齿轮设计过程

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2 HP
u
d 1 756
u 1
2
3
d HP
u
式中 n 由《机械设计》手册查出载荷系数K,齿宽系数φ, 许用接触应力 HP 等,初定齿数比u。 按经验公式 m n 0 . 007 ~ 0 . 02 a ,求出mn。
1
T1 9549
P
(4)初步确定β,求出齿数,再精确求出螺旋角β。
2.齿轮强度校核 (1)校核齿面接触疲劳强度 齿面疲劳强度的校核是针对齿面点蚀,由下式计算
H Z H Z E Z
Ft u 1 bd 1 u
K A K V K H K H
SH
H lim Z N Z LVR Z W Z X H
式中:KA——使用系数 KV——动载系数 KHβ 、KFβ ——齿向载荷分布系数 KHα 、KFα ——齿间载荷分配系数
F
'
Ft cos
F F tan n
'
F t tan n cos
Fn F
'
轴向力
F a Ft tan
cos n

Ft cos n cos
由上式可知,轴向力Fa与 tanβ 成正比,为了不使轴承受过大 放入轴向力,斜齿圆柱齿轮传动的螺旋角β不宜选得过大,常在 β =8°~20°之间选择。
Fn2
中间轴轴向力的平衡
由上图可知,欲使中间轴上两斜齿轮的轴向力平衡, 需满足下述条件: Fa1=Fn1tanβ 1 Fa2=Fn2tanβ 2 由于传递的转矩T=Fn1r1=Fn2r2,为使两轴向力平衡,必须满足
tan 1 tan 2 r1 r2
根据上述条件,齿轮节圆半径r大,螺旋角β 要相应取大,但实际 上往往为了加工方便,所有斜齿轮采用一种螺旋角。
影响系数;b为齿宽;t为断面齿距;Y为齿形系数。
(二)根据接触强度计算确定中心距a或者小齿轮的直径d1, 根据弯曲强度计算确定模数。 1.渐开线圆柱齿轮受力分析及计算 (1)直齿受力分析
Fr
α Ft
Fn
P
法向载荷Fn垂直于齿面,为计算方便Fn在节点P 处分解为两个互相垂直的分力,即圆周力Ft与Fr。
公式:
T1 9549 P n1
Ft
2 T1 d1
F r F t tan
Fn
Ft cos
T1——传递的转矩 d1——分度圆直径
α——啮合角
(2)斜齿受力分析
αt Ft P Fr
αn
F’
Fn
Fr
P F’ β Ft P Fa
如图所示: 圆周力 径向力
Ft 2 T1 d1
'

3)确定齿数 主、被动齿轮的齿数z与z’一定满足下式
z z
'
ib
式中ib ——各挡传动比。 所以初选中心距、齿轮模数以后,可根据变速器的挡数、传动比和传动 方案来分配各挡齿轮的齿数,在确定了每级的传动比和中心距,进而确定各 级几何参数。 4.齿轮几何尺寸计算 (1)主要几何尺寸 * * * * 由计算公式 d=mz, d a d 2 h a m,d f d 2 ( h a c ) m ,h * a 1 c 0 . 25 , 然后计算各挡齿轮的主要几何尺寸。 (2)齿轮宽度 齿宽通常根据齿轮模数m的大小来选定,即齿宽 b k c m , k c 为齿宽 系数。 对直齿轮, k c 4 . 5~ 7 . 5 ;对斜齿轮,k c 6 . 5~ 8 . 5 。
3.各挡齿轮齿数的分配 配齿的目的是确定变速器各挡齿轮的齿数,一般是在已知变速器各挡的 传动比和选定了轴中心距以及齿轮模数等条件下配齿的,与变速器的结构形 式密切相关。 (1)计算齿轮模数 m m j 3 T / T j 用类比法,可选一个基型变速器,其结构和使用条件与所设计的相似, 估算齿轮模数,即
二、齿轮参数的初步确定
齿轮传动的主要尺寸,可按下述两种方法来确定: (一)除受外部结构尺寸限定外,可参照同类产品用类比法确定,然 后再进行强度校核,确定齿轮的参数 1.模数和压力角 齿轮模数的因素很多,其中最主要的是齿轮的强度、质量、传动 噪声、工艺要求。减小模数,增加齿宽会使传动噪声降低,反之则能 减轻变速器的质量。主要从工艺要求出发,所有斜齿轮的法向模数均 取mt=5mm,所有直齿轮的模数均取m=4mm。 国家规定齿轮的标准压力角为20°,所以变速器齿轮普遍采用的压 力角为20°。
五、齿轮加工工艺过程 齿轮的加工工艺要根据具体的加工设备制定经济、可行的加工过程。 一般的加工过程: 下料→锻造→预先热处理→粗加工→最终热处理→精加工 预先热处理的目的是改善锻造组织,得到合适的硬度,便于切削加工。 其工艺一般为正火。最终热处理的目的是使零件表面获得高硬度、高耐磨性, 心部有足够的强度、塑性及韧性。其工艺为渗碳、淬火加低温回火。应注意的 是重要齿轮的表面淬火,应采用高频或中频感应淬火,模数较大时,应沿齿沟 加热和淬火。 举例 名称:输出齿轮 材料:20CrMnTi 热处理技术条件:齿面渗碳淬火,渗碳层深度0.8~1.2mm,齿面硬度 HRC58~62,心部硬度HRC32~45。 加工工艺路线:下料→锻造→正火→加工齿形→局部镀铜(防渗)→渗 碳、淬火、低温回火→喷丸→磨齿。
(3)按接触强度初步确定中心距,并初选主要参数,由《机械设计》 手册查出齿面接触疲劳极限参数和相关的系数。 直齿: 斜齿:
a 483 u 1 3 KT 1
a HP u
2
d 1 766
3
KT 1
u 1
2
d HP
KT 1
u
a 476 u 1 3
KT 1
a
式中m、mj——分别为设计与基型变速器的齿轮模数; T、Tj——分别为设计与基型变速器传递的转矩。 (2)估算齿数和 一般变速器轴中心距是由离合器尺寸确定的。两根轴间主、被动齿轮的 齿数和 z 与中心距A的关系为:
直齿:

z
2A m
斜齿:

z
2 A cos mn
齿数和只能是整数,又因齿轮对的模数相同,故各挡齿数和也相同。
b
1
2
式中, F为齿面上的法向力(N),由计算载荷产生:为齿轮材料的弹 性模量(MP);为齿轮接触的实际宽度(mm);ρ 1、ρ 齿轮节点处的曲率半径(mm)。 (2)齿根弯曲疲劳强度计算。 F 1K K f 直齿圆柱齿轮的弯曲应力可用下列公式计算 w
btY
2为主、从动
式中,F1为圆周力,由计算载荷产生;Kσ 为应力集中系数;Kf为摩擦力
SF
FE Y N Y relT Y RrelT Y X F
(3)齿轮强度条件
S H S H min
S F S F min
即计算安全系数均不应小于最小安全系数。 (4)确定主要几何尺寸 三、齿轮结构的设计 在保证齿轮和使用寿命的前提下,尽量减小齿轮的质量和转动惯 量,使得设备总重量减小及换挡操纵轻便。通常是通过改变齿轮的结构 形式,如将齿轮加工成腹板或孔板式,来实现齿轮的削减。 四、齿轮精度设计 1.确定齿轮的精度等级 根据齿轮具体的使用工况计算出圆周线速度,再依据手册选择精度 等级。
变速器齿轮设计
引言
齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一,形 式很多,应用广泛,传递功率可达近十万千瓦, 其主要特点:效率高、结构紧凑、工作可靠,寿 命长、传动比稳定。
一、齿轮材料的选取
齿轮是机械设备中应用最常见的机械零件,其主要功能是 传递动力、改变运动速速和方向。 齿轮材料的种类很多,在选择时应考虑的因素很多,根据 齿轮的工作条件及失效形式,要求制造齿轮的材料应具有下列 性能: 1)高的弯曲疲劳强度,足够的齿心强度和韧性,防止疲劳、 冲击 和过载断裂; 2)高的接触疲劳强度及高的齿面硬度和耐磨性,防止齿面损 伤; 3)良好的切削加工性能和热处理工艺性能及焊接工艺性能。
5.齿轮强度 齿轮的失效形式 1.轮齿断裂 2.齿面磨损 3.齿面点蚀 4.齿面胶合 5.塑性变形
齿轮强度计算 根据变速器齿轮的损坏形式,常以接触应力和弯曲应力来计算齿轮强度。 (1)齿面接触疲劳强度计算。 FE 1 1 ( ) 直齿圆柱齿轮的接触应力可用下列பைடு நூலகம்式计: j 0 . 418
ZH —节点区域系数

β
——重合度及螺旋角系数
σ
——接触疲劳极限 Zx——接触强度计算的尺寸系数 SHmin、SFmin——最小安全系数
Hlim
YFS ——复合齿形系数 (2)齿根弯曲疲劳强度 该强度校核主要式针对轮齿的折断,同样从《机械设计》手 册查出各项系数,按公式计算
F
Ft bm n K A K V K F K F Y FS Y
2.确定齿轮副侧隙和齿厚偏差 3.确定齿轮精度检验项目及其公差 如:齿距累积总偏差FP、齿廓总公差Fα 、螺旋线总公差Fβ 和径 向跳动公差Fr。 4.确定齿坯精度 齿坯的尺寸偏差和齿轮箱体的尺寸偏差对于齿轮副的接触条件和 运行状况影响极大。齿坯的精度对切齿工序的精度影响极大,适当提高 齿坯的精度,将获得更好的经济性。 (1)齿轮内孔尺寸偏差 (2)齿顶圆直径及其偏差 (3)基准面的形状公差 (4)齿坯及齿面表面粗糙度
2.螺旋角 变速器斜齿轮的螺旋角一般为10 °~35 °。设计时,应力求使 中间轴上同时工作的两对齿轮产生轴向力平衡,见下图一,因为中 间轴上全部齿轮的螺旋方向应一律取为右旋,而第一、第二轴上的 斜齿轮应取为左旋,轴向力经轴承盖作用到壳体上。
2
F n1
r1
β1
F R1
r2
Fa1
T
Fa2
β2
FR2
1
热处理工艺:正火、渗碳、淬火及低温回火。
齿轮材料的选择原则 (1)齿轮材料必须满足工作条件的要求,这是选择齿轮材料首先考 虑的因素; (2)应考虑齿轮尺寸的大小、毛坯成型方法及热处理和制造工艺; (3)正火碳钢,不论毛坯的制作方法如何,只能用于制作在载荷平 稳或轻度冲击下工作的齿轮,不能承受大的冲击载荷,调质碳钢可用于 制作在 中等冲击载荷下工作的齿轮; (4)合金钢常用于制作高速、重载并载冲击载荷下工作的齿轮; 汽车、拖拉机齿轮主要分装载变速箱和差速器中,他们工作时,承 受载荷大,超载和受冲击频繁,工作条件恶劣,目前广泛使用的齿轮用 钢是 20CrMnTi合金渗碳钢,该钢具有较高的强度(σ =1100MPa),径淬 火及低温回火后,表面硬度可达HRC58~62,心部硬度为HRC30~45,并 具有较好的切削加工性能和热处理工艺性能,渗碳速度块,淬火变形小, 对过热不敏感,渗碳后可直接淬火。
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