機(jī)械零部件設(shè)計(jì) 第2版 課件 學(xué)習(xí)情境四 任務(wù)4.2設(shè)計(jì)直齒圓柱齒輪

《機(jī)械零部件設(shè)計(jì)》

情境四

設(shè)計(jì)齒輪泵

1、了解齒輪泵的類型、結(jié)構(gòu)及工作原理；2、掌握標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪的基本尺寸計(jì)算和輪齒受力分析；3、掌握直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法；4、了解軸的類型、功用和常用材料；5、掌握軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求和強(qiáng)度計(jì)算方法；6、根據(jù)已知條件自行設(shè)計(jì)齒輪泵，能正確繪制出齒輪泵的裝配圖和零件圖，進(jìn)一步熟悉設(shè)計(jì)計(jì)算說明書的編寫方法。學(xué)習(xí)目標(biāo)任務(wù)一齒輪泵的結(jié)構(gòu)分析任務(wù)二直齒圓柱齒輪的設(shè)計(jì)任務(wù)三軸的設(shè)計(jì)任務(wù)四齒輪泵的設(shè)計(jì)計(jì)算工作任務(wù)任務(wù)二直齒圓柱齒輪的設(shè)計(jì)工作任務(wù)1、了解齒輪傳動(dòng)的類型、特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合；2、掌握齒輪傳動(dòng)的基本參數(shù)及幾何尺寸計(jì)算；3、掌握齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)方法及步驟。學(xué)習(xí)目標(biāo)1．直齒圓柱齒輪的形成；2．直齒圓柱齒輪主要參數(shù)的選擇及幾何尺寸的計(jì)算；3．直齒圓柱齒輪的材料選擇；4．直齒圓柱齒輪的強(qiáng)度計(jì)算；5．直齒圓柱齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

主要內(nèi)容1.齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)：

齒輪傳動(dòng)與其它傳動(dòng)相比主要有以下優(yōu)點(diǎn)：傳遞動(dòng)力大、效率高；壽命長(zhǎng)，工作平穩(wěn)，可靠性高；能保證恒定的傳動(dòng)比，能傳遞任意夾角兩軸間的運(yùn)動(dòng)。

齒輪傳動(dòng)與其它傳動(dòng)相比主要缺點(diǎn)有：制造、安裝精度要求較高，因而成本也較高；不宜作遠(yuǎn)距離傳動(dòng)。

一、齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)及分類2.齒輪傳動(dòng)的類型一、齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)及分類平面齒輪傳動(dòng)(圓柱齒輪傳動(dòng))傳遞平行軸間的運(yùn)動(dòng)空間齒輪傳動(dòng)傳遞相交軸或交錯(cuò)軸間的運(yùn)動(dòng)齒輪傳動(dòng)直齒圓柱齒輪傳動(dòng)(輪齒與軸平行)斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)(輪齒與軸不平行)

人字齒圓柱齒輪傳動(dòng)直齒圓錐齒輪傳動(dòng)斜齒圓錐齒輪傳動(dòng)曲齒圓錐齒輪傳動(dòng)交錯(cuò)軸斜齒輪傳動(dòng)蝸輪蝸桿傳動(dòng)（1）根據(jù)兩齒輪軸線的相互位置分

一、齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)及分類2.齒輪傳動(dòng)的類型（2）根據(jù)兩齒輪嚙合方式分為：

外嚙合齒輪機(jī)構(gòu)、內(nèi)嚙合齒輪機(jī)構(gòu)、齒輪齒條機(jī)構(gòu)。（3）根據(jù)齒輪齒廓曲線的形狀分為：

漸開線齒輪機(jī)構(gòu)、擺線齒輪機(jī)構(gòu)、圓弧齒輪機(jī)構(gòu)。（4）根據(jù)工作條件分為：

閉式傳動(dòng)、開式傳動(dòng)。（5）按齒面硬度分（失效形式不同）軟齒面：HB≤350；硬齒面：HB＞350。一、齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)及分類1.漸開線的形成二、漸開線的形成及特點(diǎn)AK漸開線B發(fā)生線漸開線Ak的展角O基圓rb

當(dāng)一直線n-n沿一圓周作純滾動(dòng)時(shí)，直線上任意一點(diǎn)K的軌跡AK稱為該圓的漸開線。這個(gè)圓稱為漸開線的基圓，其半徑用rb表示，直線n-n稱為漸開線的發(fā)生線。漸開線上任一點(diǎn)K的向徑rK與起始點(diǎn)A的向徑間的夾角θK稱為漸開線在K點(diǎn)的展角。漸開線齒輪輪齒兩側(cè)的齒廓就是由兩段對(duì)稱的漸開線構(gòu)成。2.漸開線的特點(diǎn)二、漸開線的形成及特點(diǎn)（5）基圓內(nèi)無漸開線（6）K點(diǎn)壓力角（1）（2）漸開線上任一點(diǎn)的法線與基

圓相切（3）漸開線離基圓愈遠(yuǎn)，曲率半徑愈大，漸開線愈平直（4）漸開線的形狀決定于基圓的大小

三、直齒圓柱齒輪的基本參數(shù)及幾何尺寸的計(jì)算1.外齒輪各部分名稱及符號(hào)：

齒輪圓周上輪齒的數(shù)目稱為齒數(shù),用z表示。

三、直齒圓柱齒輪的基本參數(shù)及幾何尺寸的計(jì)算2.主要參數(shù)（1）齒數(shù)z：齒輪圓周上均勻分布的輪齒總數(shù)。（2）模數(shù)m

因?yàn)榉侄葓A的周長(zhǎng)πd=zp，則分度圓的直徑為：

式中π是一個(gè)無理數(shù)，使計(jì)算和測(cè)量不方便，因此工程上把比值p/π規(guī)定為整數(shù)或較完整的有理數(shù)，這個(gè)比值稱為模數(shù)，用m表示，即

三、直齒圓柱齒輪的基本參數(shù)及幾何尺寸的計(jì)算2.主要參數(shù)

所以d=mz

模數(shù)是齒輪計(jì)算中的重要參數(shù)，其單位為mm。顯然，齒數(shù)相同時(shí)，模數(shù)越大，輪齒的尺寸也越大，輪齒承受載荷的能力也越大。國家標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)系列2.主要參數(shù)（3）壓力角

如右圖所示，在漸開線上不同點(diǎn)K1、K2、K的壓力角各不相同，接近基圓的漸開線上壓力角小，遠(yuǎn)離基圓的漸開線上壓力角大。為了便于設(shè)計(jì)、制造和維修，規(guī)定分度圓上的壓力角α為標(biāo)準(zhǔn)值，我國規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)壓力角α=20°。分度圓的壓力角α的計(jì)算公式為：漸開線齒廓上的壓力角

三、直齒圓柱齒輪的基本參數(shù)及幾何尺寸的計(jì)算2.主要參數(shù)（4）齒頂高系數(shù)h*a和頂隙系數(shù)c*

標(biāo)準(zhǔn)齒輪的尺寸與模數(shù)成正比，即

ha=ha*m，c=c*m

hf=ha+c=(ha*+c*)mh=ha+hf=(2ha*+c*)m式中，ha*——齒頂高系數(shù)，c*——頂隙系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：正常齒制：ha*=1；c*=0.25

短齒制：h*a=0.8；c*=0.3。

三、直齒圓柱齒輪的基本參數(shù)及幾何尺寸的計(jì)算3.標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪幾何尺寸的計(jì)算公式當(dāng)齒輪的模數(shù)m、壓力角α、齒頂高系數(shù)ha*和頂隙系數(shù)c*均為標(biāo)準(zhǔn)值，且分度圓處的齒厚與齒槽寬相等，即s=e時(shí)，稱其為標(biāo)準(zhǔn)齒輪。標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪的主要幾何尺寸計(jì)算公式見表4-3。三、直齒圓柱齒輪的基本參數(shù)及幾何尺寸的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪的主要幾何尺寸計(jì)算公式

一正常齒制標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪，因輪齒損壞需要更換，現(xiàn)測(cè)得齒頂圓直徑為71.95mm，齒數(shù)為22，試求該齒輪的主要尺寸?！揪毩?xí)1】（1）

傳動(dòng)比：

即兩齒輪的轉(zhuǎn)速之比等于齒數(shù)的反比。

（2）正確嚙合條件

一對(duì)漸開線標(biāo)準(zhǔn)齒輪要正確嚙合，必須滿足一定的條件：四、漸開線齒輪的傳動(dòng)特點(diǎn)

一標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪傳動(dòng)，已知z1=20，z2=40，m=8mm。求d1，d2，da1，da2，df1，df2，a。練習(xí)題

齒輪輪齒的加工方法很多，除沖壓、軋制、鑄齒等方法外，通常用切削加工的方法制成。就其加工原理來說，可分兩大類：仿形法和范成法。

1、仿形法（又叫成形法）

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。加工直齒時(shí)，銑刀繞本身軸線旋轉(zhuǎn)，同時(shí)，齒坯沿齒輪軸線方向移動(dòng)。銑完一個(gè)齒槽后，分度頭將齒坯轉(zhuǎn)過360°/z，再銑下一個(gè)齒槽，直到銑出所有的齒槽。五、漸開線齒輪的加工2、范成法(又叫展成法)

范成法是利用一對(duì)齒輪無側(cè)隙嚙合時(shí)兩輪的齒廓互為包絡(luò)線的原理來加工齒輪的，常見的有插齒、滾齒和磨齒等。

（1）齒輪插刀的插齒原理

齒輪插刀是一個(gè)具有漸開線齒形且模數(shù)和壓力角與被加工齒輪相同的刀具。切齒時(shí)，插刀沿輪坯軸線做往復(fù)切削運(yùn)動(dòng)，同時(shí)機(jī)床帶動(dòng)插刀與輪坯模仿一對(duì)齒輪傳動(dòng)那樣以一定的角速度比轉(zhuǎn)動(dòng)，直至全部齒槽切削完畢。五、漸開線齒輪的加工（2）齒條插刀的插齒原理如下圖所示為齒條插刀加工齒輪，其原理與用齒輪插刀切齒相同。由于齒條插刀與輪坯的范成運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于齒條與齒輪的嚙合運(yùn)動(dòng)，其速度

刀與輪坯角速度

的關(guān)系應(yīng)為：五、漸開線齒輪的加工=齒條插刀切齒原理圖（3）滾齒原理

如下圖所示，滾刀的形狀像一個(gè)螺旋，其軸向截面的齒形與齒條相同。滾刀轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，相當(dāng)于一假想齒條刀具連續(xù)沿其軸線移動(dòng)，輪坯在滾齒機(jī)帶動(dòng)下與該齒條保持著與齒條插刀相同的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。這樣，便可以連續(xù)地切出漸開線齒廓。五、漸開線齒輪的加工滾直齒輪滾斜齒輪六、齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)

1、齒輪的失效形式和常用材料（1）齒輪傳動(dòng)的失效形式

齒輪傳動(dòng)的失效，主要是輪齒的失效。在傳動(dòng)過程中，如果輪齒發(fā)生折斷、齒面損壞等現(xiàn)象，則齒輪就失去了正常的工作能力，稱為失效。常見的輪齒失效形式有以下幾種：1）輪齒折斷2）齒面點(diǎn)蝕3）齒面磨損4）齒面膠合5）塑性變形

（2）齒輪傳動(dòng)的常用材料

齒輪材料的基本要求：齒輪的齒體應(yīng)有較高的抗折斷能力，齒面應(yīng)有較強(qiáng)的抗點(diǎn)蝕、抗磨損和較高的抗膠合能力，即要求：齒面硬、芯部韌、加工工藝性能及熱處理性能良好。六、齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)

類別材料牌號(hào)熱處理方法抗拉強(qiáng)度屈服點(diǎn)硬

度（HBS或HRC）優(yōu)質(zhì)碳素鋼35正火500270150～180HBS調(diào)質(zhì)550294190～230HBS45正火588294169～217HBS調(diào)質(zhì)647373229～286HBS表面淬火40～50HRC50正火628373180～220HBS常用齒輪材料及其力學(xué)性能（2）齒輪傳動(dòng)的常用材料六、齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)

類別材料牌號(hào)熱處理方法抗拉強(qiáng)度屈服點(diǎn)硬度（HBS或HRC）鑄鋼ZG45正火580320156～217HBSZG55650350169～220HBS灰鑄鐵HT300300185～278HBSHT350350202～304HBS球墨鑄鐵QT600-3600370190～270HBSQT700-2700420225～305HBS非金屬夾布膠木10025～35HBS常用齒輪材料及其力學(xué)性能2、標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪的強(qiáng)度計(jì)算（1）輪齒的受力分析六、齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)

以節(jié)點(diǎn)P處的嚙合力為分析對(duì)象，并不計(jì)嚙合輪齒間的摩擦力，可得：Ft-主反從同F(xiàn)r-指向軸線2、標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪的強(qiáng)度計(jì)算（2）輪齒的計(jì)算載荷六、齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)

齒輪傳動(dòng)在實(shí)際工作時(shí)，由于原動(dòng)機(jī)和工作機(jī)的工作特性不同，會(huì)產(chǎn)生附加載荷。齒輪、軸、軸承的加工、安裝誤差及彈性變形會(huì)引起載荷集中，也會(huì)使實(shí)際載荷增加。計(jì)算載荷用符號(hào)Fnc表示，計(jì)算公式為：

Fnc=

KFn

注：K載荷系數(shù)，查表4-62、標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪的強(qiáng)度計(jì)算（3）齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算六、齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)

上述式中：K─載荷系數(shù)；u─齒數(shù)比，u=z2/z1；Ψd

─齒寬系數(shù)注意：兩齒輪的許用接觸應(yīng)力[σH]1與[σH]2一般是不同的，進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)應(yīng)選用較小值。齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核公式：齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式：2、標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪的強(qiáng)度計(jì)算（4）齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算六、齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)

齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的校核公式：齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式：上述公式中：Ψd

─齒寬系數(shù)；YFS─復(fù)合齒形系數(shù)注意：用上述設(shè)計(jì)公式計(jì)算時(shí)，應(yīng)將兩齒輪的值較大的代入。六、齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)

2、標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪的強(qiáng)度計(jì)算（5）許用應(yīng)力：由齒輪的材料及熱處理后的硬度來決定的。接觸疲勞許用應(yīng)力：

六、齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)

2、標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪的強(qiáng)度計(jì)算（5）許用應(yīng)力：由齒輪的材料及熱處理后的硬度來決定的。接觸疲勞許用應(yīng)力：

SH查表4-10，ZN查下圖。六、齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)

2、標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪的強(qiáng)度計(jì)算（5）許用應(yīng)力：由齒輪的材料及熱處理后的硬度來決定的。彎曲疲勞許用應(yīng)力：六、齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)

2、標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪的強(qiáng)度計(jì)算（5）許用應(yīng)力：由齒輪的材料及熱處理后的硬度來決定的。彎曲疲勞許用應(yīng)力：SF查表4-10，YN查下圖。（6）設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

對(duì)一般工況下的齒輪傳動(dòng)，其設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是：

（1）保證足夠的齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，以免發(fā)生齒根折斷。

（2）保證足夠的齒面接觸疲勞強(qiáng)度，以免發(fā)生齒面點(diǎn)蝕。

對(duì)高速重載齒輪傳動(dòng)，除以上兩設(shè)計(jì)準(zhǔn)則外