12变位齿轮及变速器设计

第十二章变位齿轮及变速器设计概述变位齿轮的功用变位齿轮的加工变位齿轮传动的几何计算变位齿轮传动的类型变速器分类变速器传动机构变速器主要参数的选择变速器操纵机构§12-1概述§12-1概述随着生产的发展对齿轮传动性能的要求越来越高，标准齿轮传动往往不能满足某些特殊要求需要采用变位齿轮传动，在汽车变速器中多采用变位齿轮。变速器用来改变发动机传到驱动轮上的转矩和转速，目的是在各种行驶工况下，使汽车获得不同的牵引力和速度，同时使发动机在最有利的工况范围内工作。§12-2变位齿轮的功用§12-2变位齿轮的功用1.配凑中心距两对齿轮若都采用标准齿轮，就无法正常安装和使用。如果可采用变位齿轮就没问题了。如C-WJ620车床的走刀箱中，轴I上的一个滑移齿轮，要分别能与轴∏上的两个固定齿轮相啮合，也就是采用三个齿轮使轴‖得到两种不同的转速。根据设计要求三个齿轮的齿数分别为z1=18，z2=30，z3=27，m=3mm，压力角α=200。如果采用标准齿轮，则它们的中心距分别为：mmzzma7230182322112mmzzma5.67271823231132．使结构紧凑此外，为了提高齿轮的强度和耐磨性，也常采用变位齿轮传动。机床上供应润滑油的齿轮油泵，要求结构紧凑，应有足够的供油量，为此应尽量增大油泵齿轮的模数，减少齿数。采用范成法加工齿轮当z＜zmin时，轮齿将产生根切，对于压力角α＝200、齿顶高系数ha*=1的，标准齿轮zmin=17，采用变位齿轮后，油泵齿轮可做成10个齿左右。§12-3变位齿轮的加工§12-3变位齿轮的加工变位齿轮就是一种非标准齿轮。当用齿条型刀具加工齿轮时，按r刀=rω(r、ω分别为轮坯的分度圆半径、角速度ω，r刀为刀具移动的速度)关系，使刀具与轮坯作范成运动，如果径向进刀使刀具的中线NN与轮坯的分度圆相切(图a)，则加工出来的齿轮就是标准齿轮。如果在切齿结束时，刀具的中线刀刃不与轮坯的分度圆相切，则加工出来的齿轮称为径向变位齿轮，简称变位齿轮。加工变位齿轮时，刀具相对轮坯径向移动的距离X称为变位量通常用一系数x与模数m的乘积来表示即X＝xm。系数x称为变位系数，通常规定刀具中线离开分度圆时(图b)，变位系数x为正值(变位量X也为正值)，即x＞0，这种变位齿轮称为正变位齿轮。反之，刀具中线移进轮坏分度圆，即与分度圆相割（图c），变位系数x为负值(变位量X也为负值)，即x＜0，这种变位齿轮称为负变位齿轮。根据上面分折可归纳为如下三点(图d)1.变位齿轮的主要参数——模数、齿数、压力角并不改变，即与标准齿轮相同。由此可以推论出，分度圆和基圆也与标淮齿轮相同。2.变位齿轮的某些几何尺寸，与标淮齿轮相比发生了变化。正变位齿轮的齿顶圆增大，而齿根圆减小，同时，分度圆齿厚和齿根圆齿厚都增大，齿顶容易变尖，负变位齿轮的齿顶高减小，而齿根高增大，同时，分度圆齿厚和齿根圆齿厚都减小。3.变位齿轮与标准齿轮具有相同的渐开线(因基圆相同)，只是其齿廓曲线取用了不同部位的渐开线而已。被切齿轮无根切时刀具的最小变位系数xminN1Qha*m-xmN1Q=PN1sina=rsin2a(mzsin2a)/2zmin=2h*a/sin2aminmin*)(zzzhxa2sin2*azhxaminmin*min)(zzzhxa§12-4变位齿轮传动的几何计算§12-4变位齿轮传动的几何计算一．变位齿轮的分度圆齿厚图12-3所示切制正变位齿轮时刀具的中线不与轮坯的分度圆相切而刀具的节线与轮坯的分度圆相切，由于刀具节线上的齿槽宽比刀具中线上的齿厚宽增大了2ab。所以被切齿轮分度圆上的齿厚也增大了2ab。由Δabc(见右上方放大图)可得ab=xmtanα。由此可得正变位齿轮分度圆上的齿厚为：atan2222xmabms对于负变位齿轮则上式中的x为负值。因此，与标准齿轮相比，正变位齿轮的分度圆齿厚增大负变位齿轮的分度圆齿厚变小。任意圆上的齿厚siiirCCs)inv(inv2aaiiiiirrrsrs标准齿轮：s=πm/2变位齿轮：s=πm/2+2xmtana)inv(invrsiaa2)(rsBOCBOBi22二．变位齿轮的几何关系1．啮合角α’与实际中心距a’的关系变位齿轮传动可以满足配凑中心距的要求，因此在这种情况下变位齿轮传动的实际中心距a’常与其标准中心距a＝m(z1十z2)不相等，同时啮合角α’与压力角α也不相等，它们之间的关系满足式aacos''cosaa2.中心距变动系数y若变位齿轮传动的实际中心距a’与其相应的标淮中心距a不相等，则a’-a称为中心距的变动量，且用一系数y与模数m的乘积来表示即maayaaym''系数y称为中心距变动系数。由上可知，当a’＞a时，y为正值；当a’＜a时y为负值;当a’=a时，y=0。3.总变位系数xΣ=x1十x2与啮合角的关系'a一对齿轮作无侧隙啮合，必须满足：212211ssesespaaainv)(tg2inv2121zzxx无侧隙啮合方程式：上式表明了两齿轮在无侧隙啮合时啮合角与总变位系数xΣ之间的关系，'aaaainvinvzzxxx'tan22121'a在设计变位齿轮传动时，如果已求得啮合角，则可利用上式求出总变位系数若(x1+x2)=0,则α’=α，两齿轮的节圆与分度圆重合；若(x1+x2)≠0，则α’α，两齿轮的节圆和分度圆不重合,分离或者相交。aaainv)(tg2inv2121zzxx4.齿高变动系数Δya.当两轮作无侧隙啮合时,其中心距应为：ymzzmymaa)(221b.为了保证两轮之间具有标准的顶隙,其中心距应为：c.既要满足无侧隙啮合,又要保证标准顶隙时，应使aamxxzzmmxxrrmxchmcmxhrrhrchrrcraaafafa)()(2)()()(212121212***1*21221121齿顶高：mxhxmmhhaaa)(**mxchxmmcmhhaaf)(****齿根高：齿顶的削减量：Δymymmxxaaym)(21齿顶高ha：myxhymxmmhhaaa)(**解决办法：将两轮按无侧隙的中心距a’安装，同时将两轮的齿顶削减一些，以满足标准顶隙的要求。yxxy)(21齿顶高变动系数Δy：实际存在的问题：齿全高h：mychhhhafa)2(**aa(x1+x2)y5.变位直齿轮传动的基本尺寸计算表12-1变位直齿轮传动的基本尺寸计算公式(外啮合)§12-5变位齿轮传动的类型§12-5变位齿轮传动的类型1．零传动如果一对齿轮的总变位系数等于零，即Σx=x1+x2=0，则此传动称为零传动。零传动又可分为如下两类。(1)标准齿轮传动标准齿轮传动的x1＝0、x2＝0。由前式可知0,0,','yyaaaa(2)高度变位齿轮传动(简称高变位齿轮传动)若两齿轮的变位系数=x1+x2=0，但是x1=-x2≠0，则此传动称为高度变位齿轮传动。由前式可知0,0,','yyaaaa高变位齿轮传动的用途主要有以下几方面1)减小齿轮机构的尺寸。2)提高齿轮传动的承载能力。3)修复大齿轮。4)改善两齿轮的齿面磨损情况。缺点：①必须成对设计、制造和使用，互换性差。②重合度略有减少。2．正传动若总变位系数。x1+x2＞0，则此传动称为正传动(也称为正角度变位齿轮传动)。由前式可知0,0,','yyaaaa正传动主要用来配凑中心距，提高轮齿的强度，消除根切等。①必须成对设计、制造和使用，互换性差。正传动优点：①可以减少尺寸。②可以改善齿轮的磨损情况。③弯曲强度和接触强度都相对地有所提高。④适当地选择变位系数可以凑配给定的中心距。正传动缺点：②重合度减少较多。3．负传动若总变位系数x1+x20，则此传动称为负传动(也称为负角度变位齿轮传动)。由前式可知负传动主要用来配凑中心距。0,0,','yyaaaa①必须成对设计、制造和使用，互换性差。①适当地选择变位系数可以凑配给定的中心距。②重合度略有增加。②两轮齿根的最大滑动系数增大，轮齿的磨损加剧。③弯曲强度和接触强度都有所降低。负传动优点：负传动缺点：小结比较上述的各类传动，正传动的优点较多，传动质量较高，在一般情况下应采用正传动。负传动的缺点较多，一般只是在凑配中心距或在其他不得已的情况下才采用。正、负变位和正、负传动有何区别？标准齿轮和零变位齿轮有何区别？问题？§12.6变速器概述§12-6变速器概述变速器的位置变速器在传动系中位于离合器的后面（或液力变矩器的后面），万向传动装置的前面。普通齿轮变速器的一般结构•基本结构：由壳体、传动部分和操纵部分。一、变速器的功用实现变速变矩前进档实现倒车倒档实现中断动力传动空档要求有一定的档位和传动比；操纵方便可靠；足够的强度、刚度和耐磨性；结构简单，传动效率高，维修方便；换档轻便，档位安排合理。二、变速器类型1.按传动比的变化方式•有级式变速器：有几个可选择的固定传动比，采用齿轮传动。又可分为：齿轮轴线固定的普通齿轮变速器和部分齿轮（行星齿轮）轴线旋转的行星齿轮变速器两种。•无级式变速器:传动比可在一定范围内连续变化。•综合式变速器：由有级式变速器和无级式变速器共同组成的，其传动比可以在最大值与最小值之间几个分段的范围内作无级变化。2.按操纵方式•强制操纵式变速器：靠驾驶员直接操纵变速杆换档。•自动操纵式变速器：传动比的选择和换档是自动进行的。驾驶员只需操纵加速踏板，变速器就可以根据发动机的负荷信号和车速信号来控制执行元件，实现档位的变换。•半自动操纵式变速器：可分为两类，一类是部分档位自动换档，部分档位手动（强制）换档；另一类是预先用按钮选定档位，在采下离合器踏板或松开加速踏板时，由执行机构自行换档。三、普通齿轮传动的基本原理何谓传动比•传动比等于主动齿轮与从动齿轮转速的正比、齿数的反比。•当小齿轮为主动齿轮，带动大的从动齿轮转动时，则输出轴(从动齿轮)的转速就降低，即称为减速传动（i＞1）；当以大齿轮为主动齿轮，带动小的从动齿轮转动时，则输出轴(从动齿轮)的转速就升高了，即称为加速传动（i＜1）；这就是齿轮变速的基本原理。i12=n1/n2=z2/z1i121，减速；i121，增速。对于多级传动：i14=?i12=n1/n2=z2/z1i34=n3/n4=z4/z3i14=i12i34=n1/n4=(z2z4)/(z1z3)i=n输入/n输出=T输出/T输入如何改变传动比•倒档的实现是在输入齿轮与输出齿轮之间增加了一个中间齿轮，从而改变了输出齿轮的方向。档位分析i1，减速档，且i越大，档位越低；i=1，直接档；i1，超速档。如捷达王五档变速器的档位情况如下：i1=3.455i2=1.944i3=1.370i4=1.032i5=0.850iR=3.167本部分介绍的变速器是手动、有级、普通齿轮变速器，其基本组成包括：•变速传动机构：改变转矩、转速的大小和旋转方向•操纵机构：控制传动机构实现换档§12.7变速器传动机构§12-7变速器传动机构变速传动机构是变速器的主体，按工作轴的数量(不包括倒档轴)可分为三轴式变速器和两轴式变速器。两种变速器的区别主要在于齿轮传动机构的不同，而操纵机构基本相同。•三轴五档变速器有五个前进档和一个倒档，由壳体、第一轴（输入轴）、中间轴、第二轴（输出轴）、倒档轴、各轴上齿轮、操纵机构等几部分组成。•在该变速器上，各轴上倒档齿轮均为直齿园柱齿轮，采用移动齿轮换档方式。其余各齿轮全部为斜齿园柱齿轮，具有传动平稳的特点，并且全部采用同步器换档。•在五档变速器中，往往将第五档设计为超速档。变速器处于超速档工况时传动比小于1，输出轴比输入