齿轮传动设计

2022-09-11

1 齿轮传动的特点

齿轮传动具有传动比准确, 可用的传动比、圆周速度和传递功率的范围都很大, 以及传动效率高, 使用寿命长, 结构紧凑, 工作可靠等一系列优点。因此, 齿轮传动是各种机器中应用最广的机械传动形式之一, 齿轮是机械工业中重要的基础件。但是齿轮传动在使用上也受某些条件的限制, 如制造工艺较复杂, 成本较高, 特别是高精度齿轮:作为一种轮齿啮合传动, 无过载自保护功能 (与带传动比较) ;中心距通常不能调整, 并且可用的范围小;单纯的齿轮传动无法组成无级变速传动:使用和维护的要求高。齿轮传动虽然存在这些局限性, 但只要选用适当, 考虑周到, 齿轮传动总是不失为一种最可靠、最经济、用得最多的传动形式。

2 几种定轴齿轮传动的主要特点

渐开线圆柱齿轮传动:传动的功率和速度可以很大, 效率高, 对中心距的敏感性小, 装配维修方便;可进行变位、修形、修缘和精密加工;易得到高质量的传动。双圆弧齿轮:接触强度和弯曲强度均高于渐开线齿轮, 没有根切现象;但只能做成斜齿。锥齿轮传动。直齿锥齿轮:比曲线齿锥齿轮的轴向力小, 制造也容易。斜齿锥齿轮:比直齿锥齿轮总重合度大, 提高平稳性。曲线齿锥齿轮:比直齿锥齿轮传动平稳, 嗓声小, 承载能力大。支承部分要考虑较大的轴向力和方向。蜗杆传动。普通圆柱蜗杆 (包括ZA型、ZI型、ZN型蜗杆) :传动比大、运动平稳, 噪声小, 结构紧凑, 可实现自锁。圆弧圆柱蜗杆 (ZC蜗杆) :主平面共扼齿面为凹凸齿啮合, 接触线形状有利于形成油膜, 传动效率和承载能力均高于普通圆柱蜗杆传动。环面蜗杆传动:接触线和相对速度夹角接近于90度, 有利于形成油膜;接触齿数多, 当量曲率半径大其承载能力比普通圆柱蜗杆传动可以大2~3倍但制造工艺较复杂。准双曲面齿轮传动。比曲线齿锥齿轮传动更平稳。利用偏置距增大小轮直径, 因而可增加小轮刚性, 实现两端支承。沿齿长方向有滑动, 传动效率比直齿锥齿轮低。

3 齿轮传动类型的选用原则

齿轮传动轴线的方位。在机器中, 齿轮传动装置通常都位于动力机和工作机之间, 因此齿轮传动输人、输出的轴线取决于动力机和工作机的轴线方位, 即平面平行轴线、平面相交轴线或空间交错轴线。据此, 就基本上确定了可选用的齿轮传动大类别:平行轴齿轮传动、相交轴齿轮传动或交错轴齿轮传动。

功率范围。各类齿轮传动都有各自合理的功率范围, 如圆柱齿轮传动传递的功率可达数万千瓦, 而活齿少齿差齿轮传动目前的技术水平最多只能传递数十千瓦。不按合理的功率范围选用齿轮传动类型往往会出现许多技术上的困难, 而且其经济性也很难保证。

传动比范围。单级齿轮传动的传动比范围差别很大, 这是由于齿轮传动结构条件不同所决定的, 例如单级圆柱齿轮传动的传动比一般不大于8, 而单级谐波齿轮传动的传动比一般大于50, 最大可达500。因此, 如果要将圆柱齿轮传动应用到传动比要求等于50的机器中, 只有采用二级圆柱齿轮传动才有可能;然而这样必然要增大齿轮传动装置的外廓尺寸。按合理的传动比范围来选用齿轮传动的类型是重要的。

速度。由于技术的进步, 虽然各类齿轮传动的圆周速度 (或转速) 不断提高, 但是受运转时振动、噪声、发热或制造精度等条件的限制, 其合理的速度范围还是存在的。圆周速度150m/s左右的高速圆柱齿轮在制氧机、汽轮机和压缩机中已很常见, 而其他种类的齿轮传动, 如锥齿轮、少齿差齿轮传动的允许圆周速度要比前者低得多。因此, 如要选用高速齿轮传动, 则非圆柱齿轮莫属。

传动效率。对于小功率、间隙运转的齿轮传动, 其传动效率的高低一般不太被人注意;但对于大功率、连续运转的齿轮传动, 其传动效率对能源的消耗和运转费用的影响就举足轻重了。此外, 传动效率低, 传动装置的发热量就大, 温度就高, 这对齿轮传动装置的正常运转非常不利。蜗杆减速器和硬齿面齿轮减速器的热功率往往限制了齿轮传动装置承载能力的充分发挥。因此, 传动效率的高低在选用齿轮传动装置时必须注意。

外廓尺寸 (重量) 。在相同的传动功率、速度和传动比的条件下, 采用不同类型的齿轮传动装置, 其外廓尺寸 (重量) 可以相差很大。单级的行星齿轮传动, 由于有多对齿啮合传动, 因此其外廓尺寸 (重量) 要比单级外啮合圆柱齿轮传动减小30%~50%;而谐波齿轮传动也是各类齿轮传动中外廓尺寸 (重量) 较小的一种齿轮传动形式。

环境条件。齿轮传动是一种轮齿啮合传动, 即使在理想的齿轮制造精度条件下, 由于运转时不可避免的轮齿变形和轴、支承的变形的影响, 齿轮传动仍会出现污染环境的振动和噪声。但是, 各类齿轮传动由于结构上的特点, 在相同的条件下, 产生振动、噪声的强弱有很大的差别。采用高精度的锥齿轮传动, 虽然可以降低振动和噪声, 但其经济性将大打折扣。

经济性。齿轮传动装置的初始费用主要决定于价格, 这是在选用齿轮传动类型时必须考虑的经济因素。通常, 结构简单、易于加工的齿轮传动类型其制造成本必然较低, 如渐开线圆柱齿轮、直齿锥齿轮、普通圆柱蜗杆等。而动轴轮系齿轮传动, 虽然具有一系列优点, 但由于结构复杂, 或要使用专用加工机床等, 因而其制造费用必然较高。因此, 在选用齿轮传动类型时, 要仔细衡量技术指标和经济性指标的合理统一。

在实际的齿轮传动类型选用过程中, 以上几方面要求都同时得到满足是不容易的, 因为有些要求可能相互矛盾、相互制约。例如要求结构紧凑, 外廓尺寸小, 则选用动轴齿轮传动比较合适, 但其制造费用要比定轴齿轮传动高得多。因此, 在选择齿轮传动类型时, 要根据机器工况、技术要求, 考虑技术、经济的合理性, 对可能适用的多种齿轮传动类型, 从以上各方面进行细致的分析对比, 必要时还要进行优化计算处理, 以期选择最佳的齿轮传动类型。

4 传动比优化设计

传动比不仅对承载能力影响大, 而且是通用范围大小的标志, 是减速和转矩放大的倍率。在多级传动中的每级传动比是调整各级传动趋向等强度的一个重要变量, 同时也是多级传动和单级传动中, 中心距相同、传动比想同时, 齿轮能否互换的重要因素。

单级减速器和多级减速器每级的传动比范围, 设计者总是希望大一些, 以扩大应用面。但是受小齿轮轴的刚度和强度限制, 传动比范围不可能太大。因为中心距一定时, 传动比越大, 小齿轮的直径越小。

多级减速器的每级传动比的分配对性能有较大的影响。首先在中心距确定后, 分级传动比i是调整各级齿轮趋向基本等强度的重要变量。其次分级传动比搭配得好, 减速器的体积、质量可减小, 可降低齿轮的圆周速度, 可改善油池润滑。不过总的来说, 展开式圆柱齿轮减速器, 两级以上传动, 第一级传动比较大、以下各级逐级减小, 低速级最小的分配原则优点较多, 定性与定量分析可以揭示概况。

减速器的体积、重量很大程度决定于末级大齿轮尺寸, 末级传动比小, 则末级大齿轮尺寸较小, 从而可减小整机尺寸、重量。

齿轮的圆周速度和转速越低越好, 高了附加动载荷、振动、噪声度很大, 对工艺要求精度高。如果第一级传动比大, 第一极小齿轮直径尺寸减小, 圆周速度降低, 即电动机的转速一输入减速器就降低很多, 各级齿轮都受益。

通用圆柱齿轮减速器多数采用机体装润滑油, 齿轮浸油润滑, 第一级传动比大, 大齿轮直径增大, 利于各级大齿轮同时浸油润滑。

减速器工艺难度较大的零件是最大的齿轮。减小其直径, 对工艺和降低成本都有益。

最后从实现多级传动等强度来看, 只有总传动比较小时 (如两级总传比i=9, 三级i<2}) , 第一级传动比较第二级传动比小。此外均是第一级传动比大, 容易接近等强度。

5 齿轮传动主要尺寸参数的初步确定

在设计齿轮传动时, 通常都要有一定的已知条件。传递的功率, 或持续工作转矩、工作机械和原动机的额定转矩, 最大转矩等。工作机械和原动机的种类, 使用条件, 相对位置和尺寸限制等。用户对传动型式, 安装方式, 运输条件和使用寿命方面的要求。生产批量, 制造条件和经济性方面的事先考虑等。

根据这些已知条件来计算齿轮传动的承载能力, 只有齿轮传动的主要尺寸参数确定后才有可能, 这是因为齿轮承载能力计算式中的许多系数, 都取决于齿轮的尺寸参数。齿轮传动的主要尺寸可采用多种方法来确定。这些方法均需要相当多的经验和条件才能应用;在缺乏相应的经验和条件时, 可采用齿轮设计的简化公式来初步确定齿轮传动的主要尺寸参数。

6 螺旋传动齿轮的参数

在变位齿轮无侧隙啮合传动中, 要保证标准顶隙, 则齿轮高要减短Q·m, 称Q为齿顶高变动系数, 那么, 变位螺旋齿轮传动中, 齿顶高变动系数为多少?

首先来分析分度圆分离系数, 设y n为法面上分度圆分离系数, 则:

当两轮作无侧隙啮合时, 中心距为:

a'= (d1+d2) /2+yn·Mn=r1+r2+·ynMn

又:当两轮保证标准顶隙C=Cn·Mn安装时, 中心距为:

可以得到保证标准顶隙无侧隙啮合时, 齿顶高变动系数为:

Qn= (a”-a') /Mn= (Xn1+Xn2) -yn

所以齿轮的齿顶高为ha= (han+Xn-Qn) Mn。

至此, 已解决了有关变位螺旋齿轮传动设计的参数计算问题, 包括公式的推导和方程组的求解, 达到了实际设计应用的要求。值得一提的是:这些公式和计算过程, 给定特定的约束, 即成了各种圆柱齿轮传动形式的计算公式, 如轴交角为零, 则为平行轴的斜齿圆柱齿轮传动;轴交角和螺旋角为零, 则为直齿圆柱齿轮传动;轴交角和螺旋角为零, 大轮齿数为负和中心距为负, 则为内啮合齿轮传动。

摘要：文章首先介绍了齿轮传动的特点, 接着阐述了几种定轴齿轮传动的主要特点和齿轮传动类型的选用原则。文章最后重点探讨了传动比优化设计和齿轮传动主要尺寸参数的初步确定。

关键词：齿轮,转动,设计