齿轮传动设计（图文教程）

1  齿轮传动的失效形式及设计准则

1.1  齿轮传动的失效形式

    根据齿轮传动的工作条件不同，可以分为开式齿轮传动和闭式齿轮传动。开式齿轮传动的齿轮完全暴露在外边，工作时环境中的粉尘、杂物易侵入啮合齿间，润滑条件较差，轮齿容易磨损，只适宜于低速传动；闭式齿轮传动的齿轮都装在经过精确加工而且封闭严密的箱体内，因而能保证良好的润滑和工作条件。重要的齿轮传动都采用闭式传动。齿轮传动的主要失效形式有以下几类：

1．轮齿折断

2．齿面点蚀

3．齿面胶合

4．齿面磨损

5．齿面塑性变形

 1.2  齿轮传动的设计准则

齿轮传动设计准则要求可以概括为：分析具体的工作条件，判断可能发生的主要失效形式，以确定相应的设计准则。

 2  齿轮材料及热处理

 2.1  齿轮材料

为了保证齿轮工作的可靠性，提高其使用寿命，齿轮的材料及其热处理应根据工作条件和材料的特点来选取。齿轮材料的基本要求有以下几个方面：

1.         齿面有足够的硬度和耐磨性；

2.         轮齿有足够的抗弯曲强度和冲击韧性；

3.         易于加工和热处理，从而改善材料的机械性能，提高齿面硬度，发挥材料的潜力。

 2.2  齿轮的热处理方法

简而言之，钢制齿轮热处理方法：调质、正火、整体淬火、表面淬火、渗碳、渗氮。

 3  齿轮传动精度

齿轮传动可应用于多种场合，根据不同的工作条件，对齿轮传动的基本使用要求，可概括为以下四个方面：

1．传递运动的准确性

从理论上讲，用渐开线作轮齿的工作齿廊，可使其在传动中传动比为一常数，以保证精确地传递运动。但齿轮在加工和安装中都会产生误差，因此，实际齿轮在传动中难以保持传动比恒定。为保证齿轮传递运动的准确性，要求齿轮在一转范围内，齿轮的最大转角误差应限制在一定的范围内。

2．传动的平稳性

要求齿轮传动的瞬时传动比变化不要过大

3．载荷分布的均匀性

    要求齿轮啮合时齿面接触良好。若齿面的接触精度差就会引起载荷集中，使齿面局部失效，影响齿轮的使用寿命。

4．齿侧间隙

    要求齿轮啮合时，非工作表面间应留有一定的间隙，以便储存润滑油，补偿齿轮的制造和安装误差以及受力变形等影响，从而保证传动灵活。

 4  直齿圆柱齿轮传动的强度计算

    本节给大家介绍直齿圆柱齿轮传动的强度计算。

 4.1 受力分析

进行齿轮的强度计算，首先要知道轮齿上的受力，因此要对齿轮进行受力分析。在下图中，如果忽略齿面间的摩擦力，则沿啮合线作用在齿面上的法向载荷垂直于齿面，法向力可分解为圆周力和径向力：

式中  ——小齿轮分度圆直径，mm；

  ——分度圆压力角；

该文章所属专题：齿轮传动

  ——小齿轮传递的名义转矩，。其中，为传递的功率，kW，为小齿轮的转速，r/min。

直齿圆柱齿轮传动的受力分析 

 4.2  计算载荷

上述的法向力为理想状况下的名义载荷。理论上应沿齿宽均匀分布，但由于轴和轴承的变形，传动装置的制造、安装误差等原因，载荷沿齿宽的分布并不是均匀的，而是在某些地方大于或某些地方小于名义载荷，即出现载荷集中的现象；另外由于各种原动机和工作机的特性不同、齿轮制造误差，以及轮齿变形等原因，还会引起附加动载荷。精度越低，圆周速度越高，附加动载荷就越大。考虑上述因素的影响，在计算齿轮强度时，通常用计算载荷代替名义载荷，K为载荷系数，其值可由课本中表9-4查取。计算载荷按下式确定：

 4.3  齿面接触强度计算

钢制标准齿轮齿面接触强度的设计公式：

                              （mm）   

许用接触应力：

                               （MPa）  [yao_page]   

 4.4  齿根弯曲强度计算

轮齿弯曲强度的校核公式：

                     （MPa）

齿根弯曲强度设计公式：

                              （mm）

该文章所属专题：齿轮传动

许用弯曲应力：

                                    （MPa）

    接下来学习下面例子。

例  试设计两级减速器中的低速级直齿轮传动。已知：用电动机驱动，载荷有中等冲击，齿轮相对于支承位置不对称，单向运转，传递功率P=10 kW，低速级主动轮转速= 400 r/min，传动比i = 3.5。

解: 1. 选择材料，确定许用应力

根据课本中表9-1，小轮选用45钢调质；硬度为220 HBS；大轮选用45钢正火，硬度为190 HBS。

由课本中图9-8(c)和图9-11(c)分别查得：

                 = 555 MPa    = 530 MPa 

= 190 MPa    = 180 MPa  

由课本中表9-5查得=1.1， =1.4，故

，  

，  

因硬度小于350 HBS，属软齿面，按齿面接触强度设计，再校核齿根弯曲强度。

2．按接触强度设计

计算中心距： （mm）

① 取

② 小轮转矩

③ 取齿宽系数= 0.4，i = u = 3.5

该文章所属专题：齿轮传动

由于原动机为电动机，中等冲击，支承不对称布置，故选8级精度。由表9-4选K = 1.5。

将以上数据代入，初算中心距a = 223.7 mm

3．确定基本参数，计算主要尺寸

① 选择齿数

取，则

② 确定模数

由公式，可得m = 4.98

由表6-1查得标准模数，取m = 5

③ 确定中心距

（mm）

④ 计算齿宽

（mm）

为补偿两轮轴向尺寸误差，取= 95 mm，= 90 mm

⑤ 计算齿轮几何尺寸（略）

4．校核弯曲强度

（MPa）

（MPa）

按,，由图9-10查得= 2.80，= 2.24，代入上式，得

= 44.4 MPa < ，安全

= 35.5 MPa < ，安全

5．设计齿轮结构，绘制齿轮工作图。（略）