机械原理考研讲义九(齿轮机构及其设计)

第十章齿轮机构及其设计10.1本章知识点串讲本章的重点有：齿轮的齿廓曲线；渐开线齿廓啮合传动的特点；渐开线各部分的名称、符号及标准齿轮几何尺寸的计算；渐开线直齿圆柱齿轮的啮合传动的条件；变位齿轮传动的基本理论及设计计算；斜齿轮﹑蜗轮蜗杆及圆锥齿轮传动的重点是它的啮合传动及设计计算的特殊点等。【知识点1】齿轮的齿廓曲线一、渐开线的形成二、渐开线的性质当一直线沿半径为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θK称为渐开线AK段的展角。a．发生线在基圆上滚过的线段长度KN等于基圆上被滚过的圆弧长度AN，即KN=AN。b．渐开线上任一点的法线切于基圆。c．切点N为渐开线上在点K处的曲率中心，NK为K点处的曲率半径。d．基圆以内没有渐开线。e．渐开线的形状仅取决于其基圆的大小。f.同一基圆上任意两条渐开线间的法向距离相等。【知识点2】渐开线齿廓啮合传动的特点Prb1rb2ω2ω1O1O2Kr2′′r1N2N1K′渐开线齿廓能保证定传动比iOPOPrr12122121===iOPOPrr12122121===渐开线齿廓传动的特点：1．啮合线为定直线，啮合点的轨迹线——内公切线、啮合线、公法线三线合一2．啮合角为常数，啮合角：啮合线与过节点P处两节圆的内公切线之所夹锐角。——它等于两齿轮在节圆上的压力角。3．可分性【知识点3】渐开线各部分的名称、符号及标准齿轮几何尺寸的计算一、齿轮各部分的名称及符号二、渐开线标准直齿圆柱齿轮的几何尺寸1．渐开线齿轮的五个基本参数：齿数(z)，模数(m)，分度圆压力角(齿形角)，齿顶高系数ha*，径向间隙系数c*——亦称顶隙系数。（1）齿数(z)齿数根据设计需要确定，如：传动比、中心距要求、接触强度等。（2）模数(m)a.定义：模数的定义为齿距P与的比值，即m=P/b.模数的意义确定模数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；模数越大，轮齿的抗弯强度越大。（3）分度圆压力角(齿形角)：在分度圆上的受力方向线与被作用点速度方向线所夹锐角。国家标准中规定分度圆压力角为标准值为20。（4）齿顶高系数(ha*)齿顶高：ha=ha*mOda齿顶圆df齿根圆d分度圆spehfhadKpKeKsK任意圆上的齿厚任意圆上的齿槽宽任意圆上的周节h轮齿与齿槽四圆：齿顶圆(ra，da)齿根圆(rf，df)基圆(rb，db)分度圆(r，d)——设计基准圆周向度量：齿厚(s)齿槽(e)周节(p=s+e)径向度量：齿顶高(ha)齿根高(hf)全齿高(h)（5）径向间隙系数(c*)轮齿间的径向间隙：c=c*m齿顶高系数ha*和径向间隙系数c*均为标准值。正常齿标准：ha*=1，c*=0.252．渐开线标准直齿圆柱齿轮的几何尺寸名称代号公式分度圆直径dd1=mz1，d2=mz2基圆直径dbdb1=mz1cosα，db2=mz2cosα齿顶高haha=ha*m齿根高hfhf=(ha*+c*)m齿顶圆直径dada1=d1+2ha=m(z1+2ha*)，da1=d1+2ha=m(z1±2ha*)齿根圆直径dfdf1=d1-2hf=m(z1-2ha*-2c*)，df1=d1+2hf=m(z1+2ha*+2c*)周节pP=πm齿厚ss=πm/2基圆周节pbPb=πmcosα中心距aa=m(z1±z2)/2【知识点4】渐开线直齿圆柱齿轮的啮合传动的条件一、一对渐开线齿轮正确啮合的条件渐开线齿轮正确啮合的条件：两齿轮的模数和压力角对应相等。二、齿轮正确安装条件1.无齿侧间隙啮合条件：s1’=e2’;e1’=s2’2.保证两轮的顶隙为标准值：顶隙为标准值，即：c=c*m按标准中心距安装时，两齿轮的分度圆相切，即此时两轮的分度圆与节圆重合。3.啮合角与中心距啮合角α′：节点P处圆周速度方向与啮合线N1N2之间所夹锐角acosα=a’cosα′三、啮合传动过程及连续条件重合度的计算公式：式中α′为啮合角，z1，z2及αa1，αa2分别为齿轮1，2的齿数及齿顶圆压力角。如图所示，两齿轮在B2点开始进入啮合，B1点脱离啮合。B1B2实际上是理论啮合线N1N2的一段，称为实际啮合线。N1，N2称为啮合极限点。为了两齿轮能够连续地传动，必须保证在前一对轮齿尚未脱离啮合时，后一对轮齿能及时进入啮合。为此，B1B2应大于齿轮的法向齿距Pb。故连续传动的条件为：重合度ε=B1B2/pb＞1(其中为实际啮合线的长度，pb为基圆周节)ε值越大，承载能力越高，连续性和平稳性越好。重合度与模数无关，而随着齿数的增多面加大。【知识点5】根切现象及变位齿轮的基本概念一．根切现象及其避免方法1.根切现象及产生原因根切现象：因某种原因，轮齿根部的渐开线被切削掉的现象。用范成法加工渐开线齿轮过程中，有时刀具齿顶会把被加工齿轮根部的渐开线齿廓切去一部分，这种现象称为根切。根切的危害：根切将削弱齿根强度，甚至可能降低传动的重合度，影响传动质量。2.最小不根切齿数V=ωrO1rN1raωB1PrbB2ham*轮坯分度圆刀具齿顶线不产生根切条件：PN1≥PB2PN1=rsinαPB2=ha*m/sinα所以有：rsinα≥ha*m/sinαmzsinα/2≥ha*m/sinα即：z≥2ha*/sin2α当ha*=1，a=20º时，zmin=17补充：证明重合度的计算公式3.避免根切的方法——变位齿轮的提出1)提高啮合极限点N12)降低刀具齿顶线——正变位与此相反，还有所谓负变位。4．变位齿轮的几何尺寸5.切制变位齿轮时的最小变位系数若用齿条形刀具切制齿数Z≤Zmin的变位齿轮时，当刀具的齿顶线恰好与被切齿轮的啮合极限点N1重合时，即刚好不发生根切，其刀具的最小变位系数为xmin=ha*(zmin-z)/zminN1PO1B2分度圆基圆IKJmham*xm对于正变位齿轮有：s=pm/2+2KJ=(p/2+2xtgα)me=pm/2-2KJ=(p/2-2xtgα)mhf=ha*m+c*m–xm=(ha*+c*–x)mha=ha*m+xm=(ha*+x)mxmxmtgIKJ补充：证明最小变位系数公式由以上可得：x≥ha*(zmin-z)/zmin【知识点6】变位齿轮传动一、变位齿轮传动问题的提出1.避免根切产生，以减小机构尺寸2.提高小齿轮承载能力，降低小齿轮根部磨损，实现“同时失效”。变位齿轮的承载能力可比标准齿轮提高20％以上。3.凑配中心距二、变位齿轮传动1.变位齿轮传动的正确啮合条件及连续传动条件与标准齿轮传动相同2.变位齿轮传动的中心距变位齿轮传动中心距的确定也应满足无侧隙啮合和顶隙为标准值这两方面的要求。要满足无侧隙啮合，要求其一轮在节圆上的齿厚应等于另一轮在节圆上的齿槽宽，由此可推得无齿侧隙啮合方程：inva′=2tana(x1+x2)/(z1+z2)+inva两轮作无侧隙啮合时的中心距为a′，它与标准中心距之差为ym，y称为中心距变动系数，即a′＝a+ym（满足无齿侧间隙的中心距）而所以为保证两轮之间具有标准的顶隙c=c*m，则两轮的中心距应等于a″=ra1+c+rf2=r1+(h*a+x1)m+c*m+r2–(h*a+c*-x2)m=a+(x1+x2)m（满足标准径向间隙的中心距）由此可得，如果y=x1+x2，就可以同时满足上述两个条件。但是经验表明：只要x1+x2≠0，总是x1+x2y。工程上的解决办法是：两轮按无侧隙中心距a′＝a+ym安装，而将两轮的齿顶高个减短△ym，以满足标准顶隙要求。△y称为齿顶高降低系数，其值为△y＝x1+x2－y。这时有齿顶高为ha=ha*m+xm－△ym=(ha*+x－△ym)m3.变位齿轮传动的类型及其特点变位齿轮传动的特性与变位系数和x=(x1+x2)的大小及变位系数x1，x2分配有关。根据x，x1，x2的数值，可把齿轮传动分为三种基本类型。1)标准齿轮传动a.条件x=x1+x2=0，且：x1=x2=0b.特点这是变位齿轮传动的特例(变位系数等于零)；其啮合′角等于分度圆压力角，中心距a′等于标准中心距a。齿数条件：zzmin。这类齿轮传动设计简单，使用方便，可以保持标准中心距，但小齿轮的齿根较弱，易磨损。2)等变位齿轮传动（又称高度变位齿轮传动）a.条件x=x1+x2=0，但：x1=-x2≠0b.特点由于它与标准齿轮传动一样，x=0，x1=－x2，因此，‘=，a’=a，y=0，Δy=0与标准齿轮相比，其啮合角‘=不变，仅仅齿顶高和齿根高发生了变化，即：ha1=(h*a+x1)m，hf1=(h*a+c*－x1)m，故称之为高度变位齿轮传动。对于等变位齿轮传动，为有利于强度的提高，小齿轮用正变位，大齿轮用负变位，使大小齿轮的强度趋于接近，从面使齿轮的承载能力提高。齿数条件：z1+z2≥2zmin。3)不等变位齿轮传动（又称角度变位齿轮传动）条件：x=x1+x2≠0由于x=x1+x2≠0,因而其啮合角‘不再等于标准齿轮的啮合角，故称为角度变位齿轮传动。它又可分为两种情况：a.正传动x=x1+x20‘，a’a，y0，Δy0，这种齿轮传动的两分度圆不再相切而是分离ym。为保证标准径向间隙和无侧隙啮合，其全齿高应比标准齿轮缩短△ym。正传动的主要优点是：可以减小机构尺寸，减轻轮齿的磨损，提高承载能力，还可以配凑并满足不同中心距的要求。齿数条件：两齿轮齿数均可小于17。正传动的缺点是重合度减小较多。b.负传动x=x1+x20此时‘，a’a，y0，但Δy0；这种齿轮传动的两分度圆相交，它的主要优点是可以配凑不同的中心距，但是其承载能力和强度都有所下降。一般只在配凑中心距或在不得已的情况下，才采用负传动。齿数条件：z1+z234负传动的优缺点正好与正传动相反，即其重合度略有增加，但轮齿的强度有所下降，所以负传动只用于配凑中心距这种特殊需要的场合。4.变位齿轮传动的设计步骤从机械原理的角度来看，变位齿轮传动设计问题可分为以下两类：1）已知中心距的设计。这时的已知条件是z1、z2、m、、a’，其设计步骤如下：①计算啮合角，公式如下：‘=arcos[(acos)/a’]②由无侧隙啮合方程（inva′=2tana(x1+x2)/(z1+z2)+inva）确定变位系数和x1+x2=（inva′-inva）（z1+z2）/2tana③确定中心距变动变动系数y=(a’-a)/m④确定齿顶高降低系数Δy=(x1+x2)-y⑤分配变位系数x1、x2并计算齿轮的几何尺寸2）已知变位系数的设计。这时的已知条件是z1、z2、m、、x1、x2，其设计步骤如下：①计算啮合角inva′=2tana(x1+x2)/(z1+z2)+inva②确定中心距a’=acos/cos‘③确定中心距变动变动系数y及齿顶高降低系数Δyy=(a’-a)/m；Δy=(x1+x2)-y④计算变位齿轮的几何尺寸外啮合直齿圆柱齿轮传动的计算公式名称符号标准齿轮传动等变位齿轮传动不等变位齿轮传动变位系数xx1=x2=0x1=－x2x1+x2=0x1+x2≠0节圆直径d′di′=di=zim(i=1，2)di′=dicosa/cosa′啮合角a′a′=acosa′=(acosa)a′齿顶高haha=ha*mhai=(ha*+xi)mhai=(ha*+xi－Δy)m齿根高hfhf=(ha*+c*)mhfi=(ha*+c*－xi)m齿顶圆直径dadai=di+2hai齿根圆直径dfdf=di－2hfi中心距aa=(d1+d2)/2a′=(d1′+d2′)/2中心距变动系数yy=0y=(a′－a)/m齿顶高降低系数ΔyΔy=0Δy=x1+x2－y【知识点7】斜齿轮传动的特殊性下图所示为斜齿圆柱齿轮的一部分。斜齿轮的齿廓曲面与其分度圆柱面相交的螺旋线的切线与齿轮轴之间所夹的锐角（用β表示）称为斜齿轮分度圆柱上的螺旋角（简称斜齿轮的螺旋角），齿轮螺旋的旋向有左、右之分