第十八章 齿轮传动

第十八章

齿轮传动

内容简介:本章介绍基于承载能力计算的齿轮设计方法。设计的基本内容就是如何确定齿轮的基本参数或主要 几何尺寸。围绕这些内容所讨论的主要问题有：齿 轮精度等级的选择；轮齿的主要失效形式和计算准 则；齿轮常用材料及选择方法；齿轮的载荷计算； 针对齿面接触疲劳强度失效和齿根弯曲疲劳强度失 效所进行的齿轮承载能力计算方法等。

学习要求1) 了解齿轮材料的选取和热处理方式的常识； 2) 掌握齿轮传动应力类型及变化特性、失效形式、 失效部位、产生机理及一般应对措施。掌握相应 的设计准则； 3) 了解载荷系数的物理意义及其影响因素； 4) 掌握齿轮传动受力分析的方法(包括假设条件、 力作用点、各分力大小、方向); 5)掌握直齿圆柱齿轮传动齿面接触疲劳强度和齿根 弯曲疲劳强度计算方法(包括力的计算点确定方 法及其依据)和斜齿圆柱齿轮传动强度计算的特 点； 6)理解齿轮传动的设计方法与步骤。

本章重点齿轮的失效形式和计算准则、齿轮的受力分析和 计算载荷、直齿圆柱齿轮传动的齿面接触疲劳强度

计算、齿根弯曲疲劳强度计算是本章的重点学习内容。要求弄清以下一些具体问题： 1)齿轮传动的失效形式及计算准则； 2)齿轮传动的受力分析； 3)参数ψd、z1、m和β等的选取原则；

4)圆柱齿轮传动强度计算公式中各参数的物理意义 及相互关系。

第一节 第二节 第三节 第四节

概述 轮齿的失效形式与计算准则 齿轮材料及其选择 圆柱齿轮传动的载荷计算

第五节

直齿圆柱齿轮传动的齿面接触疲劳强度

第六节 第七节 第八节 第九节

直齿圆柱齿轮传动的齿根抗弯疲劳强度 直齿圆柱齿轮传动的静强度计算 斜齿圆柱齿轮传动的强度计算 直齿锥齿轮传动

第十节

齿轮传动的效率与润滑

第一节

概 述

概

述

学习要求:① 了解齿轮设计需要解决的基本问题； ② 掌握齿轮设计中按工作条件和齿面硬度的分类方 法； ③ 了解传动比i和齿数比u之间的区别与联系； ④ 了解齿宽系数的含义； ⑤ 了解齿轮精度等级的概念。

齿轮传动设计中的基本问题按工作条件与齿面硬度的齿轮分类

齿轮传动的主要参数齿轮精度等级的选择

概

述

齿轮传动设计中的基本问题齿轮传动的类型很多，用途各异，但是从传递运 动和动力的要求出发，各种齿轮传动都必须解决两个 基本问题： ⑴ 传动平稳 就是要保证瞬时传动比恒定，以尽可 能减小齿轮啮合中的冲击、振动和噪声。 ⑵ 足够的承载能力 就是在尺寸和质量较小的前提 下，保证正常使用所需的强度、耐磨性等方面的要 求。在预定

的使用期限内不发生失效。 有关传动平稳的问题，涉及齿轮啮合原理方面的 许多内容，已在第八章作了比较详细的讨论。本章则

概

述

着重讨论齿轮传动的承载能力问题。为此将重点介 绍轮齿的失效形式和计算准则、齿轮常用材料及其选 择、受力分析与载荷计算以及齿轮传动的强度计算方 法等，并在此基础上，解决设计中如何确定齿轮传动 的基本参数和主要尺寸问题。 考虑到目前我国工业齿轮仍以渐开线齿廓为主， 故本章讨论问题范围仅限于渐开线齿轮传动。

按工作条件和齿面硬度的齿轮分类：在齿轮传动设计中，承载能力计算总是针对轮齿 的某种失效形式进行的，而轮齿的失效形式又与其工

概

述

作条件和齿面硬度等因素密切相关。不难想象：如果 齿轮是在一个密闭的润滑良好的空间内工作，不与机 器所处的外部环境相接触，那么空气中的粉尘就不能 侵入齿轮的啮合齿面中，轮齿一般也不会发生齿面的 磨粒磨损。相反，如果齿轮暴露在大气环境中，任由 机器所处环境空气中的粉尘直接侵入齿轮的啮合齿面 中，则齿面磨损的发生也就在所难避了。以上例子说 明了轮齿的失效形式是与齿轮的工作条件有关的。相 对于机器所处的环境来说，通常人们将在封闭空间内 工作的(与环境隔离开来的)齿轮传动称为闭式齿轮 传动，否则即称为开式齿轮传动。不难理解，齿面的 承载能力应与齿面硬度有关，硬度越高，则其承载能

概

述

力也越高。根据齿面硬度的大小，通常人们将齿轮传 动分为两类，即硬齿面齿轮传动和软齿面齿轮传动。 一对啮合齿轮的齿面硬度均大于350HBS者，称为硬齿 面齿轮传动，否则即称为软齿面齿轮传动。因此，齿 轮传动按工作条件和齿面硬度可作以下分类：闭式齿轮传动 按工作条件分 开式齿轮传动 齿轮传动

软齿面(硬度≤350HBS )齿轮传动按齿面硬度分 硬齿面(硬度>350HBS )齿轮传动

概

述

齿轮传动的主要参数 1. 模数m 模数是齿轮的重要参数之一。 圆柱齿轮标准模数 m系列见表8-1。 2. 传动比i 和齿数比u 在一对齿轮中，设主动轮转速n、齿数z,从动轮 转速、齿数则传动比i通常可表示为 z从 n主 i= (18-1)n从 z主

在一对齿轮中，若设小齿轮齿数为，大齿轮齿数 为，则齿数比u为 z2 u= z >1 (18-2)1

概

述

显然，在减速传动中u=i ,增速传动中u=1/i 。 3. 中心距a 中心距a是圆柱齿轮传动的特征尺寸，也是最重要 的几何参数之一。设计中应取值整齐、简单，并尽量 不含小数。在大批量生产时，推荐中心距按表18-1选 用。单件或小批量生产时可不受此限，建议参照《标 准尺寸GB/T2822—1981

》中的数系选用，或取尾数为 0、5、2、8的整数。 4. 齿宽b和齿宽系数 齿宽b与小齿轮分度圆直径之比，称齿宽系数，以 表示，即 b d= (18-3) d1

概

述

齿宽系数反映齿轮宽度与径向尺寸之间的比例关系。 d 的取值大小将直接影响齿轮传动的布局与传动质量， 因此也是齿轮设计中的重要参数之一。 由公式(18-3),齿宽b 可表示为 b=d (18-4) 在用公式(18-4)计算齿宽b时，有时会包含小数 部分，一般应对其进行圆整，即取整数。对于圆柱齿 轮传动(人字齿轮除外),通常还应使小齿轮齿宽b 比大齿轮齿宽b 宽出5~10mm,即一般取

b=b(圆整数)b=b+(5~10)mm

概

述

这是从有利于降低对安装的要求，并可保证大齿 轮能以其整个齿宽参加啮合，而不减小轮齿的有效齿 宽来考虑的。

齿轮精度等级的选择在渐开线圆柱齿轮和锥齿轮精度标准(GB/T 10095.1—2001和GB/T 10095.2—2001)中，分别对 圆柱齿轮和锥齿轮规定有12个精度等级，按精度的高 低依次为：1、2、…、12。并根据对运动准确性、传 动平稳性和载荷分布均匀性的要求不同，将每个精度 等级的各项公差依次分成三个组，即第Ⅰ公差组、第 Ⅱ公差组和第Ⅲ公差组。此外，还规定了齿坯公差 、