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本课件从齿轮传动的分类与特点讲起,给出齿廓啮合基本定律与渐开线的形成和性质,再讲标准直齿圆柱齿轮的几何尺寸、加工方法与变位齿轮、精度等级、失效形式与材料选择,随后展开直齿与斜齿圆柱齿轮的强度计算,最后讲圆锥齿轮、蜗杆传动与轮系的传动比计算。
第一节齿轮传动的特点和分类14.1.1齿轮传动机构的分类第十四章齿轮传动
•平面—直齿轮•内啮合齿轮传动两齿轮的转动方向相同•齿轮齿条传动•外啮合齿轮传动两齿轮的转动方向相反
•平面—平行轴斜齿圆柱齿轮传动轮齿与其轴线倾斜一个角度
•平面—人字齿轮传动由两个螺旋角方向相反的斜齿轮组成
•空间—(圆)锥齿轮传动用于两相交轴之间的传动
•空间—交错轴斜齿轮传动用于传递两交错轴之间的运动
•空间—蜗杆传动用于传递两交错轴之间的运动,其两轴的交错角一般为90º
14.1.2齿轮传动机构的特点(1)直接接触的啮合传动; 可传递空间任意两轴之间的运动和动力; (2)功率范围大,速比范围大,效率高,精度高; (3)传动比稳定,工作可靠,结构紧凑; (4)改变运动方向; (5)制造安装精度要求高,不适于大中心距,成本较高,且高速运转时噪声较大。
14.1.3 齿轮传动机构的应用现代机械中应用最为广泛的一种传动机构例1:机械手
例2:汽车变速箱
例3:摄像机
例4:大型游乐设施
第二节齿廓啮合基本定律-瞬时传动比恒定条件14.2.1 基本定律-瞬时传动比恒定条件
C点:相对速度瞬心(三心定理)C点:啮合节点,简称节点
•两头牛背上的架子称为轭,轭使两头牛同步行走。 共轭即为按一定规律相配的一对。轭
第三节渐开线齿廓啮合的几个重要性质14.3.1渐开线的形成直线BK沿半径为rb的圆作纯滚动时,直线上任意一点K的轨迹称为该圆的渐开线。 该圆称为渐开线的基圆rb—基圆半径; BK—渐开线发生线θK—渐开线上K点的展角
14.3.2渐开线的性质1.渐开线的发生线展直前后长度不变;
2.B是渐开线K点处的曲率中心,BK是曲率半径; A处的曲率半径为0KB为渐开线在K点的法线,并与基圆相切K
3.渐开线的形状取决于基圆的大小rb↑→∞,渐开线→直线;
4.基圆内无渐开线
14.3.3渐开线方程1.渐开线的压力角2.渐开线方程
•啮合特性1.中心距的可分离性; 中心距变化后,C点随之变化,但rb1、rb2不变,即中心距不变。 有利于加工、安装和使用。
第四节渐开线标准直齿圆柱齿轮的基本参
•定义分度圆上:模数m= Pk/π,压力角α,均为标准值国家标准α=20°,英制标准α=14.5°,某些汽车齿轮α=22.5°2.齿顶高系数,顶隙系数
第五节渐开线直齿圆柱齿轮的啮合传动14.5.1标准中心距-无侧隙啮合分度圆与节圆重合渐开线齿廓具有可分离性
14.5.2正确啮合条件•条件:齿对交替过程中不发生冲击
•保证加工与互换性4.5.3连续传动条件•理论啮合线•实际啮合线连续传动条件??
•实际啮合线•重合度
第六节渐开线直齿圆柱齿轮的加工方法14.6.1渐开线齿轮的加工方法1.成形法
铣削法拉削法
•渐开线的形状与基圆有关•成形铣刀刀号和加工齿数范围
•一对齿轮作无侧隙啮合时,其共轭齿廓互为包络线——包络法
2.加工方法•插齿加工
•滚齿加工
14.6.3用标准齿条刀具加工齿轮1.标准齿条刀具顶部比普通齿条多出一段C*m,用于在被加工齿轮的齿根部分切出齿顶间隙
2.用标准齿条刀具加工齿轮被加工齿轮的齿数取决于v刀和ω轮的比值。
14.6.4渐开线齿廓的根切1.根切的现象根切位置2.根切的危害齿根强度削弱,重合度减小
3.根切的原因标准齿轮:刀具的齿顶线超过了极限啮合点N。
•考虑变位
•变为后
14.6.6变位齿轮及其应用1.类型•零传动x1+x2=0(包括标准齿轮)通常:小轮x1>0,大轮x2<0中心距a,啮合角α’不变(高度变位)
•正传动x1+x2>0中心距a↑,啮合角α’↑
•负传动x1+x2<0中心距a↓,啮合角α’↓
2.应用•凑中心距
第七节渐开线圆柱齿轮精度简介一、精度等级及其选择渐开线圆柱齿轮精度国家标准对齿轮及齿轮副规定12个精度等级,第1级最高,第12级最低。 精度的标注:包含:三个公差组、齿厚偏差、国标
推荐的检验项目
齿轮副应根据工作条件来确定最小极限侧隙jnmin和最大极限侧隙jnmax。 保证正常润滑,补偿热变形和制造安装误差。 上偏差:Ess下偏差:Esi分度圆弦齿高分度圆弦齿厚三、齿轮副的侧隙及齿厚极限偏差
齿厚极限偏差:标准中规定了14种齿厚极限偏差,依次用字母C、D、E、…、S表示。
四、公法线长度及其偏差间接测量齿厚:测量方便、测量精度高、评定运动精度公法线长度的查取方法对于标准直齿圆柱齿轮,公法线长度Wk*查表1
四、公法线长度及其偏差间接测量齿厚:测量方便、测量精度高、评定运动精度公法线长度的查取方法对于标准直齿圆柱齿轮,公法线长度Wk*查表1
公法线上下偏差的确定:上偏差下偏差式中: Ess--齿厚上偏差Esi--齿厚下偏差对外齿轮:
齿轮有关Fr、Fw、ff、fpt、fpb及Fβ数值表
中心距极限偏差 ±fa 值 μm
选择极限偏差时,应根据对侧隙的要求,从上图中选择两种代号,组成齿厚上偏差和下偏差齿厚偏差值弦齿厚和弦齿高:查表16-24
直齿圆柱齿轮公法线长度Wk*(m=1,α=20°)见表16-25斜齿圆柱齿轮、变位齿轮公法线长度见表16-25、表16-26、表16-27。
第八节齿轮轮齿的失效形式1、轮齿折断2、齿面点蚀3、齿面磨损4、齿面胶合5、齿面塑性变形
2、齿面点蚀•采取措施:提高材料的硬度; 加强润滑,提高油的粘度•形成原因轮齿在节圆附近一对齿受力,载荷大; 滑动速度低形成油膜条件差; 接触疲劳产生麻点。
相对滑动速度
•措施:加强润滑;开式改闭式传动3、齿面磨损•原因:相对滑动
4.齿面胶合•原因:•高速重载; 散热不良; •滑动速度大; 齿面粘连后撕脱•采取措施:减小模数,降低齿高; 抗胶合能力强的润滑油;材料的硬度及配对
5.齿面塑性变形•措施:提高材料的硬度,减小接触应力,改善润滑•原因:重载,齿面软
弯曲折断点蚀胶合磨损塑性变形齿轮的失效形式•现象与原因? •改进措施?。。。。
第九节齿轮材料、热处理和许用应力一、齿轮材料选择齿轮材料时应综合考虑如下基本要求:*齿面有足够的硬度; *轮芯有足够的强度和韧性; *具有良好的机械加工和热处理工艺性; *价格低。制造齿轮常用材料:钢、铸铁、有色金属、非金属材料
齿轮常用材料的机械性能及应用范围二、热处理方法
第十节标准直齿圆柱齿轮传动的计算载荷载荷系数K名义载荷:由额定功率计算出的载荷计算载荷:名义载荷乘以载荷系数
一、使用系数KA使用系数KA是考虑由于齿轮啮合外部因素引起附加动载荷影响的系数。 影响KA的主要因素:原动机和工作机的工作特性。
影响Kv的主要因素:基节和齿形误差产生的传动误差、节线速度和轮齿啮合刚度等。 二、动载系数Kv动载系数Kv是考虑由于齿轮制造精度、运转速度等轮齿内部因素引起的附加动载荷影响系数。
当瞬时传动比这种情况称为换齿冲击当瞬时传动比这种情况称为啮入冲击
三、齿向载荷分布系数Kβ齿向载荷分布系数Kβ是考虑沿齿宽方向载荷分布不均匀对轮齿应力的影响系数影响Kβ的主要因素有:齿轮的制造和安装误差,轮齿、轴系及机体的刚度,齿轮在轴上相对于轴承的位置,轮齿的宽度及齿面硬度等。
四、齿间载荷分配系数Kα齿间载荷分配系数Kα是考虑同时啮合的各对轮齿载荷分配不均匀对轮齿应力的影响系数。 影响Kα的主要因素有:轮齿制造误差,特别是基节偏差,轮齿的啮合刚度,重合度和跑合情况等。
齿间载荷分配系数Kα
第十一节标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算一、轮齿受力分析圆周力径向力法向力
作用于主、从动轮上各对力的方向判断:作用于主、从动轮上的各对力均大小相等,方向相反。 Ft 在主动轮上与运动方向相反,在从动轮上与运动方向相同。 Fr的方向与啮合方式有关,对于外啮合,主、从动轮上的径向力分别指向各自的轮心。
二、齿面接触疲劳强度计算赫兹接触模型(力学模型):两圆柱体接触时产生弹性变形,其接触应力的大小由赫兹接触应力计算。
赫兹接触应力
强度条件式齿面接触应力通常按节点计算接触应力将齿轮齿廓在节线处简化成圆柱
法向计算载荷综合曲率代入上式得:节点C处的参数:
将上述参数代入则得:齿面接触疲劳强度的校核公式:br为有效齿宽
取齿面接触疲劳强度的设计公式:或mmmm式中: u---齿数比
ZE---材料弹性系数,
ZH---节点区域系数,反映了节点齿廓形状对接触应力的影响,按右图查取
---重合度系数,是考虑重合度对齿面接触应力影响的系数由右图查取
---齿宽系数,按下表选取d1---小齿轮分度圆直径,mmb---齿宽,mm---许用接触应力,MPa.a---传递中心距,mmT1---小齿轮传递的转矩,N.mm
三、齿根弯曲疲劳强度计算强度条件式力学模型:危险截面位置,简化成悬臂梁,30º切线法
由于重合度的影响,最大力的作用点在D点,推导公式时假定最大力作用在E点,这样应力大于实际值,用小于1的重合度系数修正。
齿根弯曲疲劳强度校核公式:其中
齿根弯曲疲劳强度的设计公式mm式中:YF---齿形系数:反映了轮齿几何形状对齿根弯曲应力σF的影响
对符合基准齿形的圆柱外齿轮,YF可按右图查取
Ys--应力修正系数:用以考虑齿轮过渡圆角处的应力集中和剪切应力以外压应力对齿根应力的影响,其值查右图
---重合度系数:是将全部载荷作用于齿顶时的齿根应力折算为载荷作用于单对齿啮合区上界点时的齿根应力系数值也可查下图
对齿轮进行弯曲强度校核时,大小齿轮应分别进行按式8-12设计模数时, 式中
第十二节斜齿圆柱齿轮传动14.12.1 渐开线斜齿圆柱齿轮1. 斜齿圆柱齿轮齿面的形成
2.斜齿圆柱齿轮的基本参数(1)螺旋角
(2)齿距和模数(3)压力角(4)齿顶高系数和顶隙系数(5)几何尺寸3.斜齿圆柱齿轮的啮合特性•接触线是斜直线逐渐接触,逐渐脱开,传动平稳,冲击和噪声小
(1)法面参数与端面参数的关系模数
•压力角
(2)法面参数的意义法面:加工时的进刀方向,为标准参数端面:渐开线,与直齿轮相当
外啮合β1=-β2内啮合β1=β22.平行轴斜齿轮机构的几何尺寸计算(1)正确啮合条件•两轮啮合处的轮齿倾斜方向必须一致
•端面内的啮合相当于直齿轮啮合
(2)连续传动条件端面重合度轴向重合度斜齿轮传动的重合度比直齿轮大
3.斜齿圆柱齿轮的当量齿轮•与斜齿轮法面齿形相当的直齿圆柱齿轮称为斜齿轮的当量齿轮•当量齿轮的齿数称为斜齿轮的当量齿数
•将C点的曲率半径ρ作为当量齿轮的分度圆半径
•标准斜齿圆柱齿轮不发生根切的最小齿数:
第十三节圆柱齿轮的规定画法本部分内容在《机械制图》课程里面有详细介绍,这里略
第十四节齿轮的结构设计(1)齿轮轴如果圆柱齿轮齿根圆到键槽底面的径向距离e≤2.5m(mn),则可将齿轮与轴做成一体称为齿轮轴.
(2)实心式齿轮当da≤200mm,且e>2.5m(mn),则可做成实心式
(3) 腹板式齿轮当da ≤500mm时,为了减少质量和节约材料,通常采用腹板式结构
(4)轮辐式齿轮da=400~1000mm,多采用轮辐式的铸造结构
(5) 镶套式齿轮大直径的齿, 为节省材料, 可采用镶套式齿圈
(6) 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
第十五节圆柱齿轮零件图
第十六节直齿圆锥齿轮传动机构14.16.1直齿圆锥齿轮齿廓的形成1.理论齿廓的形成•基圆锥→球面渐开线•球面由于不能展开成平面,给设计和制造带来很大困难,工程上采用近似
•用背锥齿形代替圆锥齿轮大端的球面齿型•大端模数为标准值2.背锥和当量齿数
•将背锥展平(参数与圆锥齿轮大端相同)•将扇形齿轮补足成完整的直齿圆柱齿轮,其齿数将增至Zv—圆锥齿轮的当量齿轮•Zv—当量齿数
14.16.2直齿圆锥齿轮啮合传动1.正确啮合条件2.连续传动条件•重合度ε≥1•按照当量齿轮进行分析和计算
•传动比
14.16.3直齿圆锥齿轮的几何尺寸
第十七节蜗杆传动机构14.17.1概述1.蜗轮蜗杆的形成•齿轮─齿条的演化•螺旋传动的演化2.分类(1)按齿廓的截面形状分
•阿基米德蜗杆(普通蜗杆)
•延伸渐开线蜗杆
•渐开线蜗杆
(2)按头数分•单头,多头(3)按蜗杆形状分•圆柱蜗杆•弧面蜗杆(提高承载能力)
1.特点•主平面内:m、α为标准值2.正确啮合条件
3.传动比4.直径系数q和导程角γ
•为限制d1的数量,令蜗杆直径系数为5.齿面间的滑动速度•效率低,磨损、发热
第十八节轮系
目的:掌握轮系传动比的计算轮系:用一系列互相啮合的齿轮将主动轴和从动轴连接起来,这种多齿轮的传动装置称为轮系。 一轮系及其分类轮系定轴轮系(齿轮系)周转轮系(行星轮系、差动轮系)混合轮系定+周周+周
轮系中各轮几何轴线的位置固定不变定轴轮系(齿轮系):
练习答案右旋蜗杆练习答案
2.求i 151.各对轮齿传动比二、定轴轮系传动比i1k的计算③齿轮4——惰轮(仅改变转向,不改变i的大小) ②①定轴轮系:i1k=i12•i34•……•ik-1,km ——外啮合的次数结论
例3:解:求:i15=? ,n5=?车床溜板箱进给刻度盘轮系已知:n1=1450rpm; Z1=18;Z2=87; Z3=28;Z4=20; Z5=84。n5与n1转向相同
例5:方向如图所示求:v6=? 解:已知:Z1=15;Z2=25; Z2´=15;Z3=30; Z4=30;Z4´=2; Z5=60;Z5´=20(m=4mm); Z3´=15; n1=500rpm。
三周转轮系的传动比计算一、周转轮系轮3固定:差动轮系:F=2行星轮系:F=1
周转轮系定轴轮系系杆H运动1.分析思路:二、周转轮系传动比的计算各轴依相对运动原理:固定系杆H(假想) 2.处理方法:系杆H不动转化轮系(定轴轮系)箭头表示方向(转化轮系)轮
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