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永乐国际为什么很多齿轮的齿是斜的?

  汽车在启动和爬坡的时候,比在平直的泊油路上行驶所需动力要大得多。但是发动机转速只能再小范围内调节,为了实现‘低速大转矩’和‘高速转动’之间切换,需使用齿轮传动系,从而改变汽车的牵引力和行驶速度,实现启动、爬坡、轻载行驶等不同行驶需要。

  齿轮传动系中,若是选用直齿圆柱齿轮,在相互啮合的一对齿轮中,会有1.5~2.5组齿面相互贴合,轮齿受力状况还可以,但是噪声较大,重型汽车或者拖拉机上有选用直齿的情况,汽车一般不用这种结构,驾驶体验不好嘛。

  齿轮传动系中,若是选用斜齿轮,一对齿轮副中可以实现2.5~3.5组齿面同时贴合,而且齿轮啮合动作中,轮齿可以比较平滑地从不接触过度到相互啮合,比较安静。人机工程特性好。

  斜齿轮啮合传动中,从啮合点开始,齿轮在径向和轴向都会受力。因此,齿轮轴在基座或其他装置上固定的时候,需要使用到推力轴承,以承受从齿轮传递到齿轮轴的轴向负载。

  但是,本题目视频案例中的齿轮,是螺旋伞/锥齿轮,或准双曲面齿轮,不是斜齿轮!

  算了,看见一群侃爷在这儿瞎忽悠,这饭我也是吃不下了,先讲讲斜齿轮、伞齿轮。

  (传动精度有两个指标,其一是角度误差,其二是扭矩误差,它们本质上是等价的,本文以『扭矩误差』为主;本回答讨论的是直径不超过 300 mm 的常规齿轮,工业大齿轮不在讨论范围内;关于齿轮制造成本,评论区很多齿轮厂的朋友都发表了自己的看法,但这方面的讨论是没有意义也没有尽头的,齿轮和齿轮之间差异极大,要求不同、成本也不同,精密传动中使用的斜齿轮制造成本确实远高于直齿轮,但其他用途的齿轮,永乐国际答主不是特别了解,因此不参与讨论)

  很多朋友都提到了斜齿轮能提高传动平稳性,但这个理解是片面的。传动平稳性主要由线载荷曲线(齿轮啮合时受力变化曲线)决定:

  线载荷曲线受很多因素影响(齿厚、材料模量、表面硬化工艺、加工误差...),齿轮类型(直齿轮/斜齿轮)的影响并不在第一位,甚至,同规格(模数、齿数、齿厚)下,直齿轮的线载荷曲线可能比斜齿轮更平滑:

  对比直齿轮和斜齿轮的传动平稳性,就像大街上随便指着一台宝马(斜齿轮)和一台比亚迪(直齿轮)问谁更贵(传动更平稳),这是没有意义的,宝马有低端款、比亚迪有高端款,同价位下宝马也不一定比比亚迪好(同样的制造成本下,斜齿轮的线载荷曲线不一定比直齿轮更平滑)。

  任何材料受力时都会形变、受力过程都是渐变的,现代的齿轮接触分析(TCA,Tooth Contact Analysis)早已打破了“斜齿轮是逐渐受力而直齿轮是瞬间受力”的说法,而国内很多教材还尚未更新。纯粹从运动平稳性(线载荷曲线平滑度)的角度来看,直齿轮甚至可能做得比斜齿轮还好,斜齿轮在这方面的最大优势是噪音和震动控制(端面重合度高、模态分析中的谐波共振小)。

  即使不用斜齿轮,非标直齿轮依靠修形就能将齿『根』强度提高 50% 以上,详情请参考:

  齿轮强度有两个方面,其一是齿『根』强度,其二是齿『面』强度。与直齿轮相比,斜齿轮的齿『根』强度更高,但齿『面』强度更低:

  齿轮副主要参数:1 模 30 齿、输入扭矩 10 Nm、输入转速 4775 RPM、无摩擦。

  齿轮直径、压力角相同的情况下,齿『根』强度主要由模数和厚度决定,齿『面』强度主要由厚度决定、受模数影响很小。因此,斜齿轮适合齿厚余量较大的齿轮设计,换而言之,斜齿轮需要更大的最小齿厚、斜齿轮往往比直齿轮更厚。

  由此可见,将直齿轮替换为斜齿轮,不一定能提高齿轮强度,某些情况下(齿面强度低、齿根强度高的设计),甚至会降低齿轮强度。

  齿距误差是衡量齿轮精度的最主要指标(齿距误差和背隙有一定换算关系,商家更喜欢标背隙而不是齿距误差,因为背隙的数据更好看,就像宽带运营商喜欢标 Mbps 而不是 MB),良好设计的齿轮,齿距误差为 0 的情况下,例如 1 模 30 齿的齿轮副,很容易做到扭矩误差 0.5%(角度误差 0.05度)。但如果有 5 微米(对的,不是 0.05 mm,是 0.005 mm)的齿距误差,扭矩误差就会超过 3%,然而 5 微米已经属于国标 5 级精度了,机械手用的精密减速机通常也只有 5 级精度。齿轮精度等级划分中,相邻两个精度等级一般只差 2~5 微米(依直径、模数而不同)。

  如何设计(无加工误差下)扭矩误差 0.5% 的齿轮?详情请参考:

  非标齿轮基本能消除因齿轮设计导致的误差(扭矩误差 0.1%)

  。不同工况下,齿面间的摩擦系数是不同的,例如钢-钢接触,有润滑条件下,摩擦系数在 0.5~0.15 间波动。但

  优秀的齿轮设计同样也能消除摩擦力导致的误差(扭矩误差 0.1%)

  齿距误差。通常情况下,设计良好的齿轮如果扭矩误差 3%,则其中至少 3% 都是因为齿距误差造成的...

  齿轮副主要参数:基于ISO 53:1998轮廓A 齿形、1 模 45 齿、齿厚 7 mm、齿顶高系数1.2、齿顶倒圆 0.15 mm、无变位、摩擦系数 0.1、输入扭矩 10 Nm。

  其实这对齿轮副已经设计得很好了,若没有齿距误差,直齿轮的输出扭矩波动率只有 0.3%:

  斜齿轮能更好地消除齿距误差对精度的影响,原理是摩擦力造成的扭矩波动更小,直齿轮啮合时是直线-直线接触,斜齿轮啮合时是曲线-曲线接触,因此摩擦力生效的原理不同。(篇幅考虑,不在此继续分析直齿轮和斜齿轮啮合的区别)

  最近写了很多与齿轮设计有关的回答,这篇回答是这个系列倒数第二篇,还有一篇(齿向修形)就完结了。

  B 重合度大,同时进入啮合的齿数多。减少冲击和噪声,使传动更加平稳,并能承受高速重载

  C 加工过程中,避免产生根切的最少齿数小。相应的齿轮个头要小,所以在传动副传动比相同的情况下,采用斜齿轮的变速箱/减速机体积要小。

  根切该怎么解释呢?简单的,从齿轮端面沿轴向看去,正常齿轮相邻两齿轮廓可近似看作一个<的形状,而产生根切的齿廓为∝,即在齿轮加工过程中,根部被多切了一部分。这造成轮齿强度降低,啮合面减小

  所以,斜齿轮更合理,适用于工程实际。当然这都依赖于足够的加工精度。。。再扯就多了,不表

  直齿轮在啮合过程中,对于每一个齿来讲,整个吃面都参与啮合,而斜齿轮是有一部分吃面参与啮合,参数与啮合的吃面比较多。

  1.运行平稳,噪音低,由于斜齿轮在啮合过程中每个吃面只有一部分参与啮合,或者理解为每个齿是逐渐参与啮合的,不会产生大的振动,因此噪音较低。

  2.承载能力高,相同模数宽度一样的斜齿轮比直齿轮承载能力更强,因为这种情况斜齿轮的有效齿宽更大。

  以上这些优点足以让斜齿轮在很多应用场合傲视其他传动方式,比如 当要求噪音比较低,且传动设备结构紧凑重量轻,效率高时,斜齿轮传动就是不二之选。

  斜齿轮的主要优点就是传动平稳,其啮合的过程是从齿的一端齿顶开始接触,然后沿齿宽方向顺序接触,最后从另一端的齿根逐渐分离,图片来自谷歌

  上半图直尺传动中,一对齿轮在B2B2和B1B1处进入和脱出啮合,其啮合区为L.下半图斜齿传动中,也是在B2B2处进入啮合,但是在齿宽方向是逐渐进入啮合的,同样在B1B1处脱离也是逐渐的,这样其实际啮合区比直齿的啮合区增大了ΔL,因此其齿面接触状况更好。

  标准直齿轮的齿数小于17之后就开始根切,所谓的根切就是齿根部位会宽度变小,影响强度,但是斜齿轮的最小齿数小于直齿轮,结构可以做的更加紧凑,具体原理也讲不清楚。

  1和平齿相比,轴的位置更自由。比如用斜伞齿的差速器传动轴不一定要和后轴在同一水平面上,如果是平伞齿的线,降噪,斜齿在同样转速下噪音小过平齿。原因在于斜齿的表面是先点接触,然后过渡到面接触,最后到点接触的。平齿则是线面线的接触。斜齿的过渡更光滑。故因为接触的突然改变而产生的噪音比平齿小很多。

  3,生产方便,用滚齿机在圆柱胚料上就可以生产出teeth number,modules相同face width 不同的一组斜齿,后期根据客户需求切成不同的face width即可。

  缺点在于因为斜向受力会产生轴向力,普通滚珠滚针都不能胜任。要使用成对的有角度的滚筒轴承(paired angle roller bearing)或者thrust bearing。

  斜齿虽好但也不是什么场合都适合的,他的好是基于精确的制造、精湛的表面处理、精艺的齿形修正。如果没有这些保证其带来的各种棘手的古怪精灵问题简然让人懵逼.......能做直齿的已经烂大街了,能做好直齿的不多,能做斜齿的就更少了,斜齿做的好的简直是凤毛麟角,比如下面这位牛X到令人抓狂的普惠航空公司的PurePower PW1000G ENGINE涡扇发动机,为了提高燃油效率和经济性硬是在涡发里面塞进了一级斜齿行星减速箱,这里的斜齿可是在极高的转速和极大的功率下运转的,要是不小心哪里崩掉了一小块,然后以亚音速向后面的

  直齿轮与斜齿轮的区别主要有一下几点:1、由于制造的误差,直齿传动的瞬时速度是变化的,主要是在轮齿啮入啮出的瞬间会产生由于制造误差导致的速度不均匀变化,从而产生多边形效应。2、斜齿轮的轮齿却是在每时每刻都在啮入啮出的状态中,没有啮合盲区,从而保证速度的均匀性,表象看来:运行非常平稳。3、直齿伞齿轮与螺旋伞齿轮(斜齿)在运行中的效果与上面所述的一样,不同之处是:直齿圆柱齿轮是两轴平行的传动,伞齿轮是两轴相交的传动。当没有改变分度圆直径的时候,轴上的扭矩不会发生改变。要说改变的部分是轮齿的受力分析发生变化:

  直齿伞齿轮的轮齿法线与运动切向重合。螺旋伞齿轮的轮齿法线与运动切线始终保持一个螺旋角的夹角β,轮齿承受扭矩=cosβ与扭矩的乘积。

  直齿轮的啮合情况是突然地沿整个齿宽同时进入啮合和退出啮合,从而轮齿上所受的力也是突然地加上或卸掉的,故传动的平稳性差,冲击和噪声大;而一对斜齿轮啮合时,齿廓曲面的接触线是斜直线,其啮合过程是在前端面从动轮的齿顶一点开始接触,然后接触线由短变长,再由长变短,最后在后端面从动轮齿根部某一点分离,因此斜齿轮上所受的力,也是由小到大,再由大到小,故传动较平稳,冲击和噪声小。

  除此之外斜齿轮传动重合度大、齿面接触情况良好,故承载能力高;斜齿轮的最小齿数比直齿轮的小,故机构更紧凑且制造成本与直齿轮相同。

  不过因为接触面是斜的,所以并不完全等价于多对直齿轮啮合,除了会出现轴向力,微观上表面的受力也有不同。除此之外,除了不太好加工,其他没啥特别不一样的。

  4 hypoid gear 准双曲面齿轮 用于汽车后桥前桥,四驱车商用车

  这个得看应用场景吧,不一定都是斜的。直齿齿轮啮合只产生径向力,齿轮滑移也只会延着profile方向,所以重合度一般很低。

  斜齿轮有个好处就是它带了螺旋角,在啮合时候会有齿廓和齿向方向,传动相比平稳,重合度高,传递误差小,对噪音方面有帮助。同时,对中心距调整有一定帮助。但是会产生轴向力,所以对应轴承需要选用一定承载轴向力的类型。工艺方面呢,也比较成熟了,滚齿 插齿 剃齿都有应用,取决于生产效率和精度要求,像现在新能源的Edu的齿轮,高转速低噪音的要求,多采用滚齿加磨齿工艺,更高要求的可能会用到honing.

  设计需求(包括承载要求 噪音要求 尺寸要求)- 速比齿数选择 这个会对噪音方面有要求 要综合考虑转动阶次的影响 -宏观设计(主要是尺寸 强度的分析)-系统刚度分析(确定系统受载变形量)--微观设计(主要是补偿变形 提高噪音性能)-刀具设计模拟(包括hob grind)确保刀具图符合设计要求

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