《齿轮与传动》课件

齿轮与传动课件PPT本课程将系统地介绍齿轮传动的基础理论、设计方法和工程应用通过50个专题的深入学习，我们将从齿轮的基本概念出发，全面掌握齿轮传动的工作原理、设计计算、制造工艺以及在现代工程中的广泛应用齿轮传动作为机械工程中最重要的传动方式之一，在汽车、航空、工程机械、精密仪器等领域发挥着不可替代的作用掌握齿轮传动知识是每位机械工程师必备的基本技能课程导入与目标12齿轮传动的重要地位学习目标设定齿轮传动是机械传动中应用最广泛、传动比最精确的传动掌握齿轮传动基本理论，具备齿轮传动设计计算能力，了形式，在现代工业中占据核心地位解现代齿轮制造技术34课程结构安排实践能力培养从基础概念到工程应用，循序渐进地构建完整的齿轮传动结合工程案例分析，培养学生解决实际工程问题的能力和知识体系创新思维齿轮传动基本概念基本定义应用领域齿轮传动是利用两个或多个齿轮的轮齿相互啮合来传递运动和动齿轮传动在汽车变速器、工业减速器、精密机床、航空发动机、力的机械传动它能够改变转速、扭矩和运动方向，是机械装备风力发电机组等领域都有重要应用中的核心组件从微型手表机芯到大型船舶推进系统，齿轮传动的身影无处不齿轮传动具有传动比准确、效率高、结构紧凑、工作可靠等特在，体现了其在现代机械工程中的重要价值点，广泛应用于各种机械设备中齿轮传动的历史与发展1古代起源公元前300年左右，古希腊数学家阿基米德发明了最早的齿轮装置古代中国在汉代就有了齿轮的记录，用于天文仪器和水力机械2工业革命18-19世纪工业革命期间，齿轮制造技术快速发展蒸汽机的出现推动了精密齿轮的需求，齿轮加工机床不断完善3现代发展20世纪以来，计算机技术和精密制造技术的发展使齿轮设计和制造达到前所未有的精度水平，新材料和表面处理技术不断涌现齿轮传动的主要类型总览直齿圆柱齿轮斜齿圆柱齿轮人字齿轮齿线平行于轴线，制造齿线与轴线成螺旋角，消除轴向力，适用于重简单，应用广泛传动平稳，噪声低载高速传动锥齿轮用于相交轴间的传动，改变传动方向直齿圆柱齿轮传动结构特点工作原理直齿圆柱齿轮的齿线与轴线平通过轮齿的啮合实现运动和动力行，齿面为直面结构简单，制传递啮合过程中齿面接触线为造容易，成本较低，是最基本的一条直线，传动平稳性相对较齿轮类型差主要应用广泛应用于低速、中等载荷的传动场合，如机床主轴箱、汽车变速器低速挡、各种减速器等设备中斜齿圆柱齿轮传动螺旋角概念斜齿轮的齿线与轴线成一定角度β，称为螺旋角，通常取8°-20°传动优势啮合线为斜线，重合度大，传动平稳，噪声低，承载能力比直齿轮高轴向力产生斜齿轮啮合时产生轴向力，需要轴承承受，对支承结构要求较高应用场合适用于高速、重载、要求低噪声的传动，如汽车变速器、精密机床等人字圆柱齿轮传动轴向力平衡承载能力强由两个相反螺旋角的斜齿轮组成，轴向保持斜齿轮传动平稳的优点，同时承载力相互抵消，消除轴向力的影响能力更强，适用于重载工况典型应用制造精度要求广泛应用于大型减速器、船舶推进装制造和装配精度要求高，成本相对较置、重型机械设备等高重载场合高，主要用于重要的传动装置内啮合齿轮传动工作原理内齿轮的齿向内，与外齿轮内啮合传动两齿轮转向相同，结构紧凑，传动比范围大内啮合齿轮传动具有良好的润滑条件和较高的传动效率结构特点内齿轮制造较为复杂，需要专用的插齿或拉齿设备齿根厚度较薄，抗弯强度相对较低，需要特别注意强度设计行星齿轮系统内啮合齿轮是行星齿轮传动的核心组件，与太阳轮、行星轮组成复杂的传动系统，实现大传动比和多种运动组合齿轮齿条传动运动转换实现旋转运动与直线运动的相互转换机床应用广泛用于机床进给系统和数控机床高精度传动3测量装置、精密定位系统的理想选择汽车转向汽车转向机构的核心传动部件升降系统电梯、升降平台等垂直传动装置锥齿轮传动轴线相交传动用于两相交轴之间的传动，通常轴线夹角为90°汽车差速器汽车差速器的核心部件，实现转弯时内外轮差速制造复杂性齿面为锥面，制造和测量较圆柱齿轮复杂弧齿与圆弧齿轮2制造工艺需要专用的弧齿锥齿轮加工机床，工艺复杂，精度要求高，成本相对较高弧齿锥齿轮齿线为圆弧形，啮合性能优于直齿锥齿轮，1传动平稳性好，承载能力强应用领域适用于高载荷、低速或中速的重要传动装置，如重型机械、矿山设备等3蜗轮蜗杆传动80:190%0°大传动比传动效率自锁角度单级传动比可达80:1甚至更大良好润滑条件下效率可达90%螺旋角小于摩擦角时具有自锁能力齿轮的基本参数参数名称符号定义单位模数m分度圆周长与mm齿数的比值除以π齿数z齿轮圆周上的个轮齿总数分度圆直径d d=m×z mm压力角齿廓法线与切度α点速度方向的夹角螺旋角斜齿轮齿线与度β轴线的夹角渐开线齿廓原理基圆概念渐开线由基圆上的直线展开生成渐开线性质具有共轭性和可分性优良特性标准化应用国际标准采用渐开线齿廓制造优势便于加工和测量，互换性好传动比的概念及计算传动比定义计算实例传动比i是主动轮转速n1与从动轮转速n2的比值，即i=例如，主动轮有20个齿，从动轮有60个齿，则传动比i=n1/n2传动比反映了齿轮传动改变转速的能力，是齿轮传动设60/20=3这意味着主动轮转3圈，从动轮转1圈，同时扭矩放计的重要参数大3倍传动比也可以用齿数表示i=z2/z1，其中z1为主动轮齿数，在多级齿轮传动中，总传动比等于各级传动比的乘积i总=i1z2为从动轮齿数这个关系在齿轮设计中经常使用×i2×i3×...×in齿轮传动的优缺点主要优点传动比恒定准确，传动效率高达95-99%，结构紧凑，工作可靠，寿命长，适用的功率和速度范围广噪声问题高速运转时产生噪声和振动，特别是直齿轮，需要采用斜齿轮或其他降噪措施润滑要求需要良好的润滑条件，否则容易磨损和胶合，影响传动效率和使用寿命制造精度对制造和安装精度要求较高，成本相对较大，不适合远距离传动齿轮副的啮合原理齿轮的常用材料中碳钢合金钢铸铁非金属材料45钢是最常用的齿轮40Cr、20CrMnTi等HT

200、QT600等工程塑料、尼龙等非金材料，经调质处理后具合金钢，经过渗碳淬火铸铁材料，成本低，减属材料，重量轻，噪声有良好的综合机械性处理，齿面硬度高，心振性好，适用于低速大低，耐腐蚀，适用于轻能，适用于中等载荷的部韧性好，适用于重载齿轮和开式齿轮传动载和特殊环境齿轮齿轮齿轮的热处理工艺渗碳工艺将低碳钢齿轮在渗碳介质中加热，使碳原子渗入齿面，形成高碳层渗碳层深度通常为

0.8-

1.5mm，可显著提高齿面硬度和耐磨性淬火处理将齿轮加热到临界温度以上，然后快速冷却，使齿面获得马氏体组织，硬度可达HRC58-62，大幅提高齿面强度回火工艺淬火后进行低温回火，消除内应力，稳定组织，保持高硬度的同时提高韧性，防止齿轮在使用中开裂齿轮传动的润滑润滑脂润滑固体润滑适用于不便经常加油的场合，二硫化钼、石墨等固体润滑密封性好，但散热性差，主要剂，适用于高温、高真空等特润滑油润滑用于轻载低速齿轮殊工况环境喷射润滑适用于封闭式齿轮箱，润滑效高速齿轮采用喷射润滑，确保果好，散热性能优良，是最常充分润滑和有效散热，延长齿用的润滑方式轮使用寿命典型齿轮结构形式整体式结构组合式结构毂式结构齿轮与轴制成一体，强度高，对中性齿圈与轮毂分别制造后组合，可选用齿轮通过键、花键或过盈配合与轴连好，但材料利用率低，加工困难主不同材料，便于加工和装配大齿轮接，拆装方便，应用最为广泛，适合要用于小齿轮或重要传动部位多采用这种结构形式各种尺寸的齿轮齿轮常见失效形式齿面点蚀与胶合点蚀形成机制胶合产生原因点蚀是齿面疲劳破坏的一种形式，由于齿面反复承受接触应力，胶合是由于齿面间油膜破裂，金属直接接触摩擦而产生的粘附磨在应力集中部位产生微裂纹裂纹逐渐扩展，最终导致齿面材料损高速重载、润滑不良、齿面粗糙度大都容易引起胶合剥落，形成麻点状凹坑防止措施包括选用适当的润滑油，提高齿面硬度和光洁度，采点蚀通常首先出现在节线附近，因为该处滑动速度小，油膜厚度用添加剂改善润滑油的极压性能，合理设计齿轮参数薄，应力集中严重初期点蚀有时可以自行停止发展剥落与断齿原因分析疲劳剥落长期变载荷作用下的材料疲劳应力集中齿根圆角过小导致应力集中材料缺陷夹杂物、气孔等冶金缺陷过载冲击超载运行或冲击载荷作用设计优化改善齿根过渡圆角，选用优质材料齿轮的强度设计原理弯曲强度计算齿根弯曲强度是齿轮设计的关键，按照齿轮在最大载荷作用下齿根处的弯曲应力不超过材料许用应力进行设计接触强度验算齿面接触强度关系到齿面疲劳寿命，需要验算齿面接触应力不超过材料许用接触应力安全系数选择根据齿轮的重要性、工作条件和材料性能选择合适的安全系数，一般取

1.3-

2.0参数优化通过调整模数、齿数、齿宽等参数，在满足强度要求的前提下实现结构最优化齿轮强度计算步骤1确定基本参数根据传动要求确定传动比、功率、转速等基本参数，选择齿轮类型和材料考虑工作环境和使用条件，确定设计准则2初步设计计算按照弯曲强度或接触强度进行初步设计，确定齿轮的基本几何尺寸计算模数、中心距、齿宽等主要参数3强度校核验算对初步设计结果进行弯曲强度和接触强度校核，检查是否满足强度要求必要时调整设计参数4结构设计优化完成齿轮的详细结构设计，包括轮毂、腹板、键槽等进行工艺性和经济性分析，最终确定设计方案误差对齿轮工作性能影响精度等级与检测方法精度等级应用场合检测项目常用仪器3-4级精密机床、航齿距、齿形、齿轮测量中心空螺旋线5-6级汽车变速器齿距偏差、齿双啮测量仪形偏差7-8级一般机械公法线长度变公法线千分尺动9级以下农机、工程机齿厚、跳动齿厚卡尺、百械分表齿轮制造工艺流程毛坯成型根据齿轮大小选择锻造、铸造或棒料切削等方法制备毛坯大齿轮多采用锻造，小齿轮可用棒料直接加工毛坯质量直接影响最终产品性能粗加工进行车削、铣削等机械加工，加工出齿轮的基本外形包括外圆、内孔、端面的粗加工，为后续精加工留出适当余量齿形加工采用滚齿、插齿、剃齿等专用设备加工齿形选择合适的加工方法取决于齿轮尺寸、精度要求和生产批量热处理与精加工进行调质、渗碳淬火等热处理，然后进行磨齿、珩齿等精加工，最终达到设计精度要求滚齿与插齿工艺滚齿工艺插齿工艺滚齿是用滚刀按展成法加工齿轮的方法滚刀与工件作啮合运插齿是用插齿刀按展成法加工齿轮的方法插齿刀作往复直线运动，逐渐展成齿形适用于加工外齿轮，生产效率高，精度较动进行切削，同时与工件作啮合滚动可以加工内、外齿轮好滚齿可以加工直齿、斜齿圆柱齿轮，对于斜齿轮需要附加差动机插齿特别适合加工内齿轮和多联齿轮，以及接近齿轮处有台肩的构滚齿适合大批量生产，设备投资相对较少外齿轮生产效率低于滚齿，但适应性强齿轮的磨齿加工1高精度要求磨齿是齿轮加工的精加工工序，可以获得很高的尺寸精度和表面质量，齿轮精度可达4-6级硬齿面加工磨齿是加工淬硬齿面的主要方法，可以消除热处理变形，保证齿轮的最终精度磨削方法包括成形磨齿和展成磨齿两种方法，展成磨齿精度高但效率低，成形磨齿效率高但精度相对较低4应用场合主要用于高精度齿轮，如航空发动机齿轮、精密机床齿轮、高速汽车变速器齿轮等齿轮的修形与修缘齿向修形齿形修形修缘效果沿齿宽方向对齿形进行对渐开线齿廓进行修有效降低传动噪声，减微量修正，补偿制造误正，包括齿顶修缘和齿少动载荷，提高传动平差和变形，改善载荷分根修圆，减少啮入啮出稳性和齿轮使用寿命布冲击计算方法采用有限元分析和动力学仿真确定最佳修形量，实现齿轮性能优化齿轮传动的动平衡不平衡危害不平衡检测高速运转时不平衡会产生离心力，引起使用动平衡机检测齿轮的不平衡量，确振动、噪声，影响精度和寿命定不平衡的大小和位置平衡等级平衡校正4根据齿轮的转速和精度要求选择相应的通过去重或加重的方法消除不平衡，常平衡等级，高速齿轮要求更高用钻孔去重或焊接配重块齿轮箱典型结构封闭式齿轮箱开式齿轮传动齿轮完全封闭在箱体内，润滑条齿轮暴露在外，润滑条件差，多件好，防护性强，传动效率高用于低速重载场合如球磨机、广泛应用于减速器、变速器等设回转窑等大型设备结构简单，备箱体通常采用铸铁或钢板焊安装维修方便，但效率较低接结构半开式齿轮传动齿轮有部分防护罩，介于开式和封闭式之间适用于中等载荷和速度的场合，在保证一定防护的同时降低成本行星齿轮机构原理太阳轮位于中心的小齿轮，通常作为输入端行星轮围绕太阳轮公转并自转的齿轮组内齿圈外围的内齿轮，与行星轮啮合行星架支撑行星轮的构件，通常作为输出端变速器与齿轮系统典型工程应用风电齿轮箱1:100增速比将叶轮低速转动增速到发电机所需转速年20设计寿命在恶劣环境下保证长期可靠运行5MW功率等级现代海上风电机组的典型功率水平99%可靠性要求极高的可靠性要求，故障率必须很低典型工程应用机床主传动超高精度1精度等级达到4-5级，保证加工质量高刚性设计传动系统刚性要求极高，减少变形宽调速范围满足不同加工工艺的转速需求低振动噪声保证加工环境和表面质量要求长期稳定性长时间连续工作的可靠性保证齿轮在自动化设备的应用新型齿轮材料与表面工程1先进钢材超低碳贝氏体钢、粉末冶金钢等新材料，具有更高的强度和韧性，延长齿轮使用寿命2陶瓷齿轮氮化硅、碳化硅等工程陶瓷制造的齿轮，耐高温、耐腐蚀、密度小，适用于特殊工况3表面涂层TiN、DLC等薄膜涂层技术，显著提高齿面硬度和耐磨性，减少摩擦系数4激光强化激光熔凝、激光冲击强化等表面改性技术，改善齿面组织和残余应力分布齿轮现代设计软件应用参数化设计有限元分析动力学仿真使用SolidWorks、ANSYS、ABAQUS等ADAMS、RecurDynUG等三维软件进行齿软件进行应力分析，优等多体动力学软件分析轮参数化建模，快速生化齿轮结构设计，预测齿轮传动系统的动态特成各种齿轮几何模型疲劳寿命性专业软件KISSsoft、GearTeq等齿轮专业设计软件，集成完整的齿轮设计计算功能打印齿轮制造3D技术优势技术挑战3D打印技术能够制造复杂几何形状的齿轮，包括内部冷却通材料性能还无法完全达到传统金属齿轮的水平，表面质量需要后道、减重结构等传统加工难以实现的特征快速原型制作，缩短处理改善精度有限，高精度齿轮仍需传统机械加工开发周期生产效率相对较低，目前主要用于原型验证和特殊应用随着技对于小批量、个性化齿轮生产具有成本优势可以实现复杂的修术发展，未来在航空航天等领域有广阔应用前景形和优化设计，提高齿轮性能齿轮传动的未来发展趋势高速化发展随着设备功率密度要求提高，齿轮传动向更高转速发展，需要解决高速下的动平衡、润滑和散热问题智能化监测集成传感器进行状态监测，实时诊断齿轮健康状况，预测维护需求，提高设备可靠性小型化趋势在保证强度的前提下减小齿轮体积和重量，满足便携设备和空间受限应用的需求绿色环保开发环保润滑剂，提高传动效率，减少能耗，发展可回收材料，响应可持续发展要求齿轮与链传动、带传动比较传动类传动比效率中心距维护噪声型齿轮传恒定精95-99%严格要润滑要相对较动确求求高大链传动基本恒92-96%可调范需定期较大定围大调整带传动略有变85-95%变化范维护简很小化围大单齿轮失效案例分析失效现象分析某风电齿轮箱运行18个月后出现异常振动，检查发现齿面剥落原因调查金相分析发现材料夹杂物超标，热处理工艺不当导致硬度不均改进措施改进材料供应商，优化热处理工艺，加强质量检测控制齿轮使用中的维护与保养温度监控噪声振动监测监测齿轮箱运行温度，异常升温及时查找原因，保持良好的定期检测齿轮传动的噪声和振润滑管理散热条件动水平，异常时及时停机检查定期检修定期检查润滑油质量和油位，按计划进行拆检，检查齿面磨按规定周期更换润滑油，选用损情况，及时更换磨损超限的合适粘度的润滑油齿轮。