齿轮传动

 

2020-07-04 08:46

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  齿轮传动是指由齿轮副传递运动和动力的装置,它是现代各种设备中应用最广泛的一种机械传动方式。它的传动比较准确,效率高,结构紧凑,工作可靠,寿命长。

  在各种传动形式中,齿轮传动在现代机械中应用最为广泛。这是因为齿轮传动有如下特点:

  1)传动精度高。前面讲过,带传动不能保证准确的传动比,链传动也不能实现恒定的瞬时传动比,但现代常用的渐开线齿轮的传动比,在理论上是准确、恒定不变的。这不但对精密机械与仪器是关键要求,也是高速重载下减轻动载荷、实现平稳传动的重要条件。

  2)适用范围宽。齿轮传动传递的功率范围极宽,可以从0.001W到60000kW;圆周速度可以很低,也可高达150m/s,带传动、链传动均难以比拟。

  3)可以实现平行轴、相交轴、交错轴等空间任意两轴间的传动,这也是带传动、链传动做不到的。

  7)对环境条件要求较严,除少数低速、低精度的情况以外,一般需要安置在箱罩中防尘防垢,还需要重视润滑。

  根据一对齿轮传动的传动比是否恒定来分,可分为定传动比和变传动比齿轮传动。变传动比齿轮传动机构中齿轮一般是非圆形的,所以又称为非圆齿轮传动,它主要用于一些具有特殊要求的机械中。而定传动比齿轮传动机构中的齿轮都是圆形的,所以又称为圆形齿轮传动。

  定传动比齿轮传动的类型很多,根据其主、从动轮回转轴线是否平行,又可将它分为两类,即平面齿轮传动和空间齿轮传动。

  按齿廓曲线的形状不同,可分为渐开线齿轮传动、摆线齿轮传动、圆弧齿轮传动和抛物线齿轮传动等。其中渐开线齿轮传动应用最为广泛。

  按齿轮传动的工作条件不同,可分为闭式齿轮传动、开式齿轮传动和半开式齿轮传动。开式齿轮传动中轮齿外露,灰尘易于落在齿面;闭式齿轮传动中轮齿封闭在箱体内,可保证良好的工作条件,应用广泛;半开式齿轮传动比开式齿轮传动工作条件要好,大齿轮部分浸入抽池内并有简单的防护罩,但仍有外物侵入。

  根据齿面硬度不同分为软齿面齿轮传动和硬齿面齿轮传动。当两轮(或其中有一轮)齿面硬度≤350HBW时,称为软齿面传动;当两轮的齿面硬度均350HBW时,称为硬齿面传动。软齿面齿轮传动常用于对精度要求不太高的一般中、低速齿轮传动,硬齿面齿轮传动常用于要求承载能力强、结构紧凑的齿轮传动。

  齿轮传动的类型虽然很多,但渐开线直齿圆柱齿轮传动是其中最简单、最基本的类型。

  齿轮传动是靠齿与齿的啮合进行工作的,轮齿是齿轮直接参与工作的部分,所以齿轮的失效主要发生在轮齿上。主要的失效形式有轮齿折断、齿面点蚀、齿面磨损、齿面胶合以及塑性变形等。

  轮齿折断通常有两种情况:一种是由于多次重复的弯曲应力应力集中造成的疲劳折断;另一种是由于突然产生严重过载或冲击载荷作用引起的过载折断。尤其是脆性材料铸铁淬火钢等)制成的齿轮更容易发生轮齿折断。两种折断均起始于轮齿受拉应力的一侧。增大齿根过渡圆角半径、改善材料的力学性能、降低表面粗糙度以减小应力集中,以及对齿根处进行强化处理(如喷丸、滚挤压)等,均可提高轮齿的抗折断能力。

  轮齿工作时,前面啮合处在交变接触应力的多次反复作用下,在靠近节线的齿面上会产生若干小裂纹。随着裂纹的扩展,将导致小块金属剥落,这种现象称为齿面点蚀。齿面点蚀的继续扩展会影响传动的平稳性,并产生振动和噪声,导致齿轮不能正常工作。点蚀是润滑良好的闭式齿轮传动常见的失效形式。提高齿面硬度和降低表面粗糙度值,均可提高齿面的抗点蚀能力、开式齿轮传动,由于齿面磨损较快,不出现点蚀。

  轮齿啮合时,由于相对滑动,特别是外界硬质微粒进入啮合工作面之间时,会导致轮齿表面磨损。齿面逐渐磨损后,齿面将失去正确的齿形,严重时导致轮齿过薄而折断,齿面磨损是开式齿轮传动的主要失效形式。为了减少磨损,重要的齿轮传动应采用闭式传动,并注意润滑。

  在高速重载的齿轮传动中,齿面间的压力大、温升高、润滑效果差,当瞬时温度过高时,将使两齿面局部熔融、金属相互粘连,当两齿面做相对运动时,粘住的地方被撕破,从而在齿面上沿着滑动方向形成带状或大面积的伤痕,低速重载的传动不易形成油膜,摩擦发热虽不大,但也可能因重载而出现冷胶合。采用黏度较大或抗胶合性能好的润滑油,降低表面粗糙度以形成良好的润滑条件;提高齿面硬度等均可增强齿面的抗胶合能力。

  硬度较低的软齿面齿轮,在低速重载时,由于齿面压力过大,在摩擦力作用下,齿面金属产生塑性流动而失去原来的齿形。提高齿面硬度和采用黏度较高的润滑油,均有助于防止或减轻齿面塑性变形。

  齿轮传动的不同失效形式在一对齿轮上面不大可能同时发生,但却是互相影响的。例如齿面的点蚀会加剧齿面的磨损,而严重的磨损又会导致轮齿折断。在一定条件下,由于轮齿折断、齿面点蚀失效形式是主要的。因此,设计齿轮传动时,应根据实际工作条件分析其可能发生的主要失效形式,以确定相应的设计准则。

  对于闭式软齿面(硬度≤350HBW)齿轮传动.润滑条件良好,齿面点蚀将是主要的失效形式,在设计时通常按齿面接触疲劳强度设计,再按齿根弯曲疲劳强度校核。

  对于闭式硬齿面(硬度350HBW)齿轮传动,抗点蚀能力较强,轮齿折断的司能性大,在设计计算时.通常按齿根弯曲疲劳强度设计,再按齿面接触疲劳强度校核。

  开式齿轮传动,主要失效形式是齿面磨损。但由于磨损的机理比较复杂,尚无成熟的设计计算方法,故只能按齿根弯曲疲劳强度计算,用增大模数10%~20%的办法加大齿厚,使它有较长的使用寿命,以此来考虑磨损的影响。

  1)对于开式齿轮及低速(v0.8~2m/s)、轻载、不是很重要的闭式齿轮传动,可定期人工加润滑油或润滑脂。

  2)对于v=2~12m/s的闭式齿轮传动,采用浸油润滑。大齿轮浸入油池,借助齿轮传动将油带入啮合表面。对于圆柱齿轮,浸油深度以1~2个齿高为宜,最大浸油深度不超过大齿轮分度圆半径的1/3。油池中的油量与传递功率大小有关,单级传动为0.35~0.7L/kW,多级传动按级数成倍增加。当多级传动中低速级齿轮浸油深度合适,而高速级大齿轮未能浸入油中时,可采用带油轮给高速级大齿轮供油。油池深度一般不应小于30~50mm,以防止齿轮转动时将油池底部的杂质搅起,造成润滑油不洁,加剧齿面磨损。油池中应有充足的油量,以保证散热。

  3)对于v12m/s的闭式齿轮传动,宜采用喷油润滑,将一定压力的润滑油喷射到轮齿啮合面。当w≤25m/s时,喷嘴位于轮齿啮入或啮出边均可;当v≥25m/s时,喷嘴应位于啮出一边,及时冷却刚啮合后的轮齿,并进行润滑。喷油润滑供油充分、连续,宜用于高速、重载的重要齿轮传动。

  上官同英,薛培军主编;苗雅丽副主编;刘冬敏,刘继军,刘瑞娟,孟雅俊参编;胡修池审定人员

  吴宗泽,吴鹿鸣主编;李威,李德才,罗大兵,马咏梅,林光春副主编;王大康主审

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