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齿轮传动
齿轮传动
第一节概述
1-1齿轮传动的特点
齿轮传动是近代机器中应用十分广泛的一种机械传动,传递功率可达数万千瓦,圆周速度可达300m/s,直径可达20余米,单级传动可达8或更大。
它是利用主动齿轮轮齿的齿侧表面推压
从动齿轮轮齿的齿侧表面来传递运动和动力。
因此,齿轮传动是一种啮合传动。
它主要用途是给定的传动比由主动轴向从动轴传递回转运动和动力。
齿轮传动与带传动和链传动比较,其主要优点是:
a.工作可靠,使用寿命长
b.瞬时传动比恒定,工作平稳性高
c.圆周速度和传递功率范围大
d.传动效率高
e.外廓尺寸小,结构紧凑等
其主要缺点是:
a.齿轮制造需专用机床和设备,成本高
b.无过载保护功能
c.不宜于轴间短,距离较大的传动等
d.安装精度高
1-2齿轮传动的分类
一、按齿轮相对于齿轮母线的方向可分为:
直齿、斜齿、人字齿和曲线齿。
二、按齿廓曲线分:
渐开线齿、摆线齿、圆弧齿
三、按齿轮工作条件分:
闭式传动、开式传动、半开式传动
闭式传动的齿轮是封闭在箱体内并得到良好的润滑,开式传动的齿轮外漏在空气中,不能保证良好的润滑;半开式传动的齿轮浸入油池内,上装护罩,不封闭。
重要的齿轮都采用闭式传动,如减速器中的齿轮传动。
四、按齿面硬度分:
软齿面(HB≤350),硬齿面(HB>350)。
五、按两轮啮合传动时其相对运动是平面的还是空间的,又可将其分为平面齿轮、空间齿轮机构。
Ⅰ、平面齿轮机构:
用于传递两平行轴间的运动和动力。
下面简单认识一下常见的类型:
(1)、直齿圆柱齿轮:
直齿圆柱齿轮的直齿指轮齿的轮廓曲面的母线与齿轮的轴线平行。
这种齿轮又有外齿轮和内齿轮之分。
外齿轮是指轮齿分布在圆柱体的外表面上的齿轮。
内齿轮是指轮齿分布在空心圆柱体的内表面上的齿轮。
直齿圆柱齿轮传动又可以分为:
a.外啮合齿轮传动其特点是两轮的转动方向相反。
b.内啮合齿轮传动这是由一个外齿轮和一个内齿轮组成的传动,其特点是两轮的转动方向相同。
c.齿轮与齿条传动这是一个外啮合齿轮传动的一个特例,只不过其中一个外齿轮变为无限大,使得轮齿实际上分布在一条平板上的齿轮称为齿条而已。
(2)、斜齿圆柱齿轮传动:
是指齿轮的轮齿的轮廓曲面的母线与齿轮的轴线倾斜一个螺旋角。
其也有外啮合、内啮合、齿轮与齿条传动之分。
Ⅱ、空间齿轮机构
用于传递两相交轴或两交错轴之间的运动和动力。
下面简单认识一下常见的类型:
(1)圆锥齿轮传动用于两相交轴间的传动。
圆锥齿轮的轮齿分布在截圆锥体的表面上,这种齿轮形如伞,故亦称伞齿轮。
圆锥齿轮常见的有直齿与曲齿圆锥齿轮传动。
(2)蜗杆蜗轮传动用于传递交错轴间的运动和动力。
两轴之间的交错角成90°,小齿轮的齿数极少,其齿通常可绕圆柱一周以上故成螺旋状特称蜗杆,与蜗杆配对的齿轮称为蜗轮,这种传动速比很大。
第二节齿轮各部名称和尺寸
2-1齿轮常见的各部分名称、符号
1、齿顶圆:
过齿轮各齿顶端的圆。
其半径用ra、直径用da表示。
2、齿根圆:
过齿轮各齿槽底部的圆。
其半径用rf,直径用df表示。
3、齿厚:
指任意圆周上所量的轮齿的弧长称为该圆上的齿厚。
用sk表示。
4、齿间宽:
指任意圆周上所量的齿槽的弧长称为该圆上的齿间宽,用ek表示。
5、分度圆:
是一个为计算各部尺寸,选好的基准。
它是具有标准模数和标准压力角的圆。
其半径用r表示,直径用d表示。
对于标准齿轮规定分度圆上的齿厚等于齿间宽,即s=e。
6、齿顶高、齿根高:
每个轮齿被分度圆分为两部分,分度圆至顶圆之间的部分称齿顶,其径向高度称为齿顶高,用ha表示,介于分度圆与齿根圆之间的部分称为齿根,其径向高度称为齿根高,用hf表示。
7、齿全高:
轮齿在齿顶圆之齿根圆之间的径向高度,称为齿全高,用h表示。
2-2齿轮的基本参数和其啮合条件
齿轮的类型不同其基本参数也不同,其啮合条件也不一样。
齿轮的几何尺寸计算公式也有差异。
下面我们对其中最为简单的渐开线标准直齿圆柱齿轮作一介绍
一、渐开线标准直齿圆柱齿轮的基本参数
1、齿数:
齿轮整个圆周上轮齿的总数。
常用Z来表示,它是齿轮的一个重要的基本参数。
2、模数:
是齿轮尺寸计算中的一个重要基本参数,其单位是mm,齿数相同,模数愈大,齿轮的尺寸愈大,齿轮的强度也愈大,模数犹如放大机的放大倍数,在我国模数是有标准的。
3、压力角:
通常所说的压力角无特殊说明,指分度圆上的压力角α,其值也标准化了,一般取α=200(或150)。
4、齿顶高系数ha*:
径向间隙系数c*是齿轮尺寸计算中的两个基本参数,其值也已标准化。
对于正常齿制:
当m<1时,ha*=1,c*=0.35
当m≥1时,ha*=1,c*=0.25
对于短齿:
ha*=0.8,c*=0.3
二、其正确啮合条件:
两轮分度圆上模数和压力角分别相等。
三、几何尺寸计算:
齿 厚s=πm/2
齿间宽e=πm/2
齿顶高ha=ha*
齿根高hf=(ha*+c*)m
齿全高h=ha+hf=(2ha*+c*)m
分度圆d=mz
齿顶圆da=m(z+2ha*)=d+2ha(外齿轮)
da=m(z-2ha*)=d-2ha(内齿轮)
齿根圆df=d-2hf(外齿轮)
df=d+2hf(内齿轮)
中心距a=(d2+d1)/2=(z2+z1)m/2(外啮合)
a=(d2-d1)/2=(z2-z1)m/2(内啮合)
举例1
已知一标准渐开线圆柱直齿轮(外齿轮)齿顶圆直径为90mm,齿数为28齿,求这个齿轮的模数是多少?
齿厚、齿全高各多少?
举例2
已知一标准渐开线圆柱直齿轮(内齿轮)模数为3mm,齿数为28齿,求这个齿轮的分度圆、齿顶圆直径各是多少?
齿全高是多少?
第三节齿轮传动的失效形式
齿轮传动的失效形式主要是齿的折断和齿面的损坏。
齿面的损坏又分为齿面的点蚀、胶合、磨损、塑性变形等。
2-1轮齿的折断
轮齿折断一般发生在齿根部分,因为齿根处的弯曲应力最大而且有应力集中。
折断的情形有两种:
一种是在短时过载或受到冲击载荷时发生的突然折断;另一种是多次重复弯曲引起的疲劳折断。
这两种折断都始于齿的拉应力一边。
齿宽较小的直齿圆柱齿轮,齿根裂纹往往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容易因制造误差和轴的变形等原因使载荷集中在齿的一段,斜齿圆柱齿轮和人字齿轮因为接触线是倾斜的,载荷有时也要作用在一端的齿顶上,因此这些齿轮的齿根裂纹往往是从齿根沿着斜向齿顶的方向扩展,而发生轮齿的局部折断。
增大齿根圆角半径,降低表面粗糙度,可以减小应力集中;增大轴和支承刚度,对轮齿修形,可以减少偏载;以及采用喷丸,滚压等强化措施,都可以提高轮齿的抗折断能力。
2-2齿面的点蚀
润滑良好的闭式轮齿传动,当齿轮工作一段时间以后,常在轮齿的工作表面上出现疲劳点蚀。
在磨擦表面上形成麻点或材料剥落的损伤。
原因是:
在最大循环接触应力的作用下,首先在接触表面产生疲劳裂纹,润滑剂挤入裂纹促使裂纹扩展,最终导致磨擦表面材料剥落,形成痕坑。
新齿轮短期工作后,有时就会发现点蚀的痕迹。
如果继续工作,点蚀不再继续发生,或反而消失,则这种点蚀称为收敛性点蚀。
收敛性点蚀只发生在较软的齿面(HB≤350)上。
发生这种点蚀的原因是由于工作初期表面接触不够良好,在个别凸起处有很大的接触应力。
但当形成点蚀后,凸起处逐渐变平,又由于磨损,碾压等原因而使接触趋于良好,接触应力随之降低,直到小于极限值时,点蚀停止发展。
随着工作时间的延长而继续扩展的点蚀,称为扩展性点蚀。
软齿面经跑合后如果接触应力仍高于发生点蚀的极限值,就会引起扩展性点蚀。
硬齿面(HB>350)不发生收敛性点蚀,因齿面出现小凹坑后,由于材料的脆性,凹坑的边缘不会被碾平而要继续碎裂下来成为大的凹坑,一直到齿面完全破坏为止,因此是发展性的。
开式齿轮传动中见不到点蚀现象。
这是因为初期接触疲劳裂纹只发生在很薄的(15-25μm)表面上,由于齿面磨损很快,表层材料在产生疲劳裂纹前就被磨掉。
提高齿面硬度和光洁度,在许可范围内采用最大的变位系数和xε=x1+x2(增大齿轮传动的综合曲率半径)以及增大润滑油粘度与减少动载荷等,都可以提高齿面接触疲劳强度。
2-3齿面的胶合
在高速重载的齿轮传动中,常由于温度升高引起润滑的失效而导致胶合破坏。
在低速重载的齿轮传动中,由于齿面间的润滑油膜不易形成也不可能产生胶合。
载荷愈大,滑动速度愈低,齿面愈软,则一旦发生胶合,齿面损伤也就愈严重。
防止胶合的方法有:
1)采用角变位齿轮以减少啮合开始和终了时的滑动系数;
2)采用较小的模数以减少相对滑动速度;
3)在低速传动中采用粘度较大的润滑油,在高速、中速及载荷大的低速传动中采用极压润滑油(如硫化油和加入其它化学添加剂的抗胶合润滑油);
4)选择抗胶合较好的齿轮副材料;
5)采用适当的热处理或化学热处理以提高齿面硬度和齿面的抗胶合能力;
6)降低表面的粗糙度以减小磨擦系数等。
2-4齿面的塑性变形
用软钢或其它较软材料制造的齿轮,当承受重载荷时,齿面上可能局部的塑性变形。
由于摩擦力的作用,齿面的塑性变形将沿着摩擦力的方向进行,最后在从动轮的齿面上产生突起的棱脊,在主动轮齿面上形成凹沟而失去正确的齿形。
这种损坏常在低速启动和频繁过载的传动中遇到。
适当的提高齿面硬度和润滑油粘度可以防止或减轻齿面的塑性变形。
2-5齿面的磨损
齿轮磨损主要有两种:
1)由于硬的屑粒进入磨擦面间所引起的磨料磨损;2)由于表面相互磨擦所引起的研磨磨损。
在闭式齿轮传动中,如果润滑油中混有齿面磨损产生的金属屑或其它硬的屑粒就可能引起齿面的磨料磨损。
经常注意清洁润滑油,磨料磨损可以避免。
在开式齿轮传动中,特别是在多灰尘的场合下,磨料磨损是主要的损坏形式。
第四节齿轮的维护与润滑
当齿轮传动正确安装以后其使用寿命的长短,将取决于日常的维护工作,在日常的维护工作中,保证传动良好的润滑条件是一项很重要的工作,齿轮传动润滑的目的在于使啮合齿面间形成润滑油膜,以降低磨擦系数,提高传动效率和齿面承载能力,增加使用寿命,润滑油的流动还能带走大量的热量,加速齿面冷却。
齿轮传动往往由于润滑不充分或润滑油选得不合适,而造成传动件提前损坏。
1、齿轮润滑油的选择原则
选择润滑油时,主要考虑下列原则
1)齿轮的种类
对于不易形成弹性流体动力润滑(如普通圆柱蜗杆传动),或在边界润滑下工作的齿轮,一般选用粘度较大的润滑油。
2)环境温度
环境温度较低时,要选择用凝固点低的油;环境温度较高,有起火的危险时,要选用高闪点或高燃点的油;在环境温度变化较大时,要选用粘度较高的油。
3)载荷、速度与工作温度
载荷大、速度低,一般应选用粘度大的油;载荷轻、速度高,
一般应选用粘度较低的油。
在工作温度超过50-60℃的循环润滑系统中,要求油有良好的抗氧化性能;当工作温度超过100℃时,此时最好用合成油。
4)润滑方式
循环润滑、喷雾润滑与飞溅润滑一般选用粘度较低的油,以减少泵输送功率与搅油损失;间歇润滑,一般应选用粘度大的油。
当齿轮与轴承、联轴器、离合器等其它零件采用同一种润滑油时,要兼顾其它零件的要求。
5)传动级数
多级传动常按低速级的要求选择油的粘度,必要时可用分隔油池,分别选用不同粘度的油。
6)工作环境
当环境潮湿,或有水侵入或有腐蚀介质时,要考虑防锈、抗乳化、抗氧化的要求。
2、齿轮润滑的方式
开式齿轮传动常用人工定期润滑的方式涂抹和充填润滑脂。
闭式齿轮传动的润滑方式取决于齿轮的圆周速度。
当v<12m/s时,采用浸油润滑方式。
即将大齿轮浸入油池中,传动时将油带入啮合齿轮面间。
圆柱齿轮的浸油深度一般为一个齿高,但也不应小于10mm。
圆锥齿轮的浸油深度则为全齿宽。
当齿轮的圆周速度v>12m/s时,不宜采用浸油润滑方式。
这是因为大齿轮从油池中带出的润滑油来不及到达啮合齿面处就已在离心力的作用下飞离齿面,起不到润滑的作用,而且剧烈的搅动能使油池底部的沉杂物浮起,造成齿面磨料磨损,并使润滑油氧化变质。
因此,应改用压力喷油润滑,即由专用油泵或供油系统以一定压力将润滑油喷在啮合齿面间。
当v≤25m/s时,喷嘴位于啮合边或啮出边即可,当v≥25m/s时,喷嘴位于啮出边对齿面的冷却效果较好。
第五节齿轮传动机构的装配技术要求
对齿轮传动机构的装配技术要求(装配的技术要求,决定了传动装置的用途和精度)
1、齿轮孔与轴配合要适当,不得有偏心或歪斜现象。
1)齿轮与轴的装配
齿轮在轴上可以空转、滑移或轴固定连接
①空转或滑移的齿轮、与轴主动配合,装配后,齿轮在轴上不得有晃动现象。
②固定齿轮,通常与轴有少量过盈配合,如过盈量不大,可用手工工具敲击压装,过盈量较大的用压力机压装。
2)轮装在轴上的常见误差有:
齿轮偏心(径向跳动)、歪斜(端面摆动)和端面未紧贴轴肩
2、保证齿轮有准确的安装中心距和适当的齿侧间隙。
间隙过小,齿轮转动不灵活,甚至卡齿,会加剧齿面的磨损。
间隙过大,换向空程大,而且会产生冲击。
3、保证齿面有一定的接触面积和正确的接触部位。
接触面积和接触部位是互相关联的,接触部位不正确,同时也反映了两啮合齿轮的相互位置误差。
4、滑动齿轮不应有啃齿和阻滞现象,变换机构应保证准确的定位。
5、对转速高的大齿轮,装配在轴上后,还应做平衡检查,以避免过大震动。
第六节齿轮传动副的鉴定、修理及装配
1、齿轮不得有断齿,齿面不得有裂纹和剥落等现象。
2、齿面出现早期点蚀,如不再发展仍可继续使用。
但发现下列情况之一的,必须更换。
a、点蚀区高度为齿高的100%;
b、点蚀区高度为齿高的30%,长度为齿高的40%;
c、点蚀区高度为齿高的70%,长度为齿高的10%。
3、齿面不得有严重胶合(即胶合区达到齿高的1/3,齿长的1/2)。
4、齿面出现轻微磨损可继续使用,但不得超过下列规定
a、硬齿面齿轮,齿面磨损达到硬化层的40%;
b、软齿面磨损量达到齿厚的5%;
c、开式齿轮齿厚磨损达原齿厚的10%。
5、出现齿轮磨损、超限、断齿、齿面裂纹、齿面剥落等现象,一般采用更新齿轮的方法来恢复其传动精度。
6、对于大模数齿轮的轮齿局部崩裂,经技术负责人批准可用气焊把金属熔化堆积在损坏的部分,然后经过回火,再按图样加工齿形。
7、齿轮轴孔的磨损,经技术负责人同意后,可采用堆焊后机加工的方法恢复其配合精度。
加工后应符合图样要求。
8、新更换和修复的齿轮副的啮合,接触斑点面积应符合《煤矿机电设备检修质量标准》的规定。
9、更换齿轮时,应装一对检查一对,对弧齿、锥齿应按制造标记成对更换。
10、滑动的内花键齿轮,装配后应能在花键轴上灵活平稳的滑动。
11、齿轮装完后,用人力盘动检查,转动应灵活,平稳无异响。
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