齒輪傳動是指由齒輪副傳遞運動和動力的裝置,它是現代各種設備中應用廣泛的一種機械傳動方式。它的傳動比較準確,效率高,結構緊湊,工作可靠,壽命長。
在各種傳動形式中,齒輪傳動在現代機械中應用為廣泛。這是因為齒輪傳動有如下特點:
1)傳動精度高。前面講過,帶傳動不能保證準確的傳動比,鏈傳動也不能實現恒定的瞬時傳動比,但現代常用的漸開線齒輪的傳動比,在理論上是準確、恒定不變的。這不但對精密機械與儀器是關鍵要求,也是高速重載下減輕動載荷、實現平穩傳動的重要條件。
2)適用范圍寬。齒輪傳動傳遞的功率范圍極寬,可以從0.001W到60000kW;圓周速度可以很低,也可高達150m/s,帶傳動、鏈傳動均*。
3)可以實現平行軸、相交軸、交錯軸等空間任意兩軸間的傳動,這也是帶傳動、鏈傳動做不到的。
4)工作可靠,使用壽命長。
5)傳動效率較高,一般為0.94~0.99。
6)制造和安裝要求較高,因而成本也較高。
7)對環境條件要求較嚴,除少數低速、低精度的情況以外,一般需要安置在箱罩中防塵防垢,還需要重視潤滑。
8)不適用于相距較遠的兩軸問的傳動。
9)減振性和抗沖擊性不如帶傳動等柔性傳動好。
齒輪傳動的類型很多,按照不同的分類方法可分為不同的類型。
1.按傳動比
根據一對齒輪傳動的傳動比是否恒定來分,可分為定傳動比和變傳動比齒輪傳動。變傳動比齒輪傳動機構中齒輪一般是非圓形的,所以又稱為非圓齒輪傳動,它主要用于一些具有特殊要求的機械中。而定傳動比齒輪傳動機構中的齒輪都是圓形的,所以又稱為圓形齒輪傳動。
定傳動比齒輪傳動的類型很多,根據其主、從動輪回轉軸線是否平行,又可將它分為兩類,即平面齒輪傳動和空間齒輪傳動。
2.按齒廓形狀
按齒廓曲線的形狀不同,可分為漸開線齒輪傳動、擺線齒輪傳動、圓弧齒輪傳動和拋物線齒輪傳動等。其中漸開線齒輪傳動應用為廣泛。
3.按工作條件
按齒輪傳動的工作條件不同,可分為閉式齒輪傳動、開式齒輪傳動和半開式齒輪傳動。開式齒輪傳動中輪齒外露,灰塵易于落在齒面;閉式齒輪傳動中輪齒封閉在箱體內,可保證良好的工作條件,應用廣泛;半開式齒輪傳動比開式齒輪傳動工作條件要好,大齒輪部分浸入抽池內并有簡單的防護罩,但仍有外物侵入。
4.按齒面硬度
根據齒面硬度不同分為軟齒面齒輪傳動和硬齒面齒輪傳動。當兩輪(或其中有一輪)齒面硬度≤350HBW時,稱為軟齒面傳動;當兩輪的齒面硬度均>350HBW時,稱為硬齒面傳動。軟齒面齒輪傳動常用于對精度要求不太高的一般中、低速齒輪傳動,硬齒面齒輪傳動常用于要求承載能力強、結構緊湊的齒輪傳動。
齒輪傳動的類型雖然很多,但漸開線直齒圓柱齒輪傳動是其中簡單、基本的類型。
齒輪傳動是靠齒與齒的嚙合進行工作的,輪齒是齒輪直接參與工作的部分,所以齒輪的失效主要發生在輪齒上。主要的失效形式有輪齒折斷、齒面點蝕、齒面磨損、齒面膠合以及塑性變形等。
1.輪齒折斷
輪齒折斷通常有兩種情況:一種是由于多次重復的彎曲應力和應力集中造成的疲勞折斷;另一種是由于突然產生嚴重過載或沖擊載荷作用引起的過載折斷。尤其是脆性材料(鑄鐵、淬火鋼等)制成的齒輪更容易發生輪齒折斷。兩種折斷均起始于輪齒受拉應力的一側。增大齒根過渡圓角半徑、改善材料的力學性能、降低表面粗糙度以減小應力集中,以及對齒根處進行強化處理(如噴丸、滾擠壓)等,均可提高輪齒的抗折斷能力。
2.齒面點蝕
輪齒工作時,前面嚙合處在交變接觸應力的多次反復作用下,在靠近節線的齒面上會產生若干小裂紋。隨著裂紋的擴展,將導致小塊金屬剝落,這種現象稱為齒面點蝕。齒面點蝕的繼續擴展會影響傳動的平穩性,并產生振動和噪聲,導致齒輪不能正常工作。點蝕是潤滑良好的閉式齒輪傳動常見的失效形式。提高齒面硬度和降低表面粗糙度值,均可提高齒面的抗點蝕能力、開式齒輪傳動,由于齒面磨損較快,不出現點蝕。
3.齒面磨損
輪齒嚙合時,由于相對滑動,特別是外界硬質微粒進入嚙合工作面之間時,會導致輪齒表面磨損。齒面逐漸磨損后,齒面將失去正確的齒形,嚴重時導致輪齒過薄而折斷,齒面磨損是開式齒輪傳動的主要失效形式。為了減少磨損,重要的齒輪傳動應采用閉式傳動,并注意潤滑。
4.齒面膠合
在高速重載的齒輪傳動中,齒面問的壓力大、溫升高、潤滑效果差,當瞬時溫度過高時,將使兩齒面局部熔融、金屬相互粘連,當兩齒面做相對運動時,粘住的地方被撕破,從而在齒面上沿著滑動方向形成帶狀或大面積的傷痕,低速重載的傳動不易形成油膜,摩擦發熱雖不大,但也可能因重載而出現冷膠合。采用黏度較大或抗膠合性能好的潤滑油,降低表面粗糙度以形成良好的潤滑條件;提高齒面硬度等均可增強齒面的抗膠合能力。
5.齒面塑性變形
硬度較低的軟齒面齒輪,在低速重載時,由于齒面壓力過大,在摩擦力作用下,齒面金屬產生塑性流動而失去原來的齒形。提高齒面硬度和采用黏度較高的潤滑油,均有助于防止或減輕齒面塑性變形。
齒輪傳動的不同失效形式在一對齒輪上面不大可能同時發生,但卻是互相影響的。例如齒面的點蝕會加劇齒面的磨損,而嚴重的磨損又會導致輪齒折斷。在一定條件下,由于輪齒折斷、齒面點蝕失效形式是主要的。因此,設計齒輪傳動時,應根據實際工作條件分析其可能發生的主要失效形式,以確定相應的設計準則。
對于閉式軟齒面(硬度≤350HBW)齒輪傳動.潤滑條件良好,齒面點蝕將是主要的失效形式,在設計時通常按齒面接觸疲勞強度設計,再按齒根彎曲疲勞強度校核。
對于閉式硬齒面(硬度>350HBW)齒輪傳動,抗點蝕能力較強,輪齒折斷的司能性大,在設計計算時.通常按齒根彎曲疲勞強度設計,再按齒面接觸疲勞強度校核。
開式齒輪傳動,主要失效形式是齒面磨損。但由于磨損的機理比較復雜,尚無成熟的設計計算方法,故只能按齒根彎曲疲勞強度計算,用增大模數10%~20%的辦法加大齒厚,使它有較長的使用壽命,以此來考慮磨損的影響。
齒輪傳動的潤滑方式,主要取決于齒輪圓周速度的大小。
1)對于開式齒輪及低速(v<0.8~2m/s)、輕載、不是很重要的閉式齒輪傳動,可定期人工加潤滑油或潤滑脂。
2)對于v=2~12m/s的閉式齒輪傳動,采用浸油潤滑。大齒輪浸入油池,借助齒輪傳動將油帶人嚙合表面。對于圓柱齒輪,浸油深度以1~2個齒高為宜,大浸油深度不超過大齒輪分度圓半徑的1/3。油池中的油量與傳遞功率大小有關,單級傳動為0.35~0.7L/kW,多級傳動按級數成倍增加。當多級傳動中低速級齒輪浸油深度合適,而高速級大齒輪未能浸入油中時,可采用帶油輪給高速級大齒輪供油。油池深度一般不應小于30~50mm,以防止齒輪轉動時將油池底部的雜質攪起,造成潤滑油不潔,加劇齒面磨損。油池中應有充足的油量,以保證散熱。
3)對于v>12m/s的閉式齒輪傳動,宜采用噴油潤滑,將一定壓力的潤滑油噴射到輪齒嚙合面。當w≤25m/s時,噴嘴位于輪齒嚙入或嚙出邊均可;當v≥25m/s時,噴嘴應位于嚙出一邊,及時冷卻剛嚙合后的輪齒,并進行潤滑。噴油潤滑供油充分、連續,宜用于高速、重載的重要齒輪傳動。
1.阮寶湘主編;周殿春參編;吳永健主審.工業設計機械基礎 第3版:機械工業出版社,2016.08
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