齿轮传动
㈠基本内容：
1. 齿轮传动的类型及特点；
2.齿轮传动的主要参数；
3.齿轮传动的主要失效形式；
4.齿轮材料及其热处理；
5.圆柱齿轮传动的几何计算；
6.圆柱齿轮传动的载荷计算；
7.直齿圆柱齿轮传动的强度计算；
8.斜齿圆柱齿轮传动的强度计算；
9.直齿锥齿轮传动；
10.齿轮传动的效率和润滑；
11.齿轮结构.
㈡重点与难点：
1重点：齿轮传动的主要失效形式和计算准则；齿轮传动的载荷计算及各类齿轮传动的受力分析；直齿圆柱齿轮传动的设计原理及强度计算.
2难点：针对不同条件恰当地确定设计准则和选用相应的设计数据.
㈢基本要求：
1熟悉齿轮传动的特点及应用；
2掌握不同条件下齿轮传动的失效形式、设计准则；
3掌握齿轮常用材料及热处理方法的选择；
4掌握齿轮传动的基本设计原理、设计程序、强度计算方法；重点应掌握圆柱齿轮传动的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度计算的理论依据、力学模型、计算公式及公式中各参数的物理意义和公式的运用；
5掌握齿轮的结构设计；
6了解圆柱齿轮和圆锥齿轮强度计算公式的推导；
7齿轮传动的精度等级和润滑设计.
12．l 概述
齿轮传动的适用范围很广，传递功率可高达数万千瓦，圆周速度可达150m／s(最高300 m／s)，直径能做到10m以上，单级传动比可达8或更大，因此在机器中应用很广。12．1．1 优缺点
和其他机械传动比较，齿轮传动的主要优点是：工作可靠，使用寿命长；瞬时传动比为常数；传动效率高；结构紧凑；功率和速度适用范围很广等。缺点是：齿轮制造需专用机床和设备，成本较高；精度低时，振动和噪声较大；不宜用于轴间距离大的传动等。
12．1．2 分类
齿轮传动分类
按轴的布置方式分：平行轴传动，交叉轴传动，交错轴传动
按齿线相对于齿轮母线方向分：直齿，斜齿，人宇齿，曲线齿
按齿轮传动工作条件分：闭式传动，形式传动，半形式传动
按齿廓曲线分：渐开线齿，摆线齿，圆弧齿
按齿面硬度分：软齿面(≤350佃)，硬齿面(>350佃)
12. 1．3 基本要求
齿轮传动应满足两项基本要求:1)传动平稳;2)承载能力高。
在齿轮设计、生产和科研中，有关齿廓曲线、齿轮强度、制造精度、加工方法以及热理工艺等，基本上都是围绕这两个基本要求进行的。
12．2 齿轮传动的主要参数
12，2．1 主要参数
——基本齿廓。渐开线齿轮轮齿的基本齿廓及其基本参数见表12．2或查阅机械设计手册。
——模数。为了减少齿轮刀具种数，规定的标准模数见表12．3或查阅机械设计手册。——中心距。荐用的中心距系列见表12，4或查阅机械设计手册。
——传动比i、齿数比u。主动轮转速nl与从动轮转速n2之比称为传动比i。大齿轮的齿数z2与小齿轮齿数z1之比称为齿数比u。
减速传动时，u=i；增速传动u=1/i 。
——标准模数m：
①斜齿轮及人宇齿轮取法向模数为标准模数，锥齿轮取大端模数为标准模数。
②标准中优先采用第一系列，括号内的模数尽可能不用。
——变位系数。刀具从切制标准齿轮的位置移动某一径向距离(通称变位量)后切制的齿轮，
称为径向变位系数。刀具变位量用xm表示，x称为变位系数。刀具向齿轮中心移动，x为负值，反之为正值。随着x的改变，轮齿形状也改变，因而可使渐开线上的不同部分作为工作齿廓，以改善啮合性质。，
由变位齿轮所组成的齿轮传动，若两轮变位系数的绝对值相等，但一为正值，另一为负值，即x1=-x2称为“高度变位”，此时，传动的啮合角等于分度圆压力角，分度圆和节圆重合，中心距等于标准齿轮传动中心距，只是齿顶高和齿根高有所变化。
若x1=-x2；x1+x2≠0，这种齿轮传动称为角度变位齿轮传动。此时，啮合角将不等于分度圆压力角，分度圆和节圆不再重合。
12．2，2 精度等级的选择
在渐开线圆柱齿轮和锥齿轮精度标准(GBl0095—-88和GBll365—89)中，规定了12个精度等级，按精度高低依次为1—12级，根据对运动准确性、传动平稳性和载荷分布均匀性的要求不同，每个精度等级的各项公差相应分成三个组：第工公差组、第Ⅱ公差组和第Ⅲ公差组。
12．3 齿轮传动的失效形式
齿轮传动的失效形式主要有轮齿折断和齿面损伤两类。齿面损伤又有齿面接触疲劳磨
损(点蚀)、胶合、磨粒磨损和塑性流动等。
12．3．1 轮齿折断
折断一般发生在齿根部位。折断有两种：一种是由多次重复的弯曲应力和应力集中造成的疲劳折断；另一种是因短时过载或冲击载荷而产生的过载折断。两种折断均起始于轮齿受拉应力一侧。齿宽较小的直齿圆柱齿轮，齿根裂纹一般是从齿根沿着横向扩展，发生全齿折断。齿宽较大的直齿圆柱齿轮常因载荷集中在齿的一端，斜齿圆柱齿轮和人字齿轮常因接触线是倾斜的，载荷有时会作用在一端齿顶上，故裂纹往往是从齿根斜向齿顶的方向扩展，发生轮齿局部折断。
增大齿根过渡曲线半径、降低表面粗糙度值、减轻加工损伤(如磨削烧伤、滚切拉伤)、采用表面强化处理(如喷丸、辗压)等，都有利于提高轮齿的抗疲劳折断能力。
12．3．2 齿面接触疲劳磨损(点蚀)
点烛是润滑良好的闭式传动常见的失效形式。由于齿面接触应力是交变的，应力经多次反复后，在节线附近靠近齿根部分的表面上，会产生若干小裂纹，封闭在裂纹中的润滑油，在压力作用下，产生楔挤作用而使裂纹扩大，最后导致表层小片状剥落而形成麻点。这种疲劳磨损现象，在齿轮传动中常称为“点蚀”。润滑油是接触疲劳磨损的媒介，实践证明：润滑油粘度愈低，愈易渗入裂纹，点蚀扩展愈快。点蚀将影响传动的平稳性并产生振动和噪声，甚至不能正常工作。新齿轮在短期工作后出现的点蚀痕迹，继续工作不再发展或反而消失的称为收敛性点蚀。收敛性点蚀只发生在软齿面(≤350HB)上，原因是轮齿初期工作时表面接触不够好，在个别凸起处有很大的接触应力，但当点蚀形成后，凸起逐渐变平，接触面积扩大，待接触应力降至小于极限值时，点蚀即停止发展。
随着工作时间的延长而继续扩展的点蚀称为扩展性点蚀。常在软齿面轮齿经跑合后，接触应力高于接触疲劳极限值时发生。严重的扩展性点蚀能使齿轮在很短时间内报废。硬齿面
(>350HB)轮齿不发生收敛性点蚀。原因是齿面出现小凹坑后，由于材料的脆性，凹坑边缘不易被辗平，而是继续碎裂成为大凹坑，直到齿面完全破坏为止。
在短时过载下，硬齿面齿轮可能出现齿面破碎，软齿面齿轮则可能出现齿面塑性变形。
开式传动没有点蚀现象，这是由于齿面磨粒磨损比疲劳磨损发展得快的缘故。
提高齿面接触疲劳强度，防止或减轻点蚀的主要措施有：1)提高齿面硬度和降低表面粗糙度值；2)在许可范围内采用大的变位系数和，以增大综合曲率半径；3)采用粘度较高的润滑油；4)减小动载荷等。
12．3．3 齿面胶合
胶合是比较严重的粘着磨损。高速重载传动因滑动速度高而产生的瞬时高温会使油膜破裂，造成齿面间的粘焊现象，粘焊处被撕脱后，轮齿表面沿滑动方向形成沟痕。低速重
载传动不易形成油膜，摩擦热虽不大，但也可能因重载而出现冷焊粘着。
防止或减轻齿面胶合的主要措施有：1)采用角度变位齿轮传动以降低啮合开始和终了时的滑动系数；2)减小模数和齿高以降低滑动速度；3)采用极压润滑油；4)选用抗胶合性能好的齿轮副材料；5)材料相同时，使大、小齿轮保持适当硬度差；6)提高齿面硬度和降低表面粗糙度值等。
12．3．4齿面磨粒磨损
当表面粗糙的硬齿与较软的轮齿相啮合时，由于相对滑动，软齿表面易被划伤而产生齿面磨粒磨损。外界硬屑落人啮合轮齿间也将产生磨粒磨损。磨损后，正确齿形遭到破坏，齿厚减薄，最后导致轮齿因强度不足而折断。
对于闭式传动，减轻或防止磨粒磨损的主要措施有：1)提高齿面硬度；2)降低表面粗糙度值；3)降低滑动系数；4)注意润滑油的清洁和定期更换等。
对于开式传动，应特别注意环境清洁，减少磨粒侵入。
12．3．5齿面塑性流动
齿面较软的轮齿，重载肘可能在摩擦力作用下产生齿面塑性流动，从而破坏正确齿形。由于在主动轮齿面的节线两侧，齿顶和齿根的摩擦力方向相背，因此在节线附近形成凹槽；从动轮则相反，由于摩擦力方向相对，因此在节线附近形成凸脊。这种损坏常在低速重载、频繁起动和过载传动中见到。适当提高齿面硬度，采用粘度较大的润滑油，可以减轻或防止齿面塑性流动。
12．3．6 计算准则
齿轮的计算准则由失效形式确定。
闭式传动的齿轮，主要失效形式是接触疲劳磨损、弯曲疲劳折断和胶合。目前，一般只进行接触疲劳强度和弯曲疲劳强度计算。当有短时过载时，还应进行静强度计算。对于高速大功率的齿轮传动，还应进行抗胶合计算。闭式传动常先按接触疲劳强度求出齿轮直径和齿宽，再校核其弯曲疲劳强度。齿面硬度很高的闭式传动，也可以按弯曲疲劳强度确
定齿轮模数，再校核其接触疲劳强度。
开式传动的齿轮，主要失效形式是弯曲疲劳折断和磨粒磨损，磨损尚无完善的计算方法，故目前只进行弯曲疲劳强度计算，用适当加大模数的办法以考虑磨粒磨损的影响。有短时过载的，仍应进行静强度计算。开式传动只需进行弯曲疲劳强度计算求取齿轮模数，为了补偿磨粒磨损，模数应增大10％一15％。
12．4 齿轮材料及其热处理
12．4．1齿轮材料
齿轮材料应具备下列条件：
1)齿面具有足够的硬度，以获得较高的抗点蚀、抗磨粒磨损、抗胶合和抗塑性流
动的能力；
2)在变载荷和冲击载荷下有足够的弯曲疲劳强度；
3)具有良好的加工和热处理工艺性；
4) 价格较低。
最常用的材料是钢。钢的品种很多，且可通过各种热处理方式获得适合工作要求的综合性能。其次是铸铁，还有非金属材料。
锻钢
硬齿面齿轮可用整体淬火、表面淬火、渗碳淬火、渗氮和碳氮共渗等方法得到。软齿面齿轮可由正火或调质得到，精切齿形可在热处理后进行。
软齿面齿轮制造工艺简便、经济，但齿面强度低。若改用硬齿面，则齿面接触强度大为提高，在相同条件下，传动尺寸要比软齿面的小得多。同时，也有利于提高抗磨粒磨损、抗胶合和抗塑性流动的能力。因此，采用合金钢、硬齿面齿轮是当前发展的趋势。采用硬齿面齿轮时，除应注意材料的力学性能外，还应适当减少齿数、增大模数，以保证轮齿具有足够的弯曲强度。
铸钢
直径较大的齿轮采用铸钢，其毛坯应进行正火处理以消除残余应力和硬度不均匀现象。常用的牌号为ZG270—500一ZG340—640，或低合金铸钢ZG40Mn、ZG40Cr。
铸铁
普通灰铸铁的铸造性能和切削性能好、价廉、抗点蚀和抗胶合能力强，但弯曲强度低、
冲击性差，常用于低速、无冲击和大尺寸的场合。铸铁中石墨有自润滑作用，尤其适用于开式传动。铸铁性脆，为避免载荷集中引起齿端折断，齿宽宜较窄。常用牌号有HT200一HT350。
球墨铸铁的力学性能和抗冲击性能远高于灰铸铁，可替代某些调质钢的大齿轮。常用牌号有QT500—7、QT600—3等。
非金属材料
高速、小功率和精度要求不高的齿轮传动，可采用夹布胶木、尼龙等非金属材料。非金属材料的弹性模量较小，可减轻因制造和安装不精确所引起的不利影响，传动时的噪声小。由于非金属材料的导热性差，与其啮合的配对齿轮仍应采用钢或铸铁制造，以利于散热。
12．4．2齿轮热处理
钢制齿轮常用的热处理方法主要有以下几种：
整体淬火
整体淬火后再低温回火。常用材料为中碳钢或中碳合金钢，如45、40Ct等。表面硬度可达45HRC一55HRC。这种热处理工艺较简单，但轮齿变形较大，心部韧度较低。质量不易保证，不适于承受冲击载荷。热处理后必须进行磨齿、研齿等精加工。
表面淬火
表面淬火后再低温回火。常用材料为中碳钢或中碳合金钢。表面硬度可达48HRC—
HRC。由于心部韧度高，能用于承受中等冲击载荷。中、小尺寸齿轮可采用中频或高频感应热，大尺寸齿轮可采用火焰加热。火焰加热比较简单，但齿面难于获得均匀的硬度，质量不易保证。因只在薄层表面加热，轮齿变形不大，可不最后磨齿，但若硬化层较深，则变形较大，应进行最后精加工。
渗碳淬火
冲击载荷较大的齿轮，宜采用渗碳淬火。常用材料有：低碳钢或低碳合金钢，如15、20、15Cr、20Cr、20CrMnTi等。低碳钢渗碳淬火后，因其心部强度较低，且与渗碳层不易很好结合，载荷较大时有剥离的可能，轮齿的弯曲强度也较低，重要场合宜采用低碳合金钢，其齿面硬度可达58HRC一63HRC。齿轮经渗碳淬火后，轮齿变形较大，应进行磨齿。
渗氮
渗氮齿轮硬度高、变形小，适用于内齿轮和难于磨削的齿轮。常用材料有：42CrMo、38CrMoM等。由于硬化层很薄，在冲击载荷下易破碎，磨损较严重时也会因硬化层被磨掉而报废，故宜用于载荷平稳、润滑良好的传动。
碳氮共渗
碳氮共渗工艺时间短，且有渗氮的优点，可以代替渗碳淬火，其材料和渗碳淬火的相同。
正火和调质
批量小、单件生产、对传动尺寸没有严格限制时，常采用正火或调质处理。材料为中碳钢或中碳合金钢。轮齿精加工在热处理后进行。为了减少胶合危险，并使大、小齿轮寿命相近，小齿轮齿面硬度应比大齿轮高数十个HB单位。
12．5圆柱齿轮传动（外啮合）的几何计算（略）
12．6圆柱齿轮传动的载荷计算
12．6．1直齿圆柱齿轮传动的受力分析
根据作用力与反作用力的关系，作用在主动轮和从动轮上各对应力大小相等、方向相反。从动轮上的圆周力是驱动力，其方向与回转方向相同；主动轮上的圆周力是阻力，其方向与回转方向相反；径向力分别指向各轮轮心(内齿轮为远离轮心方向)。
12．6．2 斜齿圆柱齿轮传动的受力分析
在切于两基圆柱的啮合平面内，法向力Fn可分解为三个相互垂直的分力：圆周力F t；径向力F r；轴向力F a。
圆周力F t和径向力F r方向的判断与直齿圆柱齿轮传动相同。轴向力F a的方向决定于主动轮轮齿螺旋线方向和齿轮回转方向，可用“左（右）手法则”判断：根据主动轮的轮齿螺旋线方向，左旋用左手，右旋用右手，握住主动轮的轴线，除拇指外其余四指代表旋转方向，拇指的指向即主动轮轴向力的方向。从动轮轴向力方向与其方向相反，大小相等。
12．6．3计算载荷
根据名义转矩求得的圆周力称为名义圆周力。实际圆周力要比名义圆周力大。为此，用各种系数对名义圆周力进行修正以考虑各种因素的影响，故实际圆周力为
K= K A K v KαKβ
式中K——载荷系数；K A——使用系数；K v——动载系数；Kα——齿间载荷分配系数，Kβ——齿向载荷分布系数。
计算载荷=载荷系数×名义载荷，即：F c =K×F
12．7 直齿圆柱齿轮传动的强度计算
12．7．1齿面接触疲劳强度计算（公式和参数查手册）
重要概念：影响齿轮齿面接触疲劳强度的主要几何参数是齿轮的分度圆直径（或中心距）。
12．7．2 齿根弯曲疲劳强度计算（公式和参数查手册）
重要概念：影响齿轮齿根弯曲疲劳强度的主要几何参数是齿轮的模数。
12．8 斜齿圆柱齿轮传动的强度计算
12．8．1 齿面接触疲劳强度计算（公式和参数查手册）
1．计算公式
斜齿圆柱齿轮传动齿面不产生疲劳点蚀的强度条件与直齿轮相同。推导计算公式的出发点和直齿圆柱齿轮相似，但有以下几点不同：1)斜齿圆柱齿轮的法向齿廓为渐开线，故齿廓啮合点的曲率半径应代以法向曲率半径；2)接触线总长度随啮合位置不同而变化，同时还受端面重合度和纵向重合度的共同影响；3)接触线倾斜有利于提高接触疲劳强度，用螺旋角系数考虑其影响。计人载荷系数、螺旋角系数后，得斜齿圆柱齿轮传动齿面接触疲劳强度的校核公式和设计公式。（公式和参数查手册）
12．8．2 齿根弯曲疲劳强度计算
斜齿圆柱齿轮传动的接触线是倾斜的，故轮齿往往是局部折断。齿根弯曲应力比较复杂，很难精确计算，通常按斜齿轮的法面当量直齿圆柱齿轮进行，分析的截面应为法向截面，模数应为法向模数。考虑接触线倾斜对弯曲强度的有利影响，再引入螺旋角系数，于是得斜齿圆柱齿轮齿根弯曲疲劳强度的校核公式。对于人字齿轮，和直齿圆柱齿轮传动相同的原因，在进行设计计算时，也无法直接应用式还需先按简化公式求出主要尺寸和参数，然后再作较精确的校核计算。（公式和参数查手册）
12．10 齿轮传动的效率和润滑
12．10．1齿轮传动的效率
齿轮传动的功率损失主要包括：1)啮合中的摩擦损失；2)润滑油被搅动的油阻损失；3)轴承中的摩擦损失。
闭式齿轮传动的效率
= 考虑齿轮啮合损失时的效率×考虑油阻损失时的效率×轴承的效率12．10．2 齿轮传动的润滑
齿轮传动的润滑方式主要取决于齿轮的圆周速度，详见第15章。润滑油的粘度一般也是根据齿轮的圆周速度选择的。课本和手册有关表列出了润滑油的荐用值，根据查得的粘度选定润滑油的牌号。
12．11 齿轮结构
齿轮结构型式主要由毛坯材料、几何尺寸、加工工艺、生产批量、经济等因素确定，各部分尺寸由经验公式求得；相关的经验公式可查机械设计手册或图册。
齿轮结构型式主要有：
龆轮轴：齿轮与轴做成一体；
实心轮：较小的齿轮；
辐板轮：中等尺寸的锻造齿轮或铸造齿轮；
轮辐式：材料为铸铁或铸钢的大尺寸齿轮。
数控机床主传动齿轮变速机构及工作原理 为简化数控机床齿轮变速机构，现以沈阳机床股份有限公司沈一车床厂的电磁离合器变速机构为例，说明其结构设计及工作原理。 标签：电磁离合器;变速机构;传动比;扭矩;装配与调整 现有数控机床的齿轮变速操纵机构基本有以下三种形式： （1）手动操纵机构。 （2）液压变速机构。 （3）电磁离合器变速机构。 其中第三种电磁离合器变速机构是属于我厂的发明专利，跟原始的手动操作机构和复杂的液压变速机构相比较，其结构简单、制造成本低、使用方便、灵活性好，具有很好的市场竞争力和广泛的应用前景。 1 电磁离合器变速机构的结构设计及工作原理 CAK6150主轴电磁离合器变速机构 上图为CAK6150主轴电磁离合器变速机构简易图，其基本结构是由： （1）螺母（2）螺杆（3）电磁离合器（4）主轴（5）平衡杆（6）拨叉（7、8）双联组合齿轮（9）花键轴等组成。 它的基本工作原理是当给数控系统输入代码换档指令，系统通过对输入指令的处理后，给变频器输出一个较小的模拟电压而带动主电机正转或者反转，主电机通过皮带轮把动力传给主轴（4），此时只要离合器（3）吸合，便可把主轴（4）的动力传给螺杆（2），螺杆（2）的正反转可以带动与其配合的螺母（1）来回移动，镶嵌在螺母（1）上的拨叉（6）就可以带动双联齿轮（7、8）在花键轴（9）上来回移动，双联齿轮与其它轴上的齿轮相啮合，形成不同的传动比，以达到主轴变档变速的目的，在主轴变速过程中，我们可以利用平衡杆（5）上装有的接近开关检测双联齿轮（7、8）是否到达我们所需要的正确位置，换挡完成后，双联齿轮和拨叉之间不能粘连在一起，应有一定的间隙，装配时需要满足工艺要求。 2 实现主轴电磁离合器变速（换挡）应具备的条件 （1）电磁离合器在吸合时其吸盘转矩需大于阻力矩（阻力矩是由螺杆与螺母和拨叉以及双联齿轮在花键移上移动时相加后力矩之和），否则主轴无法实现变速（变档），下面用扭矩与时间的关系来说明这一重要原理。
机床主传动系统设计 多轴箱是组合机床的重要专用部件。它是根据加工示意图所确定的工件加工孔的数量和位置、切削用量和主轴类型设计的传递各主轴运动的动力部件。其动力来自通用的动力箱，与动力箱一起安装于进给滑台，可完成钻扩铰镗孔等加工工序。 通用主轴箱采用标准主轴，借助导向套引导刀具来保证被加工孔的位置精度。 5.1大型主轴箱的组成 大型通用主轴箱由通用零件如箱体、主轴、传动轴、齿轮和附加机构等 组成。有箱体、前盖、后盖、上盖、侧盖等为箱体类零件；主轴、传动 轴、手柄轴、传动齿轮、动力箱或电动机齿轮等为传动类零件；叶片泵、 分油器、注油标、排油塞、油盘和防油套等为润滑及防油元件。 5.2多轴箱通用零件 1．通用箱体类零件箱体材料为HT200，前、后、侧盖等材料为HT150。 多轴箱的标准厚度为180mm，前盖厚度为55mm，后盖厚度为90mm。 2．通用主轴 1)滚锥轴承主轴 2)滚针轴承主轴 3)滚珠轴承主轴：前支承为推力球轴承、后支承为向心球轴承或圆锥滚子 轴承。因推力球轴承设置在前端，能承受单方向的轴向力，适用于钻孔 主轴。 3．通用传动轴 通用传动轴一般用45＃钢，调质T235；滚针轴承传动轴用20Cr钢， 热处理S0.5～C59。 4．通用齿轮和套 多轴箱用通用齿轮有：传动齿轮、动力箱齿轮和电机齿轮。 5.3通用多轴箱设计 1．多轴箱设计原始依据图
1) 多轴箱设计原始依据图 图5－1.原始依据图 2) 主轴外伸及切削用量 表5－1.主轴参数表 3) 被加工零件：箱体类零件，材料及硬度，HT200，HB20～400 2． 主轴、齿轮的确定及动力的计算 1) 主轴型式和直径、齿轮模数的确定 主轴的型式和直径，主要取决于工艺方法、刀具主轴联结结构、刀具的进给抗力和切削转矩。钻孔采用滚珠轴承主轴。主轴直径按加工示意图所示主轴类型及外伸尺寸可初步确定。传动轴的直径也可参考主轴直径大小初步选定。 齿轮模数m （单位为mm ）按下列公式估算： (30~m ≥=≈1.9（《组合机床设计简明手册》p62）
齿轮的装配技术 摘要：齿轮传动是各种机械中最常用的传动方式之一，可用来传递运动和动力，改变速度的大小或方向，还可把传动变为移动。齿轮传动在机床、汽车、拖拉机和其他机械中应用很广泛，其原因是具有以下特点：能保证一定的瞬时传动比，传动准确可靠，传递的功率和速度变化范围大，传动效率高，使用寿命长以及结构紧凑，体积小等，但也有一定缺点，如噪音大，传动不如带传动平稳，齿轮装配和制造要求高等。齿轮传动质量的好坏，与齿轮的制造和装配精度有着密切关系。研究齿轮的装配技术具有重要意义。 目录 一、引言 (2) 二、齿轮的种类 (2) （一）平行轴之齿轮 (2) （二）直交轴之齿轮 (2) （三）错交轴之齿轮 (2) 三、齿轮传动的基本要求 (2) （一）传递运动的准确性 (2) （二）传动的平稳性 (2) （三）载荷分布的均匀性 (2) （四）传动侧隙的合理性 (2) 四、齿轮传动机构的精度要求 (3) （一）齿轮的加工精度 (3) （二）齿轮的精度等级 (4) （三）齿轮副的接触精度 (4) （四）齿轮副的侧隙 (4) 五、齿轮的装配与检查 (5) （一）圆柱齿轮传动机构的装配 (5) （二）锥齿轮传动机构的装配 (5) （三）蜗杆传动机构的装配和差速器的装配 (5) 六、齿轮传动的失效形式及措施 (6) （一）齿轮折断 (6) （二）齿面点蚀 (7) （三）齿面磨粒磨损 (7) （四）齿面胶合 (7) （五）齿面塑性变形 (7) 七、影响齿轮传动效率因素 (7) 八、结论 (7)
一、引言 齿轮是现代机械传动中的重要组成部分。从国防机械到民用机械，从重工业机械到轻工业机械，无不广泛的采用齿轮传动。随着我国工农业生产和科学技术的飞跃发展，对于齿轮的需要显著增加。因此，齿轮的配合技术，便成为发展机械工业的一个重要环节。二、齿轮的种类 （一）平行轴之齿轮 １、正齿轮（直齿轮）：齿筋平行于轴心之直线圆筒齿轮。 ２、齿条：与正齿轮咬合之直线条状齿轮，可以说是齿轮之节距在大小变成无限大时之特殊情形。 ３、内齿轮：与正齿轮咬合之直线圆筒内侧齿轮。 ４、螺旋齿轮：齿筋成螺旋线之圆筒齿轮。 ５、斜齿齿条：与螺旋齿轮咬合之直线状齿轮。 ６、双螺旋齿轮：左右旋齿筋所形成之螺旋齿轮。 （二）直交轴之齿轮 １、直齿伞形齿轮：齿筋与节圆锥之母线（直线）一致之伞形齿轮。 ２、弯齿伞形齿轮：齿筋为具有螺旋角之弯曲线的伞形齿轮。 ３、零螺旋弯齿伞形齿轮：螺旋角为零之弯齿伞形齿轮。 （三）错交轴之齿轮 １、圆筒蜗轮齿轮：圆筒蜗轮齿轮为蜗杆及齿轮之总称。 ２、错交螺旋齿轮:此为圆筒形螺旋齿轮，利用要错交轴（又称歪斜轴）间传动时称之。３、其它之特殊齿轮： 面齿轮：为能与正齿轮或与螺旋齿轮咬合之圆盘形的面齿轮。鼓形蜗轮齿轮：凹鼓形蜗杆及与此咬合之齿轮的总称。 戟齿轮：传达错交轴之圆锥状齿轮。形状类似弯齿伞形齿轮。 三、齿轮传动的基本要求 （一）传递运动的准确性 由齿轮啮合原理可知，在一对理论的渐开线齿轮传动过程中，两齿轮之间的传动比 是确定的，这时传递运动是准确的。但由于不可避免地存在着齿轮的加工误差和齿轮副的装配误差，使两轮的传动比发生变化。从而影响了传递运动的准确性，具体情况是，在从动轮转动360°的过程中，两轮之间的传动比成一个周期性的变化，其转角往往不同于理论转角，即发生了转角误差，而导致传动运动的不准确，这种转角误差会影响产品的使用性能，必须加以限制。 （二）传动的平稳性 齿轮传动过程中发生冲击、噪音和振动等现象，影响齿轮传动的平稳性，关系到机器的工作性能、能量消耗和使用寿命以及工作环境等。因此，根据机器不同的使用情况，提出相应的齿轮传动平稳性要求，产生齿轮传动不平稳的原因，主要是由于传动过程中传动比发生高频地瞬时突变的结果。在从动齿轮转一转的过程中，引起传递不准确的传动比变化只有一个周期，而引起传动不平稳的传动比变化有许多周期，两者是不同的，实际上在齿轮传动过程中，
MSC齿轮传动系解决方案 1.概述 齿轮是机械系统中常用的传动部件，且已形成标准化和系列化。齿轮传动就是利用齿轮间的轮齿相互啮合传递动力和运动的机械传动，具有结构紧凑、效率高、寿命长、传动比精确，工作可靠，使用的功率、速度和尺寸范围大，因此在现代工业中得到了普遍使用。 典型传动系 由于使用的广泛性，因此必须提高齿轮传动的设计水平，才能解决实际生产中面临的各种问题，也只有对齿轮传动系统的各个细节进行了全面分析与处理，才能将齿轮传动的优势发挥出来。 拿齿轮传动系统的关键部件——齿轮来说，就有很多参数来描述它，模数，齿数，分度圆直径，齿顶，齿根，压力角，变位系数等等。这些参数之间相互关联，相互影响，它们不仅影响传动效果而且还影响自身结构受力。 齿轮的失效形式有很多，但主要体现在轮齿失效上，如轮齿折断、齿面点蚀、齿面磨齿面胶合以及塑性变形等。这反应到CAE领域中属于结构分析软件的工作，但是不管上述哪种失效形式总是因为某一时刻轮齿的受力超过了某个允许值而造成，而对这个力的求解一般是机构分析软件的任务。 齿轮传动是靠齿和齿之间的啮合来实现的，由于实际使用中，轮齿啮合之间存在间隙，这样就必然使得啮合传动会产生噪声，并且从数学角度来说，这是个非线性的问题，从形式上来说，这个啮合力是动态变化的。啮合力的动态性对轮齿的疲劳、失效有着巨大的影响。 从齿轮的几何方面而言，有摆线齿廓，渐开线齿廓以及圆弧齿廓等众多类型，在齿与齿
啮合时效果各异，其中渐开线式的目前应用最为广泛。齿轮的变位系数对优化齿轮传动以及方便装配等方面都有好处。轮齿修形也是对传动稳定性有巨大影响的一个重要因素。 2.产品介绍 针对齿轮传动MSC.Adams提供不同详细程度的分析方式和仿真工具： 第一种，只考虑传动比等运动关系时，使用Adams的齿轮副可以创建各种类型的齿轮传动形式，直齿，螺旋齿，蜗轮蜗杆，行星齿轮等类型。 简单齿轮传动模型 第二种，考虑齿轮之间的啮合力，变位系数时，使用Adams的插件工具Gear Generator，可以实现各种齿轮传动形式的建模。
机械手表齿轮主传动系统的分析 机械手表机芯完全是由几十个甚至上百个机械零件装配组合而成，经过后期的调校达到设计要求的计时精度方能成为合格的产品。机芯的结构基本由五个部分组成：能源装置、主传动系统、擒纵调速系统、上条拨针机构以及指针机构。文章我们主要举例分析机械手表机芯结构中主传动系统的工作原理、在机芯中起到的作用及中心二轮式和偏二轮式结构的差异。 标签：机械手表；轮系；传动系统；精密机械 主传动系统在机芯中充当什么角色？又是如何在机芯中起到怎样的“协调”作用？国内外机械手表中传动系统根据传动系统中二轮的位置是否在机芯中央分为中心二轮式和偏二轮式两种类型，中心二轮式和偏二轮式结构中主传动系统之间有什么区别呢？ 机械手表传动系统一般采用齿轮传动。齿轮除了把能源装置的力矩输送给擒纵调速器，维持振动系统作不衰减的振动外，还把擒纵轮的转角按一定比例关系传递到秒轮、分轮及时轮，使指针机构指示出正确的时刻、日期或星期。 1 机械手表中主传动系统的结构、工作原理及其作用分析 1.1 机械手表中主传动系统的结构 主传动是指：把发条所产生的力矩由条盒轮传递到擒纵轮的齿轮传动，主传动系统包括条盒轮、二齿轴、二轮片、三齿轴、三轮片、秒（四）齿轴、秒（四）轮片和擒纵齿轴。不同的传动形式其主传动系统所包括的轮片和齿轴有所不同。 1.2 机械手表中主传动系统的工作原理 如图1所示：摆轮游丝系统的能量是由擒纵擒纵机构供给的，擒纵机构的能量来自于主传动系统，如果主传动系统传递给擒纵轮的力矩不稳定，那么，擒纵轮补充给摆轮游丝系统的能量就会发生变化，导致摆轮的振幅不稳定，可能使摆轮游丝系统产生非等时性。所以主传动系统的质量直接影响到手表的走时精度。 1.3 主传动系统在机械手表中的作用 作用一：主传动系统将能源装置输出的能量传递给擒纵机构以维持摆轮游丝系统不衰减的振动，同时在不增加发条圈数的条件下，延长手表一次上弦的持续工作时间（约40小时以上）。 作用二：把擒纵轮反馈回来的转角传递到秒轮和分轮，使秒轮每分钟转一圈分轮每小时转一圈，并带动表盘面的时间类附加机构1做出相应的指示。
齿轮技术的发展趋势 近年来，一些新技术的运用和交叉学科的渗透，推动了齿轮设计和制造技术的发展。齿轮传动技术发展表现在：①高速重载齿轮向高参数、高寿命方向发展； ②汽车齿轮采用现代化制造工艺，使精度提高，噪声减小；③通用齿轮向成套化方向发展，各种型式齿轮箱得到广泛应用；④齿轮传动和其他类型传动相结合。 目前，国际齿轮产品的发展趋势主要有以下几方面，而我国齿轮生产企业的产品在疲劳寿命与噪声指标上与国外先进水平表现出来很大的差距，主要与材料和热处理水平有很大关系。 ●动力传动齿轮装置正沿着小型化、高速化、标准化方向发展，于是特殊齿轮的应用、行星齿轮装置的发展、低振动、低噪声齿轮装置的研制成了齿轮设计方面的一些特点； ●由于机械设备向大型化发展，齿轮的工作参数提高了，如高速齿轮的传递功率为1000-30000kw； ●由于硬齿面齿轮广泛应用，以及高速、高性能要求的齿轮日益增多，因此要求磨齿加工，在效率和质量上都要提高； ●关于齿轮材料与热处理随着硬齿面齿轮的发展，也逐渐受到人们的重视。 1 齿轮装置小型化、高速化、标准化 齿轮装置正沿着小型化、高速化、标准化方向发展。为达到齿轮装置小型化目的，提高了现有渐开线齿轮的承载推力。各国普遍采用硬齿面技术，提高硬度以缩小装置的尺寸；也可应用以圆弧齿轮为代表的非凡齿形。英法合作研制的舰载直升飞机主传动系统采用圆弧齿轮后，使减速器高度大为降低。随着船舶动力由中速柴油机代替的趋势，在大型船上采用大功率行星齿轮装置确有成效；现在冶金、矿山、水泥一轧机等大型传动装置中，行星齿轮以其体积小、同轴性好、效率高的优点而应用愈来愈多。 1）齿轮箱的小型化 齿轮箱小型化是指在传递能力和转速比相同的情况下，尽可能减小其尺寸与重量，并具有一定的经济性。汉斯（HURTH）齿轮箱是齿轮箱小型化设计的一个成功范例：HBW220-3型汉斯齿轮箱的重量约为国内同类产品2Cl6型齿轮箱的l/5，而体积约为2Cl6型齿轮箱的1/3。箱体材料选用强重比高的铝合金，用压铸
齿轮传动系统的动力学仿真分析 摘要：本文对建立好的整体机械系统的虚拟样机模型进行运动学和动力学的仿真分析，通过仿真分析，可以方便地得出齿轮传动系统在特定负载和特定工况下的转矩，速度，加速度，接触力等，仿真分析后，可以确定各个齿轮之间传递的力和力矩，为零件的有限元分析提供基础。 关键词：传动系统动力学仿真 adams 虚拟样机 中图分类号：th132 文献标识码：a 文章编号： 1007-9416(2011)12-0207-01 随着计算机图形学技术的迅速发展，系统仿真方法论和计算机仿真软件设计技术在交互性、生动性、直观性等方面取得了较大进展，它是以计算机和仿真系统软件为工具，对现实系统或未来系统进行动态实验仿真研究的理论和方法。 运动学仿真就是对已经添加了拓扑关系的运动系统，定义其驱动方式和驱动参数的数值，分析其系统其他零部件在驱动条件下的运动参数，如速度，加速度，角速度，角加速度等。对仿真结果进行分析的基础上，验证所建立模型的正确性，并得出结论。 本文中所用的动力学仿真软件是adams软件。adams软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格郎日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。adams
软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。虚拟样机就是在adams软件中建的样机模型。 1、运动参数的设置 先在造型软件ug中将齿轮传动系统造型好，如下图所示。在已经设置好运动副的齿轮传动系统的第一级齿轮轴上绕地的旋转副上 给传动系统添加一个角速度驱动。然后进行仿真。在进行仿真的过程中，单位时间内仿真步数越多，步长越短，越能真实反映系统的真实结果，但缺点是仿真时间也随之变长，占用的系统空间也就越大。所以应该在兼顾仿真真实性与所需物理资源和仿真时间的基础上，选择一个合适的仿真时间和仿真的步长。 在仿真之前先设置系统所用到的物理量的单位，在工程实际中，角速度一般使用的单位是r/min，所以在系统的基本单位中把时间的单位设为min,角度的单位设成rad，而在adams中转速单位为 rad/min。本过程仿真的运动过程为：系统从加速运动到额定转速，平稳运动一段时间后，再减速运动直到停止。运动过程用函数来模拟，输入的角速度驱动的函数表达式为： step( time ,0 ,0 ,2.5 ,9168.8)+ step(time ,7.5 ,0 ,10 ,-9168.8)，此函数表达式的含义为：系统从开始加速运动一直到2.5s时达到了系统的额定转速 9168.8rad/min(1460r/min),从2.5s到7.5s的时间段内，系统以额定转速运动，在7.5s到10s的时间段内，系统从额定转速减速
第四章齿轮传动计算题专项训练（答案）；1、已知一标准直齿圆柱齿轮的齿数z=36，顶圆d；2、已知一标准直齿圆柱齿轮副，其传动比i=3，主；3、有一对标准直齿圆柱齿轮，m=2mm，α=20；4、某传动装置中有一对渐开线；5、已知一对正确安装的标准渐开线正常齿轮的ɑ=2；解:144=4/2(Z1+iZ1)Z1=18Z2；d 1=4*18=72d2=4*54=216 第四章齿轮传动计算题专项训练（答案） 1、已知一标准直齿圆柱齿轮的齿数z=36，顶圆da=304mm。试计算其分度圆直径d、根圆直径df、齿距p以及齿高h。 2、已知一标准直齿圆柱齿轮副，其传动比i=3，主动齿轮转速n1=750r/mi n，中心距a=240mm，模数m=5mm。试求从动轮转速n2，以及两齿轮齿数z1和z 2。 3、有一对标准直齿圆柱齿轮，m=2mm，α=200， Z1=25，Z2=50，求（1）如果n1=960r/min，n2=？（2）中心距a=？（3）齿距p=？答案： n2=480 a=7 5 p= 4、某传动装置中有一对渐开线。标准直齿圆柱齿轮（正常齿），大齿轮已 损坏，小齿轮的齿数z1=24，齿顶圆直径da1=78mm, 中心距a=135mm, 试计算大齿轮的主要几何尺寸及这对齿轮的传动比。解： 78=m(24+2) m=3 a=m/2(z1 +z2) 135=3/2(24+z2) z2 =66 da2=3*66+2*3=204 df2=3*66-2**3= i=66/24= 5、已知一对正确安装的标准渐开线正常齿轮的ɑ=200，m=4mm，传动比i12 =3，中心距a=144mm。试求两齿轮的齿数、分度圆半径、齿顶圆半径、齿根圆半径。
齿轮传动系统的故障诊断与分析 张某某 （某某大学机电工程学院，湖南长沙，410083）摘要：齿轮是机械设备中常用的部件,齿轮传动也是机械传动中最常见的方式之一。在许多情况下，齿轮故障又是导致设备失效的主要原因。因此对齿轮进行故障诊断具有非常重要的意义。本文简要介绍了齿轮故障的发展历史，齿轮故障诊断形式与方法，齿轮故障特征提取以及齿轮传动系统的分析模型和求解方法。 关键词：齿轮传动；故障诊断；分析 Analysis and fault diagnosis of gear transmission system Zhangmoumou （College of mechanical engineering of moumou University；Changsha Hunan； 410083） Abstract：Gear is the common parts of the mechanical equipment，one of the most common way of gear transmission is mechanical transmission. In many cases, the gear fault is the main cause of equipment failure. So it is very important to diagnose the faults of gear. This paper briefly introduces the development history of gear fault, fault diagnosis of gear form and method, analysis model and the solving method of gear fault feature extraction and the gear transmission system. Key words：gear transmission；fault diagnosis；analysis 0引言 对齿轮传动系统进行诊断是自故障诊断技术问世以来一直受到人们普遍重视的课题之一,在各类机械设备中,齿轮传动是最主要的传动方式,齿轮传动系统的运行状态往往直接影响到机械设备是否正常工作。而齿轮传动系统的零部件如齿轮、轴和轴承的加工工艺复杂,装配精度要求高,又常常在高速度、重载荷下连续工作,因此故障率较高,是造成机械设备不能正常运转的常见原因之一。传统采用的定期维修方式由于其无法科学地预见故障,不能从根本上防止故障的发生,而且维修周期太短会增加维修费用和维修时间,造成浪费,也影响了正常使用。因而需对齿轮传动系统进行状态监测及故障诊断,以分析确定齿轮传动系统的工作状态和性能劣化趋势,视具体情况决定是否需要维修。这样既可以有效地预防故障的发生,又可以减少不必要的维修,节约开支。 在运行过程中,齿轮传动系统内部的零部件会受到机械应力、热应力等多种物理作用,随着时间的推移,这种物理作用的累积,将使齿轮传动系统正常运行的技术状态不断发生变化,可能产生异常、故障或劣化状态。这些作用和变化,又必
例 1 如图所示的轮系，已知151=z ，252=z ，15'2=z ，303=z ，15'3=z ， 2,3044=='z z （右旋）,4,20,6055mm m z z ==='若min /5001r n =，求齿条6线速度 v 的大小和方向。 解： 200' ''4321543251 15===z z z z z z z z n n i min /5.215 1 5r i n n == s mm s m n mz n d v /5.10/0105.01000 601000605 5556' ' ==?=?=ππ 例2 在图示轮系中，已知：蜗杆为单头且右旋，转速n 11440= r /min , 转动方 向如图示，其余各轮齿数为：50 2=z ，25 2='z ，303=z ，183='z ，54 4=z ，试：（1）计算齿轮4的转速4n ；（2）在图中标出齿轮4的转动方向。
解： （1）8144054 305018 2514321 3 214=?????=?????= ''z z z n z z z n r/min （2）蜗杆传动可用左右手定则判断蜗轮转向↓。然后用画箭头方法判定出n 4 转向: n 4方向:←。 例3 图示行星轮系，已知41'21==z z ，3932==z z ，试计算传动比 1H i 。 解： 1681 1521 '21323113= =--= z z z z n n n n i H H H 由于轮3为固定轮（即03=n ）， ' 1121321113z z z z i n n i H H H -=-== ＝1681160414139391=??- 51.10/111==H H i i
100122 电子机械论文 冶金机械齿轮传动装置的制造技术与发 展趋势 自上世纪70年代起，我国就已经建设了包括宝钢以及武钢在内的多个不同的现代化冶金企业，令我国冶金设备的整体水平提升到了一个比较先进的高度上，齿轮传动装置更是精品层出，例如：宝钢一期到三期所用到的各种齿轮传动装置当中就包括德国产FLAND以及比利时HANSEN、日本产三井三池等比较知名的品牌减速器，同时还有包括德国产德马克、日本产三菱等大型传动装置，它们对我国的齿轮装备水平形成了积极的影响。 1 在冶金设备中运用机械齿轮传动设备的技术 1.1 常用场合 首先，需要调节转速以及力矩，以期能够满足设备使用上的需求；其次，需要对传动路线进行分配，并且调节空间动力传递具体方向以及实际位置；第三，将动力进行合成或者是分流处理，也就是可以凭借一个单独的动力
源，将动力分配到几个需要使用动力的动力源当中，并合成，整体供给工作机构。 1.2 现状 就当前来说，冶金设备当中利用的机械齿轮转动装置当中的齿轮，大多使用渗碳、磨削以及淬火的硬齿面的齿轮，通常在轧钢齿轮的传动装置当中很少会使用HB300之下的齿轮。 制造齿轮通常需要使用的是喷砂处理手段、齿根处理手段、压力淬火以及无损探伤四种，对大齿轮结构进行设计通常使用的是焊接齿轮。因为齿轮的制造进度以及承载能力在最近这些年以来有明显的提升，并且大面积地利用硬齿面齿轮，因此在进行齿轮结构的设计过程当中会常用单斜齿，例如宝钢冷轧机主传动的双齿轮座即该结构齿轮，并不会安装人字齿轮。假如受到结构或者尺寸上的限制的时候，还可以借助两个单向斜齿轮进行组合拼装成人字齿轮。尽可能使用多流式传动装置，能够在较小的环境体积当中传送较大的力矩。在实际生产过程当中，为了能够实现最大化的齿轮承载力，采用的大多都是变为齿轮以及延齿端修整等手段，通常轧机的传动装置齿轮副进行制造的过程当中，行业内对其的要求也相对较高，齿轮的接触精度需要实现80%甚至更高。
齿 轮 系 传 动 比 计 算 1 齿轮系的分类 在复杂的现代机械中，为了满足各种不同的需要，常常采用一系列齿轮组成的传动系统。这种由一系列相互啮合的齿轮（蜗杆、蜗轮）组成的传动系统即齿轮系。下面主要讨论齿轮系的常见类型、不同类型齿轮系传动比的计算方法。 齿轮系可以分为两种基本类型：定轴齿轮系和行星齿轮系。 一、定轴齿轮系 在传动时所有齿轮的回转轴线固定不变齿轮系，称为定轴齿轮系。定轴齿轮系是最基本的齿轮系，应用很广。如下图所示。 二、行星齿轮系 若有一个或一个以上的齿轮除绕自身轴线自转外，其轴线又绕另一个轴线转动的轮系称为行星齿轮系，如下图所示。 1. 行星轮——轴线活动的齿轮. 2. 系杆 (行星架、转臂) H . 3. 中心轮 —与系杆同轴线、 与行星轮相啮合、轴线固定的齿轮 4. 主轴线 —系杆和中心轮所在轴线. 5. 基本构件—主轴线上直接承受 载荷的构件. 行星齿轮系中，既绕自身轴线自转又绕另一固定轴线（轴线O1）公转的齿轮2形象的称为行星轮。支承行星轮作自转并带动行星轮作公转的构件H 称为行星架。轴线固定的齿轮1、3则称为中心轮或太阳轮。因此行星齿轮系是由中心轮、行星架和行星轮三种基本构件组成。显然，行星齿轮系中行星架与两中心轮的几何轴线（O1-O3-OH ）必须重合。否则无法运动。 根据结构复杂程度不同，行星齿轮系可分为以下三类： （1）单级行星齿轮系： 它是由一级行星齿轮传动机构构成的轮系。一个行星架及和其上的行星轮及与之啮合的中心轮组成。 （2）多级行星齿轮系：它是由两级或两级以上同类单级行星齿轮传动机构构成的轮系。 （3）组合行星齿轮系：它是由一级或多级以上行星齿轮系与定轴齿轮系组成的轮系。 行星齿轮系 根据自由度的不同。可分为两类： 1450rpm 53.7rpm
第四章齿轮传动（10课时） 教学目标 1、了解齿轮传动的分类、特点 2、理解渐开线的形成及性质，了解齿廓的啮合的特点 3、掌握渐开线标准直齿圆柱齿轮基本参数、几何尺寸计算 4、了解渐开线齿廓的啮合的特点 5、掌握标准直齿圆柱齿轮、斜齿圆柱齿轮、直齿圆锥齿轮的正确啮合条件 6、了解斜齿圆柱齿轮、直齿圆锥齿轮的应用特点 7、了解齿轮轮齿失效的形式 教学重点难点 上述3、5两点 【复习】1、链传动的组成及特点、类型和应用 2、链传动的传动比 3、滚子链的组成、标记和特点 第一节齿轮传动的类型及应用 一、概念 齿轮机构是由齿轮副组成的传递运动和动力的装置。 二、齿轮传动的类型
齿轮的种类很多，可以按不同方法进行分类。 （1）根据轴的相对位置，分为两大类，即平面齿轮传动（两轴平行）与空间齿轮传动（两 轴不平行） （2）按工作时圆周速度的不同，分低速、中速、高速三种； （3）按工作条件不同，分闭式齿轮传动（封闭在箱体内，并能保证良好润滑的齿轮传动）、 半开式齿轮传动（齿轮浸入油池，有护罩，但不封闭）和开式齿轮传动（齿轮暴露在外， 不能保证良好润滑）三种； （4）按齿宽方向齿与轴的歪斜形式，分直齿、斜齿和曲齿三种； （5）按齿轮的齿廓曲线不同，分为渐开线齿轮、摆线齿轮和圆弧齿轮等几种； （6）按齿轮的啮合方式，分为外啮合齿轮传动、内啮合齿轮传动和齿条传动。 三、齿轮传动的应用 1、传动比 式中 n1、n2表示主从动轮的转速 z1、z2表示主从动轮的齿数 2、应用特点： 优点：能保证瞬时传动比恒定，工作可靠性高，传递运动准确。 传递功率和圆周速度范围较宽，传递功率可达50000kw ,圆周速度300m/s 结构紧凑，可实现较大传动比 两轴平行 两轴不平行 按轮齿方向 按啮合情况 直齿圆柱齿轮传动 斜齿圆柱齿轮传动 人字齿圆柱齿轮传动 外啮合齿轮传动 内啮合齿轮传动 齿轮齿条传动 相交轴齿轮传动 交错轴齿轮传动 锥齿轮传动 交错轴斜齿轮传动 蜗轮蜗杆传动 1212 21n z i n z ==
闭式斜齿圆柱齿轮传动 设计一闭式斜齿圆柱齿轮传动。已知传递的功率P 1=20kW ，小齿轮转速 n 1=1000r/min ，传动比i=3，每天工作16h ，使用寿命5年，每年工作300天，齿轮对称布置，轴的刚性较大，电机带动，中等冲击，传动尺寸无严格限制。 解：设计步骤见表 1．选定材料、热处理方式、精度等级、齿数等 小轮：40Cr 调质 HB 1=241～286，取260HBW ； 大轮：45调质 HB 2=197～255，取230HBW ； 7级精度 取z 1=27，则大轮齿数z 2=i z 1=3×27=81， 对该两级减速器，取z=1。 初选螺旋角 =14° 2．确定许用弯曲应力 δHlim1=710MPa ，δHlim2=580MPa ， δFlim1=600MPa ，δFlim2=450MPa ， 安全系数取S Hlim =1.1 S Flim =1.25 N 1=60×1000×5×300×16=14.4×108 N 2= N 1/i=14.4×108/3=4.8×108 得：Z N1=0.975 Z N2=1.043 Y N1=0.884 Y N2=0.903 MPa S Z H N H H 3 .6291.1975.0710][min 1 1lim 1=?== σσ MPa S Z H N H H 550 1 .1043 .1580][min 2 2lim 2=?= = σσ MPa S Y Y F X N F F 32 .42425.11884.0600][min 1 11lim 1=??== σσ MPa S Y Y F X N F F 08 .32525 .11 903.0600][min 2 22lim 2=??= = σσ
常用机械传动系统的主要类型和特点 2H310000 机电工程技术 2H311000 机电工程专业技术 2H311010 机械传动与技术测量 ――2H311011 掌握传动系统的组成 一、常用机械传动系统的主要类型和特点 机械传动的作用：传递运动和力； 常用机械传动系统的类型：齿轮传动、蜗轮蜗杆传动、轮系；带传动、链传动； （一）齿轮传动 1、齿轮传动的分类 （1）分类依据：按主动轴和从动轴在空间的相对位置形成的平面和空间分类 两平行轴之间的传动――平面齿轮传动（直齿圆柱齿轮传动、斜齿圆柱齿轮传动、人字齿轮传动；齿轮齿条传动） 用于两相交轴或交错轴之间的传动――空间齿轮传动（圆锥齿轮传动、螺旋齿轮传动（交错轴）） 用于空间两垂直轴的运动传递――蜗轮蜗杆传动 （2）传动的基本要求： 瞬间角速度之比必须保持不变。 （3）渐开线齿轮的基本尺寸： 齿顶圆、齿根圆、分度圆、模数、齿数、压力角等 2、渐开线齿轮的主要特点： 传动比准确、稳定、高效率； 工作可靠性高，寿命长； 制造精度高，成本高； 不适于远距离传动。
3、应用于工程中的减速器、变速箱等 （二）蜗轮蜗杆传动 1、用于空间垂直轴的运动传递――蜗轮蜗杆传动 2、正确传动的啮合条件――蜗杆的轴向与蜗轮端面参数的相应关系蜗杆轴向模数和轴向压力角分别等于蜗轮端面模数和端面压力角。 3、蜗轮蜗杆传动的主要特点： 传动比大，结构紧凑； 轴向力大、易发热、效率低； 一般只能单项传动。 （三）带传动 1、带传动――适于两轴平行且转向相同的场合。 带传动组成：主动轮、从动轮、张紧轮和环形皮带构成 2、带传动特点： 挠性好，可缓和冲击，吸振； 结构简单、成本低廉； 传动外尺寸较大，带寿命短，效率低； 过载打滑，起保护作用； 传动比不保证。 切记：皮带打滑产生一正一负的作用： 即过载打滑，起保护作用； 打滑使皮带传动的传动比不保证。 （四）链传动 1、链传动――适于两轴平行且转向相同的场合。 链传动组成：主动链轮、从动链轮、环形链构成
六、齿轮传动 1、主要失效形式 （1）轮齿折断：①主要是齿根弯曲疲劳强度折断，在轮齿受载时，齿根处产生的弯曲应力最大，加上齿根 部分的截面突变及加工刀痕等引起的应力集中，当轮齿重复受载后，齿根处会产生疲劳裂纹，并逐步 扩展，致使轮齿疲劳折断。②在轮齿受到突然过载时，可能出现过载折断或剪断。③轮齿经过严重磨 损后齿厚过分减薄时，也会在正常载荷作用下发生折断。防止措施：增大齿根过渡圆角半径和消除加 工刀痕减少齿根应力集中。增大轴及支承的刚性，使轮齿接触线上受载较为均匀。采用合适的热处理 方法，使齿芯材料具有足够的韧性。采用喷丸、滚压等工艺对齿根表面进行强化处理。 （2）齿面磨损：啮合齿面间落入磨料性物质时，齿面即被磨损而至报废—磨粒磨损（开式齿轮）。 防止措施：改用闭式齿轮 （3）齿面点蚀：齿面材料在变化着的接触应力作用下，由于疲劳而产生的麻点状损伤现象。会首先出现在 靠近节线的齿根面上。防止措施：提高齿轮材料的硬度、在啮合的轮齿间加润滑油。 （4）齿面胶合：相啮合的两齿面在高温时会粘在一起，在两轮的相对滑动下，相粘结的部位会被撕破，于 是在齿面上相对滑动的方向形成伤痕。防止措施：采用抗胶合能力强的润滑油。 （5）塑性变形：在过大的应力作用下，轮齿材料处于屈服状态而产生齿面或齿体流动。一般发生在硬度低 的齿轮上。防止措施：提高轮齿齿面硬度、采用高粘度润滑油。 2、设计准则 闭式：保证齿面接触疲劳强度；对齿面硬度很高、齿芯强度低的齿轮或材质较脆的齿轮，保证齿根弯曲 疲劳强度。 开式（半开式）：保证齿根弯曲疲劳强度。 3、齿轮材料的选取 基本要求：齿面要硬，齿芯要韧 4、载荷系数βαK K K K K v A = （1）使用系数A K ：主要考虑齿轮啮合时外部因素引起的附加载荷影响的系数，附加载荷取决于原从动件 的机械特性、质量比、联轴器类型及运行状态等。 （2）动载荷系数v K ：考虑的是齿轮传动的制造及装配误差和轮齿受载后产生的弹性变形。 减小动载荷的措施：提高制造精度、减小齿轮直径以降低圆周速度、对齿轮进行齿顶修缘。 （3）齿间载荷分配系数αK ：由于齿距误差及弹性变形等原因，啮合区有多对齿同时工作时，载荷没有按 比例分配在这多对齿上，因此引入齿间载荷分配系数。 （4）齿向载荷分配系数βK ：当轴承相对于齿轮做不对称配置时，受载后，轴会产生弯曲变形，在轴上的 齿轮也会随之偏斜，作用在齿面上的载荷沿接触线分布不均匀，用 表示齿面上载荷分布不均匀的程 度对齿轮强度的影响。 改善措施：增大轴、轴承及支座的刚度；对称地配置轴承；适当限制轮齿的宽度；避免齿轮悬臂布置 5、齿轮传动受力分析方法（标准直齿圆柱齿轮） 主动轮：将法线载荷n F 分解为圆周力t F 和径向力r F 1 1 2d T F t = αtan t r F F = αcos t r F F = α：啮合角 从动轮：各力大小与主动轮相等，方向相反
【例1】设计一电动机驱动的带式运输机的两级减速器高速级的直齿圆柱齿轮传动。已知传递的功率P 1=5.5kW ，小轮转速n 1=960r/min ，齿数比u =4.45。 解： 1．轮齿部分主要几何尺寸的设计与校核 ① 选定材料、齿数、齿宽系数 由表10-7选择常用的调质钢 小轮：45调质 HB 1=210～230， 大轮：45正火 HB 2=170～210， 取小轮齿数Z 1=22，则大轮齿数Z 2=uZ 1=4.45×22≈98， 对该两级减速器，取φd =1。 ②确定许用应力： 许用接触应力 N H lim H H min []Z S σσ= 许用弯曲应力 Flim ST NT F F min []Y Y S σσ= 式中 σHlim1=560MPa ，σHlim2=520MPa （图8-7（c ））， σFlim1=210MPa ，σFlim2=200MPa （图8-7（c ））。 σFlim 按图8-26查取，应力修正系数Y ST =2，而最小安全系数σHlim =σFlim =1（表8-5），故 H11560 []5601σ?== MPa H21520 []5201σ?== MPa F12102 []4201σ?== MPa F22002 []4001 σ?= = MPa ③ 按齿面接触强度设计 由式 d 1 计算小轮直径。 载荷系数K =K A K V K β 取K A =1（表8-2），K V =1.15，K β=1.09（表8-3），故 K =1×1.15×1.09=1.25 小轮传递的转矩 T 1=9.55×106p /n =9.55×106×5.5/960=54713.5N ?mm 弹性变形系数Z E =189.8（表10-5）。 节点区域系数Z H =2.5。 将以上数据代入上式得
基于MATLAB的齿轮传动系统优化设计 摘要：某高速重载齿轮进行了优化设计，在分析齿轮在各工况下的弯曲强度后，根据齿轮的优化设计原则，选择齿轮体积最小为优化设计原则，对传动齿轮中的小齿轮进行了优化设计，设计模数、齿数、齿宽系数、螺旋角为变量，根据各参数的设计要求来确定约束条件，同时根据齿根弯曲疲劳强度和齿面接触疲劳强度进行条件约束，最后用MATLAB进行编程计算，最后得出优化后的结果，该结果满足要求。本文的研究对机械系统的优化设计具有指导意义和工程应用价值。关键词：齿轮；优化设计；MATLAB； 0引言 优化设计是近年发展起来的一门新的学科，也是一项新技术，在工程设计的各个领域都已经得到了更为广泛的应用。通过实际的应用过程表明：工程设计中采用优化设计这种新的科学设计方法，不仅使得在解决复杂问题时，能够从众多纷繁复杂的设计方案中找到尽可能完善的或者最适合的设计方案，而且，采用这种方法还能够提高设计效率和设计质量，使其的经济和社会效益都非常明显。优化设计的理论基础是数学规划，采用的工具是计算机。 优化设计具有一般的设计方法所不具备的一些特点。优化设计能够使各种设计参数自动向更优的方向进行调整，直到找到一个尽可能完善的或最适合的设计方案。一般的设计方法只是依靠设计人员的经验来找到最佳方案，这样不足以保证设计参数一定能够向更优方向调整，也不能够保证一定能找到最适合的设计方案。优化设计的手段是采用计算机，在很短的时间内就可以分析一个设计方案，并判断方案的优劣、是否可行，因此就能够从大量的方案中选出更加适合的设计方案，这是常规设计所不能比的。 1 机械系统优化设计方法概述 许多机械工程设计都需要进行优化。优化过程可以分为三个部分：综合与分析、评价、改变参数三部分组成。其中，综合与分析部分的主要功能是建立产品设计参数与设计性能、设计要求之间的关系，这也就是一个建立数学模型的过程。评价部分就是对该产品的性能和设计要求进行分析，这就相当于是评价目标函数是否得到改善或者达到最优，也就是检验数学模型中的约束条件是否全部得到满足。改变参数部分就是选择优化方法，使得目标函数（数学模型）得到解，同时根据这种优化方法来改变设计参数。 在许多机械工程设计问题中，优化设计的目标是多种多样的，按照所追求的目标的多少，目标函数可以分为单目标函数和多目标函数。以多级齿轮传动系统设计过程为例，要求在满足规定的传动比和给定最小齿轮、大齿轮直径的条件下，追求系统的转动惯量最小，箱体的体积最小，各级传动中心距和最小，承载能力最高，寿命最长等，这就是一个多目标函数。目标函数作为评价方案中的一个很重要的标准，它不一定有明显的物理意义、量纲，它只是代表设计指标的一个值。所以，目标函数的建立是否正确是优化设计中很重要的一项工作，它既要反映用户的需求，又要敏感地、直接地反映设计变量的变化，对优化设计的质量及计算难易程度都有一定的影响。表2.1给出了常用优化设计中的可供选择的优化目标。 优化设计问题的前提是选择优化设计方法，选用哪个方法好，这就主要是由优化设计方法的特性和实际设计问题的具体情况来决定。一般来讲，评价一种优
题10-6 图示为二级斜齿圆柱齿轮减速器,第一级斜齿轮的螺旋角1β的旋向已给出。 （1）为使Ⅱ轴轴承所受轴向力较小,试确定第二级斜齿轮螺旋角β的旋向,并画出各轮轴向力 、径向力及圆周力的方向。 （2） 若已知第一级齿轮的参数为:Z 1=19,Z 2=85,m n =5mm,020=n α,a=265mm, 轮1的传动功率P=6.25kW,n 1=275 r/min 。试求轮1上所受各力的大小。 解答: 1．各力方向：见题解10-6图。 2．各力的大小：m N 045.217m N 27525.695509550111?=??=?=n P T 148.11,9811.0265 2) 8519(52)(cos 211==?+?=+=ββa z z n m ； mm 83.96cos 1 1==βz n m d ； N 883tan ,N 1663cos tan ,N 448320********* 1 1====== ββαt a t r t F F n F F d T F ； 题10-7 图示为直齿圆锥齿轮-斜齿圆柱齿轮减速器,为使Ⅱ轴上的轴向力抵消一部分,试确定一对斜齿圆柱齿轮螺旋线的方向;并画出各齿轮轴向力、径向力及圆周力的方向。 解答：齿轮3为右旋，齿轮4为左旋; 力的方向见题解10-7图。 题解10-6图 题10-6图
题10-9 设计一冶金机械上用的电动机驱动的闭式斜齿圆柱齿轮传动, 已知:P = 15 kW,n 1 =730 r/min,n 2 =130 r/min,齿轮按8级精度加工,载荷有严重冲击,工作时间t =10000h,齿轮相对于轴承为非对称布置,但轴的刚度较大,设备可靠度要求较高,体积要求较小。（建议两轮材料都选用硬齿面） 解题分析：选材料→确定许用应力→硬齿面，按轮齿的弯曲疲劳强度确定齿轮的模数→确定齿轮的参数和几何尺寸→校核齿轮的接触疲劳强度→校核齿轮的圆周速度 解答:根据题意,该对齿轮应该选用硬齿面,其失效形式以轮齿弯曲疲劳折断为主。 1. 选材料 大、小齿轮均选用20CrMnTi 钢渗碳淬火（[1]表11-2），硬度为56～62HRC ，由[1]图 11-12 和[1]图11-13查得：MPa 1500,MPa 430lim lim ==H F σσ 题解10-7图 题10-7图