf=(ha* +c*)m,pn=pcos,为常数。,安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授,作者：潘存云教授,1)轮齿与齿槽正好与外齿轮相反。,2) dfdda,三、内齿轮,3) 为保证齿廓全部为渐开线，,，dad-2ha,dfd+2hf,结构特点：轮齿
14、分布在空心圆柱体内表面上。,不同点：,要求dadb。,安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授,作者：潘存云教授,96 渐开线直齿圆柱齿轮任意圆上的齿厚,设计和检验齿轮时，常需要知道某些圆上的齿厚。,一般表达式： si=CC=ri,=BOB-2BOC,Si=ri,其中：i=arccos(rb/ri),顶圆齿厚：Sa=(sra/r)-2ra(inva-inv),节圆齿厚：S=(sr/r)-2r(inv-inv),基圆齿厚：Sb=(srb/r)+2rbinv,=cos(s+mzinv),=scos+2rcosinv,=(sri/r)-2ri(invi-inv)(9-7),=(s/r),=(s/r)
15、-2(,- 2(i-),invi,-inv),安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授,作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,pb1pb2,pb1pb2,pb1=pb2,不能正确啮合!,不能正确啮合!,能正确啮合!,一对齿轮传动时，所有啮合点都在啮合线N1N2上。,渐开线齿廓能满足齿廓啮合基本定律，那么，是否任意两个渐开线齿轮都能组成一对齿轮传动呢？,m1m2,从外观看齿 1比齿2小,m1 m2,外观齿1 比齿2大,97 渐开线直齿圆柱齿轮的啮合传动,安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授,作者：潘存云教授,要使进入啮合区内的各对齿轮都能正确地进入啮合，两齿轮的相邻两齿同侧齿
16、廓间的法向距离应相等：,1.正确啮合条件,pb1= pb2,将pb=mcos代入得：m1cos1=m2cos2,因m和都取标准值，使上式成立的条件为：,m1=m2 ， 1=2,结论： 一对渐开线齿轮的正确啮合条件是它们模数和压力角应分别相等。,安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授,作者：潘存云教授,对标准齿轮，确定中心距a时，应满足两个要求： 1)理论上齿侧间隙为零,2)顶隙c为标准值。 储油用,此时有：a=ra1+ c +rf2,=r1+ha*m,=r1+ r2,为了便于润滑、制造和装配误差，以及受力受热变形膨胀所引起的挤压现象，实际上侧隙不为零，由公差保证。,s1-e2=0,c=c*m
17、,+c*m,+ r2-(ha*m+c*m),=m(z1+z2)/2,2.中心距a及啮合角,(1)中心距a及啮合角,安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授,重要结论：acos= a cos,作者：潘存云教授,因此有：=,两轮节圆总相切： a=r1+ r2,=r1+ r2,两轮的传动比： i12 = r2 / r1,r1 = r1 r2 = r2,= r2 / r1,非标准装时，两分度圆将分离，此时有：a a, r r,标准安装时节圆与分度圆重合。,定义：N1N2 线与VP 之间的夹角，称为啮合角，即节圆压力角。,基圆不变：,rb1rb2 = (r1+r2)cos, ,且： rb1rb2= a
18、cos,= acos,安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授,节线与分度线不重合,作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,特别注意：分度圆和压力角是单个齿轮就有的；节圆和啮合角是两个齿轮啮合后才出现的。,(2)齿轮齿条传动,标准安装：,N1N2 线与齿廓垂直，且与基圆相切，故节点位置不变，有：,无穷远,r1 = r1,r1 = r1 ， 节线与分度线重合;,非标准安装：,安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授,作者：潘存云教授,3.一对轮齿的啮合过程,轮齿在从动轮顶圆与N1N2 线交点B2处进入啮合，主动轮齿根推动从动轮齿顶。随着传动的进行，啮合点沿N1N2 线移动。在主动轮顶圆与N1N2 线
19、交点处B1脱离啮合。主动轮：啮合点从齿根走向齿顶，而在从动轮，正好相反。,B1B2 实际啮合线,N1N2 ：因基圆内无渐开线 理论上可能的最长啮合线段-,N1、N 2 啮合极限点,阴影线部分齿廓的实际工作段。,理论啮合线段,B1-终止啮合点,B2 -起始啮合点,安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授,作者：潘存云教授,4.连续传动条件,为保证连续传动，要求：,实际啮合线段B1B2pb (齿轮的法向齿距)，,定义: = B1B2/pb 为一对齿轮的重合度,一对齿轮的连续传动条件是：,为保证可靠工作，工程上要求：,即： B1B2/pb1,1,采用标准齿轮，总是有： 1故不必验算。,安徽工程科技学
20、院专用 作者： 潘存云教授,作者：潘存云教授,重合度计算公式：,= B1B2/pb,(PB1+P B2),=z1(tga1-tg)+z2(tga2-tg)/2,其中：PB1B1 N1-PN1,rb1tga1,z1mcos(tga1-tg)/2,PB2B2 N2-PN2,rb2tga2,z2mcos(tga2-tg)/2,外啮合传动,- rb1tg,- rb2tg,/mcos,安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授,作者：潘存云教授,齿轮齿条传动：,PB1 z1mcos(tga1-tg)/2,PB2h*am/sin,代入得： =z1 (tga1-tg )/2+ h*a /cossin, B1B
21、2/pb,(PB1+P B2),/mcos,安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授,作者：潘存云教授, B1B2/pb,(PB1+P B2)/mcos,=Z1(tga1-tg)-Z2(tga2-tg)/2,PB2PN2 - B2 N2,rb2tg,- z2mcos(tga2-tg)/2,内啮合传动,PB1 B1 N1- PN1,a2 ,z1mcos(tga1-tg)/2 同上,的物理意义：表示同时参与啮合的轮齿对数的平均值。,- rb2tga2,-rb1tg,rb1tga1,安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授,作者：潘存云教授,= 1.45,B1B2=P b = 1.45 Pb,第一对
22、齿在B2点进入啮合,第一对齿从B2运动到B3点时；,第一对齿从B3运动到B1点时；,第一对齿在B1点脱离啮合后； 只有第二对齿处于啮合状态。,当第二对齿从B4点运动到B3点时； 第三对正好在B2点进入啮合。 开始一个新的循环。,2,单齿啮合区长度：L1 P b 2(1) P b, (2) P b,双齿啮合区长度：L2 2(1) P b,2,第二对齿在B2点恰好进入啮合。,第二对齿从B2运动到B4点时。,安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授,98 渐开线齿轮的切制,齿轮加 工方法,成形法,盘铣刀,指状铣刀,铸造法,热轧法,冲压法,模锻法,粉末冶金法,切制法 最常用,铣削,拉削,1. 成形法铣
23、削,范成法 (展成法共轭法 包络法),插齿,滚齿,剃齿,磨齿,一、齿轮加工方法,二、齿廓切制的基本原理,安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授,作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,指状铣刀加工,盘铣刀加工,铣刀旋转，工件进给 分度、断续切削。,适用于加工大模数 m20 的齿轮和人字 齿轮。,安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授,成形法加工的特点：产生齿形误差和分度误差，精度较低，加工不连续，生产效率低。适于单件生产。,由db=mzcos可知，渐开线形状随齿数变化。要想获得精确的齿廓，加工一种齿数的齿轮，就需要一把刀具。这在工程上是不现实的。,安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授,作者
24、：潘存云教授,作者：潘存云教授,齿轮插刀加工,i=0 /=z/z0,2. 范成法,2.1 齿轮插刀,共轭齿廓互为包络线,安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授,Vrmz/2,2.2 齿条插刀,插齿加工过程为断续切削，生产效率低。,齿条插刀加工时齿廓包络过程,安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授,作者：潘存云教授,滚刀,Vrmz/2,滚刀轴剖面 相当于齿条,相当于齿轮齿 条啮合传动,2.3 齿轮滚刀,被加工齿轮,为什么滚刀要倾斜一个角度呢？,安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授,设计：潘存云,范成法加工的特点：一种模数只需要一把刀具连续切削，生产效率高，精度高，用于批量生产。,安徽工程
25、科技学院专用 作者： 潘存云教授,作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,三、用标准齿条型刀具加工标准齿轮,标准齿条型刀具比基准齿形高出c*m一段切出齿根过渡曲线。 非渐开线讨论切制原理时不考虑此部分。,GB1356-88规定了标准齿条型刀具的基准齿形。,1. 标准齿条型刀具,2. 用标准齿条型刀具加工标准齿轮,加工标准齿轮： 刀具分度线刚好与轮 坯的分度圆作纯滚动。,加工结果： sem/2,ha=h*am,hf=(h*a+ c*)m,安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授,作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,1. 根切现象,图示现象称为轮齿的根切。,根切的后果：削弱轮齿的抗弯强度；,2. 根切
26、的原因,使重合度下降。,四、 渐开线齿廓的根切,PB2PN1 不根切,刀具在位置1开始切削齿间；,在位置2开始切削渐开线齿廓；,在位置3切削完全部齿廓；,当B2落在N1点的下方： PB2PN1,安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授,作者：潘存云教授,PB2=PN1 不根切,刀具在位置1开始切削齿间；,在位置2开始切削渐开线齿廓；,在位置3切削完全部齿廓；,当B2落在N1点之上： PB2=PN1,安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授,作者：潘存云教授,结论：刀具齿顶线与啮合线的交点B2落在极限啮合点N1的右上方，必发生根切。,根切条件为：,PB2PN1,发生根切,安徽工程科技学院专用 作
27、者： 潘存云教授,作者：潘存云教授,作者：潘存云教授,3. 渐开线齿轮不发生根切的最少齿数,极限啮合点N1的位置随基圆大小变动,当N1 B2两点重合时，正好不根切。,不根切的条件：,在PN1O1 中有：,在PB2B 中有：,代入求得： z2 ha*/ sin2,取=20, ha*=1，得: zmin=17,即： zmin2 ha*/ sin2,P N1P B2,=mzsin/2,PN1=rsin,PB2=ha*m/sin,不根切,刚好不根切,根切,齿条型刀具比齿轮型刀具更容易发生根切。凡齿条刀不根切，则齿轮刀肯定不会发生根切，故只讨论齿条型刀具。,安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授,标准
28、齿轮的优点： 计算简单、互换性好。,缺点： 当zzmin时，产生根切。但实际生产中经常要用到zzmin的齿轮。,不适合 aa的场合。aa时，产生过大侧隙，且,小齿轮容易坏。原因：小，滑动系数大，齿根薄。希望两者寿命接 近。 为改善上述不足，就必须对齿轮进行变位修正。,99 变位齿轮概述,安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授,作者：潘存云教授,一、加工齿轮时刀具的移位 从避免根切引入,为避免根切，可径向移动刀具 xm,x-为移距系数。,-移距,安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授,作者：潘存云教授,二、最小变位系数xmin,当zzmin时，为避免根切，刀具的齿顶线应移到N1或以下的位置：
29、,N1Qha*m-xm, N1Q N1 Psin, xha*- zsin2/2,由 zmin2 ha*/ sin2 有：,得： xha*(zmin- z),刀具最小变位系数为： xmin=ha*(zmin- z),rsinsin,mzsin2/2,或 xmha*m- N1Q,(sin2)/2ha*/zmin,安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授,作者：潘存云教授,1)由于刀具一样，变位齿轮的基本参数m、z、与标准齿轮相同，故d、db与标准齿轮也相同，齿廓曲线取自同一条渐开线的不同段。,2)变位齿轮的齿顶高和齿根高与标准齿轮不同,三、变位齿轮的几何尺寸,齿根高： hf= ha*mc*mxm,
30、顶圆半径：ra =r+ ha =r+(ha*+x)m,齿顶高：由毛坯大小确定，若保证全齿高不变，则有：,ha= (ha*+x)m,安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授,作者：潘存云教授,3）齿厚与齿槽宽与标准齿轮不同,齿厚： s=m/2,正变位：齿厚变宽，齿槽宽减薄。,刀具节线,变位后与轮坯分度圆相切的不是刀具的分度线，而是刀具节线，刀具节线上的齿厚减小、齿槽宽增大，则轮坯分度圆上的齿厚将增大。,齿槽宽：e=m/2,+ 2xmtg, 2xmtg,负变位：正好相反。,采用变位修正法加工变位齿轮，不仅可以避免根切，而且与标准齿轮相比，齿厚等参数发生了变化，因而，可以用这种方法来提高齿轮的弯曲强度，以改善齿轮的传动质量。且加工所用刀具与标准齿轮的一样，所以 变位齿轮在各类机械中获得了广泛地应用。,安徽工程科技学院专用 作者： 潘存云教授,
