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1、第五章 齿轮机构及其设计,哈尔滨工业大学,2009年2月,机 械 原 理,典型的齿轮传动,5-1 齿轮机构的类型与功能,齿轮机构是现代机械中应用最广泛的一种传动机构，与其它传动机构相比，齿轮机构的优点是：结构紧凑，工作可靠，效率高，寿命长，能保证恒定的传动比，而且其传递的功率与适用的速度范围大。但是其制造安装费用较高，低精度齿轮传动的振动噪声较大。,齿轮机构是通过一对对齿面的依次啮合来传递两轴之间的运动和动力的，根据一对齿轮实现传动比的情况，它可以分为定传动比和变传动比齿轮机构。 本章仅讨论实现定传动比的圆形齿轮机构。,齿轮机构是依靠轮齿直接接触构成高副来传递两轴之间的运动和动力的。,齿轮机构
2、有以下类型：,1、平行轴之间传递运动,一、齿轮机构的类型与功能,（1）直齿圆柱齿轮机构,轮齿分布在圆柱体外部且与其轴线平行,啮合的两外齿轮转向相反。应用广泛。,（2）斜齿圆柱齿轮机构,轮齿与其轴线倾斜，两轮转向相反，传动平稳,适合于高速传动,但有轴向力。,（3）人字齿圆柱齿轮机构,由两排旋向相反的斜齿轮对称组成，其轴向力被相互抵消。适合高速和重载传动，但制造成本较高。,（4）直齿内啮合圆柱齿轮机构,轮齿与其轴线平行且分布在空心圆柱体的内部，它与外齿轮啮合时两轮的转向相同。,（5）斜齿内啮合圆柱齿轮机构,轮齿与其轴线倾斜的内齿轮加工困难，它与斜齿外齿轮啮合时两轮转向相同。有轴向力。 应用较少。,
3、（6）直齿齿轮齿条机构,齿数趋于无穷多的外齿轮演变成齿条，它与外齿轮啮合时，齿轮转动，齿条直线移动。,（7）斜齿齿轮齿条机构,斜齿轮斜齿条啮合传动,应用较少。,（8）非圆齿轮机构,轮齿分布在非圆柱体上，可实现一对齿轮的变传动比。需要专用机床加工，加工成本较高，设计难度较大。,这是利用非圆齿轮变传动比的工作原理，设计的一种容积泵。现已获得实用新型专利。,2、相交轴之间传递运动,(1) 直齿圆锥齿轮机构,轮齿沿圆锥母线排列于截锥表面，是相交轴齿轮传动的基本形式。制造较为简单。,（2）斜齿圆锥齿轮机构,轮齿倾斜于圆锥母线，制造困难，应用较少。,（3）曲齿圆锥齿轮机构,轮齿是曲线形，有圆弧齿、螺旋齿等
4、，传动平稳，适用于高速、重载传动，但制造成本较高。 现在汽车后桥都采用这种齿轮。,3、交错轴之间传递运动,（1）交错轴斜齿圆柱齿轮机构,两螺旋角数值不等的斜齿轮啮合时，可组成两轴线任意交错传动，两轮齿为点接触，且滑动速度较大，主要用于传递运动或轻载传动。,（2）蜗杆蜗轮传动,蜗杆蜗轮传动多用于两轴交错角为90的传动，其传动比大，传动平稳，具有自锁性，但效率较低。,（3）准双曲线齿轮传动,其节曲面为单叶双曲线回转体的一部分。它能实现两轴线中心距较小的交错轴传动，但制造困难。,4、特种齿轮,这是一种同向传动齿轮机构。,二、齿轮机构的机构运动简图,齿轮用于传递（变换）运动和力,（1）转速大小的变换,
5、三、齿轮机构的功能,(2) 转速方向的变换,平行轴外啮合齿轮传动改变齿轮的回转方向,平行轴内啮合齿轮传动不改变齿轮的回转方向,(3) 改变运动的传递方向,相交轴外啮合齿轮传动不仅改变齿轮的回转方向还改变运动的传递方向,交错轴外啮合齿轮传动不仅改变齿轮的回转方向还改变运动的传递方向,(4) 改变运动特性,齿轮齿条传动可以把一个转动变换为移动，或者把一个移动变换为转动,非圆齿轮传动可以把一个匀速转动变换为非匀速转动，或者把一个非匀速转动变换为匀速转动,5-2 瞬时传动比与齿廓曲线,一、齿廓啮合基本定律,任意齿廓的两齿轮啮合时，其瞬时角速度的比值等于齿廓接触点公法线将其中心距分成两段长度的反比。,节
6、点与节圆的概念,在齿轮机构中，相对速度瞬心P 称为啮合节点，简称节点。,两齿轮啮合传动时，节点P在两轮各自运动平面内的轨迹分别称为齿轮1和齿轮2的节曲线。当该节曲线为圆时，称其为齿轮的节圆。,节曲线是齿轮的动瞬心线，齿轮的啮合传动相当于其两节曲线作无滑动的纯滚动。,点P为节点,分析：,（2）节点P在中心线上按一定规律移动的情况,（1）节点P为中心线上的一个固定点的情况,二、共轭齿廓的形成,共轭齿廓可以用包络线法、齿廓法线法或动瞬心线法等方法求得。,凡能满足齿廓啮合基本定律的一对齿廓称为共轭齿廓。,共轭齿廓啮合时，两齿廓在啮合点相切，其啮合点的公法线通过节点P。理论上，只要给定一齿轮的齿廓曲线，
7、并给定中心距和传动比i12，就可以求出与之共轭的另一齿轮的齿廓曲线。,自己通过阅读143146页掌握齿廓法线法求解共轭齿廓的方法。,二、共轭齿廓的形成,5-3 渐开线与渐开线齿廓啮合传动的特点,一、渐开线与渐开线方程,1.渐开线的形成,当直线x-x沿半径为rb的圆作纯滚动时，该直线上任一点K的轨迹称为该圆的渐开线，该圆称为渐开线的基圆，直线x-x称为渐开线的发生线，角K 称为渐开线AK段的展角。,2.渐开线的性质,2) 渐开线上任一点的法线切于基圆。,3) 基圆以内没有渐开线。,4) 渐开线的形状仅取决于其基圆的大小。基圆越小，渐开线越弯曲，基圆越大，渐开线越平直，当基圆半径为无穷大时，渐开线
8、就变成一条直线。,5)同一基圆上的任意两条渐开线都是法向等距线。,此定理作为齿轮公法线测量的依据,如右图所示，以OA为极坐标轴，渐开线上的任一点K可用向径rK和展角K来确定。根据渐开线的性质，有,3.渐开线方程,展角K称为压力角K的渐开线函数，工程上常用invK表示。,式中K称为渐开线在K点的压力角，它是K点作用力F的方向(K点渐开线的法线方向)与该点速度VK方向的夹角。,综上所述，可得渐开线的极坐标参数方程为,为使用方便，有些书将不同压力角的渐开线函数invK=tanK-K 以表格的形式给出，K以度为单位，而K=invK 的单位为弧度。,二、渐开线齿廓啮合传动的特点,3.啮合线是过节点的直线
9、,1.传动比恒定不变,2.中心距变动不影响传动比（可分性）,3.啮合线是过节点的直线,5-4 渐开线圆柱齿轮及其基本齿廓,一、齿轮的各部分名称,齿顶圆：过各轮齿顶端的圆，其直径用da、半径用ra表示。,齿根圆：与齿轮各轮齿齿槽底部相切的圆，直径用df 、半径用rf 表示。,外齿轮,齿槽宽：相邻两齿间的空间称为齿槽，任意圆周上齿槽两侧齿廓间的弧线长度称为该圆上的齿槽宽，用ei表示。,齿距(周节)：任意圆周上相邻两齿同侧齿廓间的弧线长度称为齿距(或称周节)，用pi表示。,齿厚：任意圆周上一个轮齿的两侧齿廓间的弧线长度称为该圆上的齿厚，用si表示。,分度圆：为设计和制造的方便而规定的一个基准圆，其直
10、径用d、半径用r表示。规定标准齿轮分度圆上的齿厚s与齿槽宽e相等。,齿顶高：位于齿顶圆与分度圆之间的轮齿部分称为齿顶。齿顶部分的径向高度称为齿顶高，用ha表示。,齿根高：位于齿根圆与分度圆之间的轮齿部分称为齿根。齿根部分的径向高度称为齿根高，用hf 表示。,全齿高：齿顶圆与齿根圆之间的径向距离，用 h表示。显然,齿根圆：?,内齿轮,齿顶圆：?,齿厚：?,齿槽宽：?,齿距(周节)：?,分度圆：?,齿顶高：?,齿根高：?,全齿高：?,二、渐开线标准直齿圆柱齿轮的几何尺寸,1渐开线齿轮的基本参数与基本齿廓,（1）齿数 在齿轮的整圆周上轮齿总数，用z表示，显然z应为整数。齿轮的齿数是根据设计需要确定的
11、，如：传动比、中心距要求、接触强度等。,（2）模数m,齿轮分度圆的周长为:,分度圆直径为：,为了设计、制造和测量方便,令：,模数系列,模数的量纲 mm，确定模数m实际上就是确定周节p,也就是确定齿厚和齿槽宽e。模数m越大，周节p越大，齿厚s和齿槽宽e也越大。 进而推论，模数越大，轮齿的抗弯强度越大。,这是一组齿数相同，模数不同的齿轮。,确定模数的依据 根据轮齿的抗弯强度选择齿轮的模数,模数的意义,（3）分度圆压力角(齿形角),若为提高齿轮的综合强度而增大分度圆压力角时，推荐为25。,为什么？,国家标准（GB1356-88）中规定分度圆压力角为标准值为20。,分度圆压力角(齿形角)不同时，齿廓曲
12、线发生的变化,压力角为20度时,压力角为25度时,（4）齿顶高系数 齿顶高ha与模数成正比，即,称 为齿顶高系数,（5）径向间隙系数 齿根高hf 与模数成正比，即,称 为径向间隙系数或顶隙系数,轮齿间的径向间隙： 。,齿顶高系数 和径向间隙系数 均为标准值。,（6）渐开线圆柱齿轮的基本（基准）齿廓（齿形）,（1）齿条同侧齿廓为平行的直线，齿廓上各点具有相同的压力角，即为其齿形角，它等于齿轮分度圆压力角。,（3）与齿顶线平行且齿厚s等于齿槽宽e的直线称为分度线，它是计算齿条尺寸的基准线。,（2）与齿顶线平行的任一直线上具有相同的齿距 。,2渐开线标准直齿圆柱齿轮的几何尺寸,5-5 渐开线齿廓的加
13、工原理,齿轮的加工方法很多，根据其特点可以分为：,1.整体制造 铸 造 锻 造 粉末冶金 冲压 拉齿,一、齿轮加工方法,齿轮加工实例,冲压齿轮,拉刀拉齿,2.整齿制造 铣 齿 刨 齿,铣 齿,3.包络法制造 插齿 滚齿 磨齿,齿条插刀插齿,齿轮插刀插外齿,齿轮插刀插内齿,磨 齿,齿轮的一般加工工艺路线：,滚齿（插齿）,剃 齿,热处理,珩 齿,滚齿（插齿）,热处理,磨 齿,剃 齿,滚直齿轮,滚斜齿轮,一、仿形法,仿形法是利用与齿轮的齿槽形状相同的刀具直接加工出齿轮齿廓的。盘状铣刀加工齿轮时，铣刀绕自身轴线回转，轮坯沿本身轴线移动，当铣完一个齿槽后，轮坯退回原处，再用分度头将轮坯转过360/z。用
14、同样方法铣第二个齿槽，重复进行，直至铣出全部轮齿。,优点：加工简单确定：精度和效率较低,各号铣刀的齿形都是按该组内齿数最少的齿轮齿形制作的，以便加工出的齿轮啮合时不致卡住。,根据包络法形成共轭齿廓的原理，当刀具的瞬心线C1与齿轮的瞬心线C2相切作纯滚动时，与C1固结的刀具齿廓K1可以包络齿轮的齿廓K2。这种加工方法称为范成法。,二、范成法,（1）齿条型刀具的齿形,1.刀具及其齿形,用范成法切削齿轮时，常用的刀具有：齿轮插刀、齿条插刀(梳刀)和滚刀。,（2）齿轮型刀具的齿形,盘形插齿刀,碗形插齿刀,套筒形插齿刀,2.切削过程中的运动,（1）范成运动,齿轮插刀的节圆与被加工齿轮的节圆相切并作纯滚动
15、，这种运动称为范成运动。,插齿机床的传动系统使插齿刀与被加工齿轮保持范成运动。,什么是范成运动？,用齿轮插刀加工齿轮时,齿条刀具的节线与被加工齿轮的分度圆相切并作纯滚动，这种运动称为范成运动。,机床传动链应使齿条插刀与被加工齿轮保持范成运动。,用齿条刀具加工齿轮时,注意：范成运动是在完成一次切削运动后进行的。,（2）切削运动及其它运动,几个问题：,切削运动的作用是什么？ 让刀运动的作用是什么？ 进给运动的作用是什么？,3.滚齿加工的特点,齿条刀具插齿过程,（1）齿条刀插齿的缺点,齿条刀(梳刀)插齿时，由于梳刀的长度有限，在加工几个齿廓之后必须退回到原来位置，这就造成机床结构复杂且难以保证分齿精
16、度。,插齿过程中切削不连续，生产率低。,滚 刀,（2）滚齿原理,这样就可以加工出渐开线齿轮，并且可以实现连续切削提高生产效率。,把滚刀做成蜗杆形状,该蜗杆的轴截面为直线齿形,滚刀旋转时，相当于直线齿廓的齿条沿其轴线方向连续不断地移动,这是一个了不起的创造！,设想：,4.标准齿轮及变位齿轮的加工,齿条刀具为例,这种齿轮称为标准齿轮。,1）标准齿轮加工,条件：,齿条刀具的分度线与齿轮毛坯的分度圆相切,刀具移动的线速度v等于轮坯分度圆的线速度r，即v =r，亦即作纯滚动。,加工结果：,分度圆压力角等于刀具的齿形角 （为什么？）,分度圆齿厚s等于刀具分度线上的齿槽宽e （为什么？）,刀具的齿顶高等于齿轮的齿根高 （为什么？）,2）变位齿轮加工,条件：,齿条刀具的分度线不与齿轮毛坯的分度圆相切，相离或相割,刀具移动的线速度v等于轮坯分度圆的线速度r，即v =r。,
