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1、變速器齒輪設(shè)計(jì),1,引言,齒輪傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)中最重要的傳動(dòng)之一，形式很多，應(yīng)用廣泛，傳遞功率可達(dá)近十萬千瓦，其主要特點(diǎn)：效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠，壽命長、傳動(dòng)比穩(wěn)定。,2,一、齒輪材料的選取,齒輪是機(jī)械設(shè)備中應(yīng)用最常見的機(jī)械零件，其主要功能是傳遞動(dòng)力、改變運(yùn)動(dòng)速速和方向。 齒輪材料的種類很多，在選擇時(shí)應(yīng)考慮的因素很多，根據(jù)齒輪的工作條件及失效形式，要求制造齒輪的材料應(yīng)具有下列性能： 1）高的彎曲疲勞強(qiáng)度，足夠的齒心強(qiáng)度和韌性，防止疲勞、沖擊 和過載斷裂； 2）高的接觸疲勞強(qiáng)度及高的齒面硬度和耐磨性，防止齒面損傷； 3）良好的切削加工性能和熱處理工藝性能及焊接工藝性能。,3,齒輪材料的選擇

2、原則 （1）齒輪材料必須滿足工作條件的要求，這是選擇齒輪材料首先考慮的因素； （2）應(yīng)考慮齒輪尺寸的大小、毛坯成型方法及熱處理和制造工藝； （3）正火碳鋼，不論毛坯的制作方法如何，只能用于制作在載荷平穩(wěn)或輕度沖擊下工作的齒輪，不能承受大的沖擊載荷，調(diào)質(zhì)碳鋼可用于制作在 中等沖擊載荷下工作的齒輪； （4）合金鋼常用于制作高速、重載并載沖擊載荷下工作的齒輪； 汽車、拖拉機(jī)齒輪主要分裝載變速箱和差速器中，他們工作時(shí)，承受載荷大，超載和受沖擊頻繁，工作條件惡劣，目前廣泛使用的齒輪用鋼是 20CrMnTi合金滲碳鋼，該鋼具有較高的強(qiáng)度（=1100MPa），徑淬火及低溫回火后，表面硬度可達(dá)HRC5862

3、，心部硬度為HRC3045，并具有較好的切削加工性能和熱處理工藝性能，滲碳速度塊，淬火變形小，對(duì)過熱不敏感，滲碳后可直接淬火。,4,二、齒輪參數(shù)的初步確定,齒輪傳動(dòng)的主要尺寸，可按下述兩種方法來確定： （一）除受外部結(jié)構(gòu)尺寸限定外，可參照同類產(chǎn)品用類比法確定，然后再進(jìn)行強(qiáng)度校核，確定齒輪的參數(shù) 1.模數(shù)和壓力角 齒輪模數(shù)的因素很多，其中最主要的是齒輪的強(qiáng)度、質(zhì)量、傳動(dòng)噪聲、工藝要求。減小模數(shù)，增加齒寬會(huì)使傳動(dòng)噪聲降低，反之則能減輕變速器的質(zhì)量。主要從工藝要求出發(fā)，所有斜齒輪的法向模數(shù)均取mt=5mm，所有直齒輪的模數(shù)均取m=4mm。 國家規(guī)定齒輪的標(biāo)準(zhǔn)壓力角為20，所以變速器齒輪普遍采用的

4、壓力角為20。,,5,2.螺旋角 變速器斜齒輪的螺旋角一般為10 35 。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)力求使中間軸上同時(shí)工作的兩對(duì)齒輪產(chǎn)生軸向力平衡，見下圖一，因?yàn)橹虚g軸上全部齒輪的螺旋方向應(yīng)一律取為右旋，而第一、第二軸上的斜齒輪應(yīng)取為左旋，軸向力經(jīng)軸承蓋作用到殼體上。 中間軸軸向力的平衡,,6,由上圖可知，欲使中間軸上兩斜齒輪的軸向力平衡， 需滿足下述條件： Fa1=Fn1tan1 Fa2=Fn2tan2 由于傳遞的轉(zhuǎn)矩T=Fn1r1=Fn2r2,為使兩軸向力平衡，必須滿足 根據(jù)上述條件，齒輪節(jié)圓半徑r大，螺旋角要相應(yīng)取大，但實(shí)際上往往為了加工方便，所有斜齒輪采用一種螺旋角。,,7,3.各

5、擋齒輪齒數(shù)的分配 配齒的目的是確定變速器各擋齒輪的齒數(shù)，一般是在已知變速器各擋的傳動(dòng)比和選定了軸中心距以及齒輪模數(shù)等條件下配齒的，與變速器的結(jié)構(gòu)形式密切相關(guān)。 （1）計(jì)算齒輪模數(shù) 用類比法，可選一個(gè)基型變速器，其結(jié)構(gòu)和使用條件與所設(shè)計(jì)的相似，估算齒輪模數(shù)，即 式中m、mj分別為設(shè)計(jì)與基型變速器的齒輪模數(shù)； T、Tj分別為設(shè)計(jì)與基型變速器傳遞的轉(zhuǎn)矩。 （2）估算齒數(shù)和 一般變速器軸中心距是由離合器尺寸確定的。兩根軸間主、被動(dòng)齒輪的齒數(shù)和 與中心距A的關(guān)系為： 直齒： 斜齒： 齒數(shù)和只能是整數(shù)，又因齒輪對(duì)的模數(shù)相同，故各擋齒數(shù)和也相同。,,,,,,

6、8,,,,3）確定齒數(shù) 主、被動(dòng)齒輪的齒數(shù)z與z一定滿足下式 式中ib 各擋傳動(dòng)比。 所以初選中心距、齒輪模數(shù)以后，可根據(jù)變速器的擋數(shù)、傳動(dòng)比和傳動(dòng)方案來分配各擋齒輪的齒數(shù)，在確定了每級(jí)的傳動(dòng)比和中心距，進(jìn)而確定各級(jí)幾何參數(shù)。 4.齒輪幾何尺寸計(jì)算 （1）主要幾何尺寸 由計(jì)算公式 d=mz， ， ， ， 然后計(jì)算各擋齒輪的主要幾何尺寸。 （2）齒輪寬度 齒寬通常根據(jù)齒輪模數(shù)m的大小來選定，即齒寬 ， 為齒寬系數(shù)。 對(duì)直齒輪， ；對(duì)斜齒輪， 。,,,,,,,,,,,9,5齒輪強(qiáng)度 齒輪的失效形式 1.輪齒斷裂 2.齒面

7、磨損 3.齒面點(diǎn)蝕 4.齒面膠合 5.塑性變形,10,,,齒輪強(qiáng)度計(jì)算 根據(jù)變速器齒輪的損壞形式，常以接觸應(yīng)力和彎曲應(yīng)力來計(jì)算齒輪強(qiáng)度。 (1)齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算。 直齒圓柱齒輪的接觸應(yīng)力可用下列公式計(jì): 式中， F為齒面上的法向力（N），由計(jì)算載荷產(chǎn)生：為齒輪材料的彈性模量（MP）；為齒輪接觸的實(shí)際寬度（mm）；1、2為主、從動(dòng)齒輪節(jié)點(diǎn)處的曲率半徑(mm)。 (2)齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算。 直齒圓柱齒輪的彎曲應(yīng)力可用下列公式計(jì)算 式中，F(xiàn)1為圓周力，由計(jì)算載荷產(chǎn)生；K為應(yīng)力集中系數(shù)；Kf為摩擦力影響系數(shù)；b為齒寬；t為斷面齒距；Y為齒形系數(shù)。,,,11,（二）根

8、據(jù)接觸強(qiáng)度計(jì)算確定中心距a或者小齒輪的直徑d1，根據(jù)彎曲強(qiáng)度計(jì)算確定模數(shù)。 1漸開線圓柱齒輪受力分析及計(jì)算 （1）直齒受力分析 法向載荷Fn垂直于齒面，為計(jì)算方便Fn在節(jié)點(diǎn)P處分解為兩個(gè)互相垂直的分力，即圓周力Ft與Fr。,,12,公式： T1傳遞的轉(zhuǎn)矩 d1分度圓直徑 嚙合角 （2）斜齒受力分析,,,,,,13,,如圖所示： 圓周力 ， 徑向力 軸向力 由上式可知，軸向力Fa與 tan成正比，為了不使軸承受過大放入軸向力，斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)的螺旋角不宜選得過大，常在=820之間選擇。,,,,,,14,（3）按接觸強(qiáng)度初步確定中心距，并初選主要參

9、數(shù)，由機(jī)械設(shè)計(jì) 手冊(cè)查出齒面接觸疲勞極限參數(shù)和相關(guān)的系數(shù)。 直齒： 斜齒： 式中 由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查出載荷系數(shù)K，齒寬系數(shù)， 許用接觸應(yīng)力 等，初定齒數(shù)比u。 按經(jīng)驗(yàn)公式 ，求出mn。 （4）初步確定，求出齒數(shù)，再精確求出螺旋角。,,,,,,,,15,2齒輪強(qiáng)度校核 （1）校核齒面接觸疲勞強(qiáng)度 齒面疲勞強(qiáng)度的校核是針對(duì)齒面點(diǎn)蝕，由下式計(jì)算 式中：KA使用系數(shù) KV動(dòng)載系數(shù) KH、KF齒向載荷分布系數(shù) KH、KF齒間載荷分配系數(shù) ZH 節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù),,,16,Z重合度及螺旋角系數(shù) Hlim 接觸疲勞極限 Zx接觸強(qiáng)度計(jì)算的尺寸系數(shù)

10、 SHmin、SFmin最小安全系數(shù) YFS 復(fù)合齒形系數(shù) （2）齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 該強(qiáng)度校核主要式針對(duì)輪齒的折斷，同樣從機(jī)械設(shè)計(jì)手 冊(cè)查出各項(xiàng)系數(shù)，按公式計(jì)算,,,17,（3）齒輪強(qiáng)度條件 即計(jì)算安全系數(shù)均不應(yīng)小于最小安全系數(shù)。 （4）確定主要幾何尺寸 三、齒輪結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 在保證齒輪和使用壽命的前提下，盡量減小齒輪的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣 量，使得設(shè)備總重量減小及換擋操縱輕便。通常是通過改變齒輪的結(jié)構(gòu) 形式，如將齒輪加工成腹板或孔板式，來實(shí)現(xiàn)齒輪的削減。 四、齒輪精度設(shè)計(jì) 1確定齒輪的精度等級(jí) 根據(jù)齒輪具體的使用工況計(jì)算出圓周線速度，再依據(jù)手冊(cè)選擇精度 等級(jí)。,,,18,2確定齒輪副

11、側(cè)隙和齒厚偏差 3確定齒輪精度檢驗(yàn)項(xiàng)目及其公差 如：齒距累積總偏差FP、齒廓總公差F、螺旋線總公差F和徑向跳動(dòng)公差Fr。 4確定齒坯精度 齒坯的尺寸偏差和齒輪箱體的尺寸偏差對(duì)于齒輪副的接觸條件和 運(yùn)行狀況影響極大。齒坯的精度對(duì)切齒工序的精度影響極大，適當(dāng)提高 齒坯的精度，將獲得更好的經(jīng)濟(jì)性。 （1）齒輪內(nèi)孔尺寸偏差 （2）齒頂圓直徑及其偏差 （3）基準(zhǔn)面的形狀公差 （4）齒坯及齒面表面粗糙度,19,五、齒輪加工工藝過程 齒輪的加工工藝要根據(jù)具體的加工設(shè)備制定經(jīng)濟(jì)、可行的加工過程。 一般的加工過程： 下料鍛造預(yù)先熱處理粗加工最終熱處理精加工 預(yù)先熱處理的目的是改善鍛造組織，得到合適的硬度，便于切削加工。 其工藝一般為正火。最終熱處理的目的是使零件表面獲得高硬度、高耐磨性， 心部有足夠的強(qiáng)度、塑性及韌性。其工藝為滲碳、淬火加低溫回火。應(yīng)注意的 是重要齒輪的表面淬火，應(yīng)采用高頻或中頻感應(yīng)淬火，模數(shù)較大時(shí)，應(yīng)沿齒溝 加熱和淬火。 舉例 名稱：輸出齒輪 材料：20CrMnTi 熱處理技術(shù)條件：齒面滲碳淬火，滲碳層深度0.81.2mm，齒面硬度 HRC5862，心部硬度HRC3245。 加工工藝路線：下料鍛造正火加工齒形局部鍍銅（防滲）滲 碳、淬火、低溫回火噴丸磨齒。 熱處理工藝：正火、滲碳、淬火及低溫回火。,20,