第04章齿轮机构教学提纲

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1、第4章 齿轮机构,41 齿轮机构的特点和类型,42 齿廓实现定角速度比的条件,43 渐开线齿廓,44 齿轮各部分名称及标准齿轮的基本尺寸,45 渐开线标准齿轮的啮合,46 渐开线齿轮的切齿原理,47 根切现象、最少齿数及变位齿轮,48 平行轴斜齿轮机构,49 圆锥齿轮机构,41 齿轮机构的特点和类型,作用:传递空间任意两轴(平行、相交、交错)的旋 转运动,或将转动转换为移动。,结构特点:圆柱体或圆锥体外(或内)均匀分布有 大小一样的轮齿。,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

2、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)。,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 (1650年),圆弧齿轮 (1950年),按速度高低分:,按传动比分:,按封闭形式分:,齿轮传动的类型,应用实例:提问参观对象、SZI型统一机芯手表有18个齿轮、炮塔、内然机。,高速、中速、低速齿轮传动。,定传动比、变

3、传动比齿轮传动。,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,准双曲面齿轮,设计:潘存云,如果要求传动比为常数,则应使O2 P /O1P为常数。,节圆: 设想在P点放一只笔,则笔尖在两 个齿轮运动平面内所留轨迹。,由于O2 、O1为定点,故P必为一个定点。,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:,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

4、速器),近年来提出了圆弧和抛物线。,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。主要在于它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。,设计:潘存云,43 渐开线齿廓,一、 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纯滚动时, B为瞬心,速度沿t-t线,是渐开线的切线,故BK为法线,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。可以证明,BK发生线,,发生线,基圆rb,kAK段的展角,设计:潘存云,设计:潘存云,渐开线形状取决于基圆,基圆内无渐开线

5、。,同一基圆上任意两条渐开 线公法线处处相等。,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。,rbrk cosk,设计:潘存云,同一基圆上任意两条渐开线的公法线处处相等。,由性质和有:,两条反向渐开线,两条同向渐开线:,B1E1 = A1E1A1B1,B2E2 = A2E2A2B2,B1E1 = B2E2,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。,设计:潘存云,二、渐开线齿廓的啮合特性,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

6、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,设计:潘存云,2.齿廓间正压力方向不变,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

7、就是节圆上的压力角,设计:潘存云,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,设计:潘存云,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:

8、d、r、s、e,p= s+e,法向齿距 (周节) pn,= pb,44 齿轮各部分名称及标准齿轮的基本尺寸,设计:潘存云,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,,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,设计

9、:潘存云,设计:潘存云,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,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,设计:潘存云,齿轮各部分尺寸的计算公式:,齿顶高:ha=ha*m,齿根高:hf=(ha

10、* +c*)m,全齿高:h= ha+hf,齿顶圆直径: 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,设计:潘存云,基圆直径:,法向齿距:,标准齿轮:,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 、ha* 、c* 取标准值, 且e=s的齿轮。,db=dcos,p

11、n=pb,设计:潘存云,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。,设计:潘存云,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:轮齿分布在空心圆柱体内表面上。,不同点:,要求dadb。,设计:潘存云,设计:潘存云,设计:潘存云,pb1pb2,pb1pb2,pb1=pb

12、2,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,45 渐开线标准齿轮的啮合,设计:潘存云,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

13、别相等。,传动比:,设计:潘存云,二、标准中心距a,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,+c*m,+ r2-(ha*m+c*m),=m(z1+z2)/2,设计:潘存云,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,在标准安装时节圆与分度圆重合。,= r2

14、 / r1,必须指出: 1.分度圆和压力角是单个齿轮就有的;而节圆和啮合角是两个齿轮啮合后才出现的。,2.非标准安装时,两分度圆将分离,此时由:, ,提问:有可能 吗?,设计:潘存云,1.一对轮齿的啮合过程,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,一、重合度,B1-终止啮

15、合点,B2 -起始啮合点,设计:潘存云,2.连续传动条件,一对轮齿啮合传动的区间是有限的。要保证齿轮连续转动,则在前一对轮齿脱离啮合之前,后一对轮齿必须及时地进入啮合。,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:,从理论上讲,重合度为1就能保证连续传动,但齿轮制造和安装有误差,即: B1B2/pb1,1,采用标准齿轮,总是有: 1故不必验算。,46 渐开线齿轮的切齿原理,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

16、 最常用,铣削,拉削,一、成形法铣削,范成法 (展成法共轭法 包络法),插齿,滚齿,剃齿,磨齿,设计:潘存云,设计:潘存云,设计:潘存云,设计:潘存云,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。,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。,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。,设计:潘存云,设计:潘存云,齿轮插刀加工,i=0 /=z/z0,二、范成法,1. 齿轮插刀,共轭齿廓互为包络线,Vrmz/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,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,3. 齿轮滚刀,被加工齿轮,为什么滚刀要倾斜

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