汽車機(jī)械基礎(chǔ)機(jī)械工業(yè)出版社第八章齒輪傳動一、漸開線標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪傳動三、齒輪傳動的潤滑和維護(hù)二、其他齒輪傳動第一節(jié)鍵聯(lián)接及強(qiáng)度計(jì)算鍵聯(lián)接主要用于軸和軸上零件之間的周向固定,并傳遞轉(zhuǎn)矩;其次軸上零件沿軸向移動時起導(dǎo)向作用。鍵聯(lián)接可分為平鍵聯(lián)接、半圓鍵聯(lián)接、楔鍵聯(lián)接、切向鍵聯(lián)接和花鍵聯(lián)接等。第一節(jié)漸開線標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪傳動齒輪分為直齒輪、斜齒輪、錐齒輪和蝸桿蝸輪等。齒輪齒廓通常為漸開線齒廓曲線,既可以保證傳動平穩(wěn),也便于加工和安裝,而且互換性好。一、漸開線的形成及性質(zhì)1.漸開線的形成漸開線的形成如圖8-1所示。當(dāng)直線NK沿半徑為rb的圓作相切純滾動時,直線上任一點(diǎn)K的軌跡為該圓的漸開線,該圓稱為齒輪的基圓,直線NK稱為漸開線的發(fā)生線。漸開線齒輪的輪齒,就是以同一基圓上產(chǎn)生的兩條方向相反的漸開線為齒廓構(gòu)成的。圖8-1漸開線的形成

2)漸開線上K點(diǎn)的法向力Fn的方向與該點(diǎn)的線速度vk方向所夾的銳角αK,稱為漸開線在K點(diǎn)的壓力角。從基圓開始,向徑rK越大,壓力角越大;基圓上的壓力角為零,即壓力角αK反映的是漸開線輪齒的形狀。3)漸開線的形狀取決于基圓半徑的大小,基圓半徑越小,漸開線越彎曲;反之,漸開線越平直,如圖8-2所示。基圓半徑為無窮大時,漸開線成直線,即為齒條的斜直線齒廓。4)基圓內(nèi)無漸開線。二、直齒圓柱齒輪各部分名稱直齒圓柱齒輪的齒向線與軸線(或圓柱體母線)平行。圖8-3所示為外嚙合直齒圓柱齒輪傳動、內(nèi)嚙合直齒圓柱齒輪傳動和齒輪齒條傳動。

圖8-4直齒圓柱齒輪各部分名稱1—齒高2—齒根高3—齒頂高4—齒距5—齒寬6—分度圓齒槽寬7—分度圓齒厚8—齒頂圓9—分度圓10—基圓11—齒根圓(1)壓力角α在齒頂圓與齒根圓之間規(guī)定一個圓,作為計(jì)算和測量齒輪各個部分尺寸的基準(zhǔn),這個圓稱為分度圓,用d表示其直徑。分度圓上速度方向與受力方向之間所夾的銳角,稱為分度圓壓力角,用α表示。我國規(guī)定分度圓上的壓力角為標(biāo)準(zhǔn)值,其值為20°。(2)模數(shù)m模數(shù)是決定齒輪尺寸的重要參數(shù)。如圖8-4所示,分度圓的周長為πd=zp,由此得d=zp/π因π是無理數(shù),不便于計(jì)算、制造和檢驗(yàn)齒輪,故將p/π人為地規(guī)定為有理數(shù),稱為模數(shù),用m表示,單位為mm,即m=p/π于是得到d=mz模數(shù)反映了齒輪上輪齒間距的大小和輪齒的大小。模數(shù)越大,間距越大,輪齒越厚,輪齒的承載能力也越大。我國已規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)系列,見表8-1。

(3)齒數(shù)z齒輪上輪齒的總數(shù)稱為齒數(shù),反映的是齒輪的大小。模數(shù)一定,齒數(shù)越多,齒輪直徑越大;反之,齒輪直徑越小。

(5)頂隙系數(shù)c*為了保證齒輪嚙合時,不相互卡死,且留有一定的儲油空間,規(guī)定齒根高h(yuǎn)f=ha+c,c稱為頂隙。頂隙c=c*m,c*為頂隙系數(shù),其標(biāo)準(zhǔn)值為c*=0.25。

2.連續(xù)傳動條件在齒輪傳動過程中,必須保證前一對輪齒還未脫離開嚙合時,后一對輪齒已經(jīng)進(jìn)入嚙合。否則,傳動就會出現(xiàn)中斷現(xiàn)象,不能保證傳動的平穩(wěn)性。對于標(biāo)準(zhǔn)漸開線齒輪,一般都能保證連續(xù)傳動。其連續(xù)傳動條件為齒輪嚙合對數(shù)大于1,即ε>1。

圖8-5直齒圓柱齒輪傳動中心距a)外嚙合中心距b)內(nèi)嚙合中心距

四、漸開線齒輪的加工齒輪加工方法很多,如鑄造、鍛造、沖壓、熱軋、切削等,本書僅介紹其中的兩種切削加工方法。1.仿形法加工齒輪在銑床上用圓盤銑刀或指形齒輪銑刀,將輪坯部分材料切掉的方法稱為仿形法加工,這種加工方法的銑刀軸向剖面形狀與齒輪齒槽的齒廓形狀完全相同。在加工過程中,刀具繞自身軸線旋轉(zhuǎn),作切削運(yùn)動,輪坯沿被加工齒輪軸線作直線運(yùn)動,完成縱向進(jìn)給運(yùn)動,完成一個齒槽的切削后,輪坯退回原位并轉(zhuǎn)位一個齒的角度360°/z,再切削第二個齒槽,如圖8-6所示。重復(fù)這樣的過程,最終完成整個齒輪的加工。采用仿形法加工齒輪,由于分度過程存在誤差,所以用仿形法加工齒輪精度低,切削不連續(xù),且生產(chǎn)率低;但這種方法簡單,不需要專用的齒輪加工設(shè)備,因此這種方法只用于單件生產(chǎn)及精度要求不高的齒輪加工。2.展成法加工齒輪根據(jù)一對齒輪或齒輪與齒條相互嚙合的原理,將其中的一個制成刀具,在上切出能與其相互嚙合的漸開線齒廓,這種加工方法,稱為展成法加工。常用的加工刀具有齒輪插刀、齒條插刀和齒輪滾刀。(1)齒輪插刀如圖8-7a所示,插齒時,按照一對齒輪相互嚙合時的相對運(yùn)動關(guān)系,實(shí)現(xiàn)插刀和齒輪毛坯的相對轉(zhuǎn)動。為了完成切齒,插刀除沿輪坯軸向作往復(fù)切削運(yùn)動外,還應(yīng)有向中心靠近的橫向進(jìn)給運(yùn)動。(2)齒條插刀齒條插刀加工齒輪時,齒條刀具與齒輪保持嚙合的同時,還作縱向或橫向運(yùn)動,如圖8-8所示。采用上述兩種刀具加工齒輪,都需要由刀具沿輪坯軸線作往復(fù)直線運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)切削過程。因而,由于沖擊造成切削精度低,且生產(chǎn)率也低。(3)齒輪滾刀成批大量生產(chǎn)的齒輪,常采用連續(xù)切削且生產(chǎn)率高的齒輪滾刀來加工。圖8-9所示為滾刀加工齒輪,滾刀轉(zhuǎn)動時,相當(dāng)于齒條的切削刃在連續(xù)向一個方向移動。為了完成切削,滾刀還要作縱向和橫向的進(jìn)給運(yùn)動。五、輪齒的失效形式與材料選用1.輪齒的失效形式(1)輪齒折斷輪齒彎曲應(yīng)力值超過其極限值時,輪齒將在齒根發(fā)生斷裂。若輪齒是在短時過載或是在沖擊載荷作用下產(chǎn)生的折斷,稱為過載折斷,如圖8-10所示。輪齒折斷會導(dǎo)致停機(jī)甚至嚴(yán)重事故。防止折斷的措施有:限制齒根彎曲應(yīng)力、降低齒根處的應(yīng)力集中、增大模數(shù)、齒面強(qiáng)化處理、降低表面粗糙度值等。(2)齒面點(diǎn)蝕在接觸應(yīng)力長時間反復(fù)作用下,齒面形成麻點(diǎn)狀凹坑,即為齒面點(diǎn)蝕,如圖8-11所示。齒面出現(xiàn)點(diǎn)蝕后,噪聲增大,隨之形成惡性循環(huán)。防止點(diǎn)蝕的措施有:限制齒面接觸應(yīng)力、提高齒面硬度、齒面強(qiáng)化處理、選用粘度較高的潤滑油等。(3)齒面膠合承受重載作用、高速轉(zhuǎn)動,且齒面硬度較低的齒輪,在較高的壓力作用下容易發(fā)生粘著。隨著相對運(yùn)動的繼續(xù),金屬從齒面上被撕落而引起嚴(yán)重的粘著磨損,這種失效稱為齒面膠合,如圖8-12所示。防止膠合的措施有:限制齒面溫度、提高齒面硬度、選用粘度較高的潤滑油等。(4)齒面磨損齒輪傳動中落入灰塵、硬屑等顆粒物質(zhì)時,會引起齒面磨損。產(chǎn)生齒面磨損后,齒廓漸開線曲線形狀遭到破壞,造成沖擊、振動和噪聲,且齒厚變薄,從而引起輪齒因強(qiáng)度削弱而折斷,如圖8-13所示。

防止磨損的措施有:提高齒面硬度、降低表面粗糙度值、對于開式傳動采用適當(dāng)?shù)姆缐m罩等。(5)輪齒塑性變形齒面較軟的輪齒,載荷及摩擦力較大時,輪齒齒面表層的材料在嚙合過程中會沿著摩擦力的方向產(chǎn)生局部塑性變形,齒廓失去了正確的形狀,導(dǎo)致失效,如圖8-14所示。防止塑性變形的措施有:提高齒面硬度、采用較高粘度的潤滑油等。2.齒輪傳動精度為保證齒輪傳動的使用要求,國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T10095.1~2—2008和GB/T11365—1989規(guī)定漸開線圓柱齒輪和錐齒輪的精度分為12級,1級最高,12級最低,常用的精度等級為6~9級。齒輪的精度等級參考表8-3。3.齒輪常用材料和熱處理齒輪常用材料和熱處理方法見表8-4。六、直齒圓柱齒輪傳動強(qiáng)度計(jì)算輪齒常見的失效形式雖然有多種,但不同的工作環(huán)境、齒面硬度條件下,失效的可能性有主、有次,并不是都要發(fā)生或同時發(fā)生。為了保證齒輪正常工作,僅從兩方面對齒輪傳動進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算:1)疲勞接觸強(qiáng)度計(jì)算,即保證不發(fā)生點(diǎn)蝕。2)彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算,即保證不發(fā)生折斷。

式中σHlim——齒面接觸疲勞極限(見圖8-15); σFlim——齒根彎曲疲勞極限(見圖8-16); SHmin——接觸強(qiáng)度的最小安全系數(shù),其值由表8-8確定; SFmin——彎曲強(qiáng)度的最小安全系數(shù),其值由表8-8確定。圖8-15齒面接觸疲勞極限圖8-16齒根彎曲疲勞極限八、直齒圓柱齒輪傳動設(shè)計(jì)齒輪傳動設(shè)計(jì)包括:選擇齒輪材料和熱處理方式,確定主要參數(shù)、幾何尺寸、結(jié)構(gòu)形式、精度等級和繪制出零件工作圖。1.主要參數(shù)的選擇為了使齒面磨損均勻,小齒輪的齒數(shù)一般應(yīng)z1≥17~25,傳動比一般為i≤5~7。直齒圓柱齒輪的齒寬系數(shù)按表8-9查得。2.設(shè)計(jì)步驟(1)軟齒面閉式(有箱體)齒輪傳動選擇材料、熱處理方式及精度等級;合理選擇齒輪參數(shù),按接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式確定小齒輪分度圓直徑;計(jì)算齒輪的主要尺寸;校核所設(shè)計(jì)的齒輪傳動的彎曲疲勞強(qiáng)度;確定齒輪的結(jié)構(gòu);繪制齒輪的零件工作圖。(2)硬齒面閉式齒輪傳動選擇材料、熱處理方式及精度等級;合理選擇齒輪參數(shù),按彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式求出模數(shù),并圓整為標(biāo)準(zhǔn)模數(shù);計(jì)算齒輪的主要尺寸;校核所設(shè)計(jì)的齒輪傳動的接觸疲勞強(qiáng)度;確定齒輪的結(jié)構(gòu);繪制齒輪的零件工作圖。(3)開式(無箱體)傳動選擇齒輪材料、熱處理方式及精度等級;合理選擇齒輪參數(shù),按彎曲疲勞強(qiáng)度求出模數(shù),并加大10%~20%,取標(biāo)準(zhǔn)值;計(jì)算齒輪的主要尺寸;確定齒輪的結(jié)構(gòu);繪制齒輪的零件工作圖。3.直齒圓柱齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)齒輪零件的結(jié)構(gòu)包括齒圈(輪緣)、輪輻和輪轂三部分。在齒輪傳動的強(qiáng)度計(jì)算中已經(jīng)將輪緣部分的幾何尺寸確定出來了,輪輻和輪轂也要確定出來。圓柱齒輪常用的結(jié)構(gòu)形式有以下四種:(1)齒輪軸對于直徑較小的齒輪,齒根圓到輪轂孔鍵槽底部的徑向距離x<2.5m時,應(yīng)將齒輪和軸制成一體,稱為齒輪軸,如圖8-17所示。(2)實(shí)心式齒輪當(dāng)齒頂圓直徑da≥200mm,齒根圓直徑到鍵槽底部的徑向距離x>2.5m時,則可做成實(shí)心結(jié)構(gòu)的齒輪,如圖8-18所示。(3)腹板式齒輪當(dāng)齒頂圓直徑200<da≤500mm時,為了減小質(zhì)量和節(jié)約材料,應(yīng)將齒輪設(shè)計(jì)為腹板式結(jié)構(gòu),如圖8-19所示。(4)輪輻式齒輪當(dāng)齒頂圓直徑da>500mm時,齒輪的毛坯制造因受鍛壓設(shè)備的限制,常用材料為鑄鐵或鑄鋼,所以齒輪常做成輪輻式結(jié)構(gòu),如圖8-20所示。齒輪孔直徑ds要在軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中確定。第二節(jié)其他齒輪傳動其他齒輪傳動包括斜齒圓柱齒輪傳動、錐齒輪傳動和蝸桿傳動等。有關(guān)設(shè)計(jì)內(nèi)容可參考機(jī)械設(shè)計(jì)等資料。一、斜齒圓柱齒輪傳動1.斜齒圓柱齒輪的特點(diǎn)及應(yīng)用斜齒圓柱齒輪的嚙合過程不像直齒輪那樣,突然進(jìn)入或脫離嚙合,而是接觸由點(diǎn)變?yōu)榫€,逐漸進(jìn)入嚙合狀態(tài),再由線變?yōu)辄c(diǎn),逐漸脫離嚙合狀態(tài)。斜齒圓柱齒輪傳動沖擊和振動小,承載能力強(qiáng),使用壽命長,噪聲小。斜齒輪不能做滑移齒輪,一般多用于高速或傳遞大轉(zhuǎn)矩的場合。2.斜齒圓柱齒輪傳動的類型(1)斜齒圓柱齒輪傳動斜齒圓柱齒輪的齒向線與圓柱體母線之間所夾的銳角,稱為螺旋角,用β表示,一般螺旋角取為β≈8°~15°。當(dāng)兩個斜齒圓柱齒輪β1=-β2時,相嚙合的兩斜齒輪軸線在同一個平面,稱為斜齒圓柱齒輪傳動,如圖8-22a所示。圖8-22斜齒輪傳動及人字齒輪傳動a)斜齒輪傳動b)螺旋齒輪傳動c)人字齒輪傳動(2)螺旋齒輪傳動若β1≠-β2,相嚙合的兩斜齒輪軸線不在同一個平面,形成空間交錯軸齒輪傳動,也稱為螺旋齒輪傳動,如圖8-22b所示。(3)人字齒輪傳動圖8-22c所示為齒向線為人字形的人字齒輪傳動,可看成是兩個斜齒圓柱齒輪貼合在一起而成。人字齒輪承載能力大,用于大功率的載重汽車或重型機(jī)械設(shè)備中。斜齒圓柱齒輪分為左旋和右旋,可根據(jù)圖8-23所示的方法來判別。將齒輪軸線豎直放置,若齒向線左邊高,則為左旋齒輪;若齒向線右邊高,則為右旋齒輪。3.幾何尺寸計(jì)算將斜齒輪的分度圓柱展開成矩形平面,在分度圓柱面上,分度圓和齒廓曲面的交線(即螺旋線)變?yōu)橐粭l斜直線,如圖8-24所示。在分析計(jì)算斜齒輪時,常常要在垂直于齒輪軸線的端面和垂直于輪齒傾斜方向的法向進(jìn)行,而法向的參數(shù)規(guī)定為標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。因此,要在端面和法向間進(jìn)行參數(shù)的換算。在圖8-24所示的斜齒圓柱齒輪分度圓柱面的展開圖中,pn為法向齒距,pt為端面齒距,由幾何關(guān)系得pn=ptcosβ圖8-24斜齒輪分度圓柱面展開圖若mn為法向模數(shù),mt為端面模數(shù),且因p=mπ,由此得mn=mtcosβ。斜齒圓柱齒輪以法向參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)值,對斜齒圓柱齒輪進(jìn)行幾何尺寸計(jì)算時,只要將直齒圓柱齒輪幾何尺寸公式中的端面模數(shù)m=mt換算成m_n/cosβ即可。

5.連續(xù)傳動條件齒廓曲面接觸線是一條斜直線,因而斜齒輪的嚙合過程不像直齒輪那樣,突然進(jìn)入嚙合、突然脫離嚙合,而是接觸線逐漸由短變長,進(jìn)入嚙合狀態(tài),再由長變短,逐漸脫離嚙合。輪齒承受的載荷,由小變大,再由大變小。所以,斜齒圓柱齒輪傳動平穩(wěn),同時參與嚙合的齒對數(shù)多,重合度大,承載能力大。

二、錐齒輪傳動錐齒輪傳動是用來傳遞兩相交軸之間運(yùn)動和動力的空間機(jī)構(gòu)。錐齒輪傳動的類型為:直齒錐齒輪傳動,如圖8-25a所示;斜齒錐齒輪傳動,如圖8-25b所示;曲齒錐齒輪傳動等形式。錐齒輪傳動同樣具備圓柱齒輪傳動的特點(diǎn),如傳動功率范圍大、效率高、結(jié)構(gòu)緊湊等。錐齒輪傳動不同于平面機(jī)構(gòu)的圓柱齒輪傳動,是空間齒輪傳動,是用來傳遞兩相交軸之間的運(yùn)動和動力的。錐齒輪輪齒分布在截錐體上,齒形由大端到小端逐漸變小。為了計(jì)算和測量方便,通常取錐齒輪的大端參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)值。由于錐齒輪的輪齒分布在截錐體上,圓柱齒輪中有關(guān)的圓柱在錐齒輪中均相應(yīng)地變成圓錐,例如分度圓錐、齒頂圓錐、齒根圓錐等。一對錐齒輪軸間的夾角Σ稱為軸交角,可根據(jù)機(jī)械裝置的傳動要求來確定。在一般機(jī)械中,多取Σ=90°,如圖8-26a所示。一對錐齒輪傳動,由于兩輪軸線不平行,故其轉(zhuǎn)向關(guān)系不能用平行軸齒輪轉(zhuǎn)向關(guān)系判別,而只能用畫箭頭的方法確定。兩輪的轉(zhuǎn)動方向或相對,或相背。錐齒輪常用于高速重載傳動,如汽車、拖拉機(jī)、飛機(jī)中的錐齒輪傳動等。

三、蝸桿傳動1.蝸桿傳動的特點(diǎn)及應(yīng)用蝸桿傳動用于傳遞空間兩交錯軸之間的運(yùn)動和動力,兩交錯軸的軸交角通常為90°。蝸桿傳動是由少齒數(shù)、大螺旋角、分度圓直徑很小、齒寬較大、形狀像螺桿的斜齒輪,與齒頂為圓弧形、輪齒為弧齒形的斜齒輪相嚙合組成的嚙合傳動,如圖8-27所示。圖8-27蝸桿傳動a)蝸桿傳動的組成b)蝸桿傳動簡圖1—蝸桿2—蝸輪由于蝸桿的齒數(shù)很少,所以蝸桿傳動具有很大的傳動比,一般可達(dá)i=20~80,有時甚至達(dá)i=1000以上。其結(jié)構(gòu)緊湊、工作平穩(wěn)、噪聲低,也可實(shí)現(xiàn)自鎖。但蝸桿傳動存在效率低、摩擦大、產(chǎn)生熱量大的缺點(diǎn),故不適用于大功率和長時間連續(xù)工作的場合。蝸桿傳動廣泛用于各種機(jī)械設(shè)備和儀表中,常用于減速,蝸桿為主動件;若用于離心機(jī)、汽車增壓器等,蝸輪為主動件,用于增速。2.蝸桿傳動的類型蝸桿傳動的類型根據(jù)蝸桿外形的不同可分為:圖8-28a所示圓柱面蝸桿傳動、圖8-28b所示圓弧面蝸桿傳動、圖8-28c所示錐蝸桿傳動等。根據(jù)蝸桿齒面形狀的不同,圓柱面蝸桿可分為阿基米德蝸桿、漸開線蝸桿及延伸漸開線蝸桿。其中,阿基米德蝸桿因容易制造,所以得到廣泛應(yīng)用。蝸桿傳動有左旋和右旋之分、單頭和雙頭之分。蝸桿和蝸輪的輪齒旋向相同。3.蝸輪轉(zhuǎn)動方向的判別蝸輪轉(zhuǎn)動方向應(yīng)用“左、右手法則”來確定,左旋用左手,右旋用右手,四個指頭為蝸桿的回轉(zhuǎn)方向,大拇指的反方向?yàn)槲佪喸诠?jié)點(diǎn)處的速度方向,由此可判別蝸輪的轉(zhuǎn)動方向,如圖8-29所示。圖8-30所示為汽車發(fā)動機(jī)中采用的漸開線直齒圓柱齒輪,用以保證正確的配氣相位和點(diǎn)火時刻,這對齒輪,稱為正時齒輪。小齒輪用鍵安裝在曲軸的軸端,大齒輪用鍵安裝在凸輪軸的軸端,安裝時要將齒輪正時標(biāo)記對準(zhǔn),以滿足發(fā)動機(jī)點(diǎn)火要求。圖8-31所示為汽車噴油泵中采用齒條與齒輪相嚙合,以實(shí)現(xiàn)供油量的調(diào)節(jié)。圖8-31齒輪與齒條傳動的應(yīng)用a)不供油b)部分供油c)最大供油量1—