機械設計 第五章 齒輪傳動 7-11節(jié)

1、5.7 5.7 漸開線齒輪的加工方法漸開線齒輪的加工方法一一. .仿形法仿形法 仿形法是在普通銑床上用軸向剖面形狀與被切齒輪齒槽形狀完全相同的銑刀切制齒輪的方法，如圖所示。銑完一個齒槽后，分度頭將齒坯轉(zhuǎn)過3600/z，再銑下一個齒槽，直到銑出所有的齒槽。銑直齒銑斜齒仿形法包括：銑削法、拉削法仿形法包括：銑削法、拉削法銑削法加工刀具：圓盤銑刀、指狀銑刀仿形法加工特點：仿形法加工特點：無須專用機床； 加工精度低、生產(chǎn)效率低。 加工方便易行，但精度難以保加工方便易行，但精度難以保證。證。由于漸開線齒廓形狀取決于基圓的大小，而基圓半徑rb=(mzcos)/2，故齒廓形狀與m、z、有關(guān)。欲加工精確齒廓，

2、對模數(shù)和壓力角相同的、齒數(shù)不同的齒輪，應采用不同的刀具，而這在實際中是不可能的。生產(chǎn)中通常用同一號銑刀切制同模數(shù)、不同齒數(shù)的齒輪，故齒形通常是近似的。表中列出了1-8號圓盤銑刀加工齒輪的齒數(shù)范圍。 即采用刀號制。表表5-55-5 銑刀刀號及其加銑刀刀號及其加工齒工齒數(shù)范數(shù)范圍圍刀號 1 2 3 4 5 6 7 81 2 3 4 5 6 7 812-13 14-16 17-20 21-25 26-34 35-54 55-134 13512-13 14-16 17-20 21-25 26-34 35-54 55-134 135以上以上刀號 1 2 3 4 5 6 7 81 2 3 4 5 6 7

3、8加工齒數(shù)范圍加工不連續(xù)，生產(chǎn)效率低，不宜用于批量生產(chǎn)。加工不連續(xù)，生產(chǎn)效率低，不宜用于批量生產(chǎn)?？稍谄胀ㄣ姶采霞庸ぃ恍鑼Ｓ脵C床?？稍谄胀ㄣ姶采霞庸ぃ恍鑼Ｓ脵C床。這種方法適用于單件生產(chǎn)而且精度要求不高的齒輪加工。二二. .展成法展成法 展成法是利用一對齒輪無側(cè)隙嚙合時兩輪的齒廓互為包絡線的原理加工齒輪的。加工時刀具與齒坯的運動就像一對互相嚙合的齒輪，最后刀具將齒坯切出漸開線齒廓。 展成法切制齒輪常用的刀具有三種刀具有三種：（1）齒輪插刀齒輪插刀 是一個齒廓為刀刃的外齒輪外齒輪； （2）齒條插刀齒條插刀 是一個齒廓為刀刃的齒條齒條； （3）齒輪滾刀齒輪滾刀 像梯形螺紋的螺桿螺桿，軸向剖面齒廓

4、為精確的直線齒廓直線齒廓，滾刀轉(zhuǎn)動時相當于齒條在移動。可以實現(xiàn)連續(xù)加工，生產(chǎn)率高。 1. 1.插齒加工插齒加工 加工方法有：加工方法有：插齒和滾齒插齒和滾齒插直齒插直齒插斜齒插斜齒2.2.滾齒加工滾齒加工 滾直齒滾直齒滾斜齒滾斜齒 用展成法加工齒輪時，只要刀具與被切齒輪的模數(shù)和壓力角相同，不論被加工齒輪的齒數(shù)是多少，都可以用同一把刀具來加工，這給生產(chǎn)帶來了很大的方便，因此展成法得到了廣泛的應用。 展成法的特點展成法的特點 思思考題（兼作習題）考題（兼作習題） 現(xiàn)有4個標準齒輪：1)m1=4mm, z1=25； 2)m2=4mm, z2=50； 3)m3=3mm, z3=60； 4)m4=2.5

5、mm, z4=40。 試問：1）哪兩個齒輪的漸開線形狀相同？ 2）哪兩個齒輪能正確嚙合？ 3）哪兩個齒輪能用同一把滾刀制造? 4 ）哪兩個齒輪能用同一把銑刀加工？ 此題要用的公式： d = m z db = d cos d 分度圓直徑 db 基圓直徑 分度圓壓力角 此題要用的知識點1）哪兩個齒輪的漸開線形狀相同？漸開線形狀取決于什么？基圓與什么直接關(guān)聯(lián)？基圓大小分度圓大小 2）哪兩個齒輪能正確嚙合？需要兩個齒輪的模數(shù)與壓力角分別相同 3）哪兩個齒輪能用同一把滾刀制造? 也需要兩個齒輪的模數(shù)與壓力角分別相同 4 ）哪兩個齒輪能用同一把銑刀加工？需要兩個齒輪的模數(shù)相同的條件下，齒數(shù)要接近，在一個刀

6、號的范圍內(nèi)。刀號 1 2 3 4 5 6 7 81 2 3 4 5 6 7 812-13 14-16 17-20 21-25 26-34 35-54 55-134 13512-13 14-16 17-20 21-25 26-34 35-54 55-134 135以上以上刀號 1 2 3 4 5 6 7 81 2 3 4 5 6 7 8加工齒數(shù)范圍1.1.根切現(xiàn)象根切現(xiàn)象 用展成法加工齒輪時，若刀具的齒頂線（或齒頂圓）超過理論嚙合線極限點N時，被加工齒輪齒根附近的漸開線齒廓將被切去一部分，這種現(xiàn)象稱為根切（如圖所示）。 根切使齒輪的抗彎強度削弱、承載能力降低、嚙合根切使齒輪的抗彎強度削弱、承載能

7、力降低、嚙合過程縮短、傳動平穩(wěn)性變差，因此應避免根切。過程縮短、傳動平穩(wěn)性變差，因此應避免根切。5.8 5.8 漸開線齒廓的根切現(xiàn)象與最小齒數(shù)漸開線齒廓的根切現(xiàn)象與最小齒數(shù) 根切的根切的危害 切掉部分齒廓； 削弱齒根強度； 降低重合度。 如圖所示為齒條插刀加工標準外齒輪的情況，齒條插刀的分度線與齒輪的分度圓相切。要使被切齒輪不產(chǎn)生根切，刀具的齒頂線不得超過極限嚙合點N。2.2.標準外齒輪的最少齒數(shù)標準外齒輪的最少齒數(shù) 模數(shù)一定時，標準刀具的齒頂高也一定，即刀具的齒頂線位置一定，所以要使刀具的齒頂線不得超過極限嚙合點N，就必須改變N點的位置。如圖，N點位置與被切齒輪的基圓半徑有關(guān)。基圓半徑越小，

8、 N點越靠近節(jié)點C，產(chǎn)生根切的可能性越大。又被切齒輪的模數(shù)和壓力角與刀具的相同，所以是否會產(chǎn)生根切取決于被切齒輪齒數(shù)的多少。r b b= = rcosa=(mzcosa)/2cosa=(mzcosa)/22.2.標準外齒輪的最少齒數(shù)標準外齒輪的最少齒數(shù) 實際應用中，為了使齒輪傳動結(jié)構(gòu)緊湊，允許有少量根切，可取Z min=141.1.常見的失效形式常見的失效形式 機械零件由于強度強度、剛度、耐磨性和振動穩(wěn)定性等因素不能正常工作時，稱為失效。機械零件在變應力作用下引起的破壞稱為疲勞破壞疲勞破壞，機械零件抵抗疲勞破壞的能力稱為疲勞強度疲勞強度。齒輪傳動的失效主要是輪齒的失效。其失效形式有：輪齒折斷輪

9、齒折斷 ：輪齒象一個懸臂梁，受載后齒根部 產(chǎn)生的彎曲應力最大。當該應力值超過材料的彎曲疲勞極限時，齒根處產(chǎn)生疲勞裂紋，并不斷擴展使輪齒斷裂。此外，突然過載、嚴重磨損及安裝制造誤差等也會造成輪齒折斷。提高輪齒抗折斷能力的措施：提高輪齒抗折斷能力的措施：增大齒根圓角半徑，消除加工刀痕以降低齒根應力集中；增大軸及支承物的剛度以減輕局部過載的程度；對輪齒進行表面處理以提高齒面硬度。5.9 5.9 齒輪常見的失效形式與設計準則齒輪常見的失效形式與設計準則(a) 疲勞裂紋 (b) 局部折斷 圖 輪齒折斷 齒面磨損：齒面磨損：灰塵、砂粒、金屬微粒等落入輪齒間，會使齒面間產(chǎn)生摩擦磨損。嚴重時會因齒面減薄過多而

10、折斷。磨損是開式傳動的主要失效形式。主要措施：主要措施：采用閉式傳動；提高齒面硬度；降低齒面粗糙度；采用清潔的潤滑油。常發(fā)生于開式齒輪傳動。常發(fā)生于開式齒輪傳動。相對滑動相對滑動+ +硬顆粒硬顆粒( (灰塵、金屬屑末等灰塵、金屬屑末等) )潤滑不良潤滑不良+ +表面粗糙。表面粗糙。正確齒形被破壞、傳動不平穩(wěn)正確齒形被破壞、傳動不平穩(wěn), , 齒厚減薄、抗彎能力齒厚減薄、抗彎能力折斷折斷現(xiàn)象：金屬表面材料不斷減小現(xiàn)象：金屬表面材料不斷減小4.4.齒面磨粒磨損齒面磨粒磨損原因原因后果后果齒面點蝕：齒面點蝕：輪齒工作面某一固定點受到近似脈動的變應力作用，由于疲勞而產(chǎn)生的麻點狀剝蝕損傷的現(xiàn)象。點蝕是閉式

11、傳動常見的失效形式。開始齒輪由于磨損很少出現(xiàn)點蝕。點蝕首先出現(xiàn)在節(jié)線附近。主要措施：主要措施：提高齒面硬度；降低齒面粗糙度； 增大潤滑油粘度；采用合理變位。單齒雙齒雙齒點蝕一般首先出現(xiàn)在節(jié)線附近靠近齒根處原因？點蝕一般首先出現(xiàn)在節(jié)線附近靠近齒根處原因？a、節(jié)線處相對滑動速度低難于形成油膜；節(jié)線處相對滑動速度低難于形成油膜；b、節(jié)線處是單對齒嚙合；節(jié)線處是單對齒嚙合；齒面膠合：齒面膠合：高速重載傳動中，齒面間壓力大，瞬時溫度高，潤滑油模被破壞，齒面間會發(fā)生粘接在一起的現(xiàn)象，在輪齒表面沿滑動方向出現(xiàn)條狀傷痕，稱為膠合。防止膠合的措施：防止膠合的措施：提高齒面硬度；降低齒面粗糙度；增大潤滑油粘度；限

12、制油溫。(a) 示意圖 (b) 實物 圖 齒面膠合 塑性變形：塑性變形：重載且摩擦力很大時，齒面較軟的輪齒表面就會沿摩擦力方向產(chǎn)生塑性變形。措施：措施：提高齒面硬度；增大潤滑油粘度。主動齒輪齒面所受摩擦力背離節(jié)線，齒面在節(jié)線附近下凹；從動齒輪齒面所受摩擦力指向節(jié)線，齒面在節(jié)線附近上凸。5.5.齒面塑性流動齒面塑性流動齒面較軟時，重載下，齒面摩擦力過大齒面較軟時，重載下，齒面摩擦力過大 材料塑性流動（流動方向沿摩擦力方向）材料塑性流動（流動方向沿摩擦力方向）該失效主要出現(xiàn)在低速重載、頻繁啟動和過載場合。該失效主要出現(xiàn)在低速重載、頻繁啟動和過載場合。被動相對滑動方向主動滾壓塑變滾壓塑變錘擊塑變錘擊

13、塑變齒面塑性變形1 1）提高齒面硬度）提高齒面硬度2 2）采用高粘度的潤滑油或加）采用高粘度的潤滑油或加極壓添加劑極壓添加劑改善措施：改善措施：齒輪破壞實例一：齒輪破壞實例一： 東方紅東方紅3333號輪上的齒輪減速器，齒輪為軟齒面。其齒面既有號輪上的齒輪減速器，齒輪為軟齒面。其齒面既有點蝕破壞，又有齒輪折斷，說明齒輪的破壞不是單獨的一種，有點蝕破壞，又有齒輪折斷，說明齒輪的破壞不是單獨的一種，有時有幾種破壞同時存在。又如車輛廠用的起重機旋轉(zhuǎn)機構(gòu)中的齒時有幾種破壞同時存在。又如車輛廠用的起重機旋轉(zhuǎn)機構(gòu)中的齒輪有膠合和塑性變形同時存在。輪有膠合和塑性變形同時存在。齒輪破壞實例二：齒輪破壞實例二：

14、沙市裝卸公司，沙市裝卸公司，19761976年設計年設計5t5t浮吊，旋轉(zhuǎn)大齒輪失效。第一浮吊，旋轉(zhuǎn)大齒輪失效。第一次輪齒斷裂，原因是輪齒材料內(nèi)有空氣泡。第二次由于齒輪橢圓次輪齒斷裂，原因是輪齒材料內(nèi)有空氣泡。第二次由于齒輪橢圓度太大，造成整個輪齒斷裂。度太大，造成整個輪齒斷裂。齒輪破壞實例三：齒輪破壞實例三： 開式齒輪一般在塵砂較大的場合工作，通常主要開式齒輪一般在塵砂較大的場合工作，通常主要是磨損，而不會出現(xiàn)點蝕，因為當產(chǎn)生裂紋時，早有是磨損，而不會出現(xiàn)點蝕，因為當產(chǎn)生裂紋時，早有磨粒將裂紋磨掉，如水泥機械中的開式傳動。但是像磨粒將裂紋磨掉，如水泥機械中的開式傳動。但是像武漢標準件廠制造螺

15、栓的開式齒輪傳動，它是安放在武漢標準件廠制造螺栓的開式齒輪傳動，它是安放在廠房里的，也有油潤滑，在這種齒輪上，仍然出現(xiàn)點廠房里的，也有油潤滑，在這種齒輪上，仍然出現(xiàn)點蝕破壞，而不磨損。這是因為磨損較少，點蝕破壞仍蝕破壞，而不磨損。這是因為磨損較少，點蝕破壞仍然是主要的。然是主要的。2.2.設計準則設計準則 對于閉式齒輪傳動閉式齒輪傳動：1）軟齒面（350HBS）齒輪主要失效形式是齒面點蝕，故可按齒面接觸疲勞強度進行設計計算，按齒根彎曲疲勞強度校核。2）硬齒面（350HBS）或鑄鐵齒輪，由于抗點蝕能力較高，輪齒折斷的可能性較大，故可按齒根彎曲疲勞強度進行設計計算，按齒面接觸疲勞強度校核。 對于開

16、式齒輪傳動開式齒輪傳動中的齒輪，齒面磨損為其主要失效形式，故通常按照齒根彎曲疲勞強度進行設計計算，確定齒輪的模數(shù)，考慮磨損因素，再將模數(shù)增大10%20%，而無需校核接觸強度。二、設計準則：二、設計準則：閉式閉式傳動傳動軟齒面軟齒面 按齒面按齒面接觸接觸疲勞強度疲勞強度設計設計按輪齒按輪齒彎曲彎曲疲勞強度疲勞強度校核校核硬齒面硬齒面分別按輪齒分別按輪齒彎曲彎曲疲勞強度疲勞強度和齒面和齒面接觸接觸疲勞強度疲勞強度設計，設計，取兩者中的較大模數(shù)取兩者中的較大模數(shù)開式（半開）開式（半開）傳動傳動按輪齒按輪齒彎曲彎曲疲勞強度條件疲勞強度條件性性設計，加大模數(shù)設計，加大模數(shù)1015%工作條件工作條件設計方

17、法設計方法設計準則設計準則主要失效主要失效點蝕點蝕斷齒、點蝕斷齒、點蝕保證齒面有足夠的保證齒面有足夠的接觸接觸疲勞強度疲勞強度保證齒面有足夠的保證齒面有足夠的接觸接觸疲勞強度和輪齒有足夠疲勞強度和輪齒有足夠的的彎曲彎曲疲勞強度疲勞強度磨損磨損斷齒斷齒保證齒面有足夠的抗磨保證齒面有足夠的抗磨損能力和輪齒有足夠的損能力和輪齒有足夠的彎曲彎曲疲勞強度疲勞強度高速、重載高速、重載膠合膠合保證齒面有足夠的抗膠保證齒面有足夠的抗膠合能力合能力進行進行抗膠合能力計算抗膠合能力計算或進或進行行熱平衡計算熱平衡計算選 擇 齒 輪 材 料 的 基 本 要 求 ：選 擇 齒 輪 材 料 的 基 本 要 求 ：齒面要

18、硬，齒芯要韌。 5.105.10齒齒輪的常用材料輪的常用材料 及許用應力及許用應力 由輪齒的失效分析可知，齒輪材料的基本要求 ：齒面硬、齒芯韌齒面硬、齒芯韌(1)齒面應有足夠的硬度，以抵抗齒面磨損、點蝕、膠合以及塑性變形等；(2)齒芯應有足夠的強度和較好的韌性，以抵抗齒根折斷和沖擊載荷：(3)應有良好的加工工藝性能及熱處理性能使之便于加工且便于提高其力學性能。 最常用的齒輪材料是鋼此外還有鑄鐵及一些非金屬材料等。1.1.齒輪材料的基本要求齒輪材料的基本要求 調(diào)質(zhì)鋼 45、 鍛鋼 滲碳鋼 40Cr、 鋼 氮化鋼 20CrMnTi 金屬 鑄鋼 ZG310-570 鑄鐵 HT250、QT500-5

19、非金屬：夾布塑膠 尼龍1鍛鋼鍛鋼鍛鋼因具有強度高、韌性好、便于制造、便于熱處理等優(yōu)點，大多數(shù)齒輪都用鍛鋼制造。 (1)軟齒面齒輪：齒面硬度350HBS，常用中碳鋼和中碳合金鋼，如45鋼40Cr，35SiMn等材料，進行調(diào)質(zhì)或正火處理。這種齒輪適用于強度。精度要求不高的場合，輪坯經(jīng)過熱處理后進行插齒或 滾齒加工，生產(chǎn)便利、成本較低。 2.齒輪的常用材料齒輪的常用材料 及熱處理及熱處理 這是因為小齒輪受載荷次數(shù)比大齒輪多，且小齒輪齒根較薄為使兩齒輪的輪齒接近等強度，小齒輪的齒面要比大齒輪的齒面硬一些。 相嚙合的兩齒輪比較而言，硬度如何？ 在確定大小齒輪硬度時應注意使小齒輪的齒面硬度比大齒輪的齒面硬

20、度高3050HBS 齒輪常用材料及許用應力 一、常用的齒輪材料選擇齒輪材料的基本要求：選擇齒輪材料的基本要求：齒面要硬，齒芯要韌。 1. 1.鋼鋼 使用廣泛，可通過熱處理改善機械性能。適合于高速、重載及精密機械（如精密機床、航空發(fā)動機等）。（1）鍛鋼：軟齒面齒輪（HBS350） 硬齒面齒輪（HBS350）（2）鑄鋼：用于尺寸較大的齒輪，需正火、退火以消除鑄造應力， 強度稍低。 2. 2.鑄鐵鑄鐵 韌性塑性較差、機械強度、抗沖擊和耐磨性較差，但抗膠合和點蝕能力較強。用于工作平穩(wěn)、低速和小功率場合。 3. 3.非金屬材料非金屬材料 適于高速、輕載和精度不高的傳動。噪音較低，無需潤滑。 齒輪常用材料

21、及許用應力二、齒輪材料的選擇原則須根據(jù)不同的工作條件選用不同的齒輪材料；應考慮齒輪尺寸大小、毛坯成型方式及熱處理和制造工藝；正火碳鋼用于載荷平穩(wěn)或輕度沖擊下工作的齒輪；調(diào)質(zhì)鋼用于中等沖擊載荷下工作的齒輪。合金鋼用于高速、重載及在沖擊載荷下工作的齒輪。配對齒輪的齒面硬度配合配對齒輪的齒面硬度配合軟齒面軟齒面； 軟齒面硬齒面； 硬齒面硬齒面。 2鑄鋼鑄鋼 當齒輪的尺寸較大(大于400一600mm)而不便于鍛造時可用鑄造方法制成鑄鋼齒坯，再進行正火處理以細化晶粒。 3鑄鐵鑄鐵 低速、輕載場合的齒輪可以制成鑄鐵齒坯。當尺寸大于500mmm時可制咸大齒圈，或制成輪輻式齒輪。(2)硬齒面齒輪 硬齒面齒輪的齒面硬度大于350HBS，常用的材料為中碳鋼或中碳合金鋼經(jīng)表面淬火處理。齒輪材料選擇實例一：齒輪材料選擇實例一： 選材料時要盡量不用合金鋼，有些合金元素還要進口，例如選材料時要盡量不用合金鋼，有些合金元素還要進口，例如過去鎳過去鎳(Ni)(Ni)要進口，我們就要用三噸對蝦去換要進口，我們就要用三噸對蝦