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1、變速器齒輪設(shè)計,1,引言,齒輪傳動是機械傳動中最重要的傳動之一，形式很多，應(yīng)用廣泛，傳遞功率可達近十萬千瓦，其主要特點：效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠，壽命長、傳動比穩(wěn)定。,2,一、齒輪材料的選取,齒輪是機械設(shè)備中應(yīng)用最常見的機械零件，其主要功能是傳遞動力、改變運動速速和方向。 齒輪材料的種類很多，在選擇時應(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）高的彎曲疲勞強度，足夠的齒心強度和韌性，防止疲勞、沖擊 和過載斷裂； 2）高的接觸疲勞強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、拖拉機齒輪主要分裝載變速箱和差速器中，他們工作時，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，該鋼具有較高的強度（=1100MPa），徑淬火及低溫回火后，表面硬度可達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，然后再進行強度校核，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度、質(zhì)量、傳動噪聲、工藝要求。減小模數(shù)，增加齒寬會使傳動噪聲降低，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)計時，應(yīng)力求使中間軸上同時工作的兩對齒輪產(chǎn)生軸向力平衡，見下圖一，因為中間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）計算齒輪模數(shù) 用類比法，可選一個基型變速器，其結(jié)構(gòu)和使用條件與所設(shè)計的相似，估算齒輪模數(shù)，即 式中m、mj分別為設(shè)計與基型變速器的齒輪模數(shù)； T、Tj分別為設(shè)計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、被動齒輪的齒數(shù)z與z一定滿足下式 式中ib 各擋傳動比。 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)、傳動比和傳動方案來分配各擋齒輪的齒數(shù)，在確定了每級的傳動比和中心距，進而確定各級幾何參數(shù)。 4.齒輪幾何尺寸計算 （1）主要幾何尺寸 由計算公式 d=mz， ， ， ， 然后計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)。 對直齒輪， ；對斜齒輪， 。,,,,,,,,,,,9,5齒輪強度 齒輪的失效形式 1.輪齒斷裂 2.齒面

7、磨損 3.齒面點蝕 4.齒面膠合 5.塑性變形,10,,,齒輪強度計算 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)力來計算齒輪強度。 (1)齒面接觸疲勞強度計算。 直齒圓柱齒輪的接觸應(yīng)力可用下列公式計: 式中， F為齒面上的法向力（N），由計算載荷產(chǎn)生：為齒輪材料的彈性模量（MP）；為齒輪接觸的實際寬度（mm）；1、2為主、從動齒輪節(jié)點處的曲率半徑(mm)。 (2)齒根彎曲疲勞強度計算。 直齒圓柱齒輪的彎曲應(yīng)力可用下列公式計算 式中，F(xiàn)1為圓周力，由計算載荷產(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)接觸強度計算確定中心距a或者小齒輪的直徑d1，根據(jù)彎曲強度計算確定模數(shù)。 1漸開線圓柱齒輪受力分析及計算 （1）直齒受力分析 法向載荷Fn垂直于齒面，為計算方便Fn在節(jié)點P處分解為兩個互相垂直的分力，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，斜齒圓柱齒輪傳動的螺旋角不宜選得過大，常在=820之間選擇。,,,,,,14,（3）按接觸強度初步確定中心距，并初選主要參

9、數(shù)，由機械設(shè)計 手冊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 由機械設(shè)計手冊查出載荷系數(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齒輪強度校核 （1）校核齒面接觸疲勞強度 齒面疲勞強度的校核是針對齒面點蝕，由下式計算 式中：KA使用系數(shù) KV動載系數(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接觸強度計算的尺寸系數(shù)

10、 SHmin、SFmin最小安全系數(shù) YFS 復(fù)合齒形系數(shù) （2）齒根彎曲疲勞強度 該強度校核主要式針對輪齒的折斷，同樣從機械設(shè)計手 冊查出各項系數(shù)，按公式計算,,,17,（3）齒輪強度條件 即計算安全系數(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 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，來實現(xiàn)齒輪的削減。 四、齒輪精度設(shè)計 1確定齒輪的精度等級 根據(jù)齒輪具體的使用工況計算出圓周線速度，再依據(jù)手冊選擇精度 等級。,,,18,2確定齒輪副

11、側(cè)隙和齒厚偏差 3確定齒輪精度檢驗項目及其公差 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于齒輪副的接觸條件和 運行狀況影響極大。齒坯的精度對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、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，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,