齿轮传动设计的探讨

朱自未

摘要：齿轮机构是当代机械中最为广泛应用的传动机构，空间中任意两轴、多轴之间的动力和运动都是通过齿轮传递的。齿轮传动并不是全是好的，是优点和缺点共存的。其优点主要有：传动效率高、紧凑的结构、工作极其可靠、寿命相对较长以及其准确的传动比。了解其优点的同时，其缺点也不容忽视。齿轮传动的缺点主要有：要求较高的制造和安装精度、昂贵的价格以及不适宜用于两轴间距离较大的情形。文章主要讲述了圆柱型齿轮传动设计以及承载能力的设计。啮合原理、啮合特点、基本参数以及几何尺寸等是运动设计的主要内容；而齿轮失效、设计计算准则、力分析和强度计算等属于承载能力设计的内容。

关键词：齿轮传动；运动设计；承载能力

齿轮传动是机械传动中最常见的传动之一，其中强度计算是齿轮传动设计的核心与难点。齿轮设计计算公式很多，较有影响的有：①国际标准化组织（ISO）公式；②美国齿轮制造协会（AGMA）公式；③德国工业标准（DIN）计算法；④日本齿轮工业协会（J GMA）公式；⑤英国标准（BS）公式；⑥前苏联国家标准（ГOCT）公式；⑦尼曼（Nieman）公式；⑧白金汉（Buck2ingham）公式等。各种公式的基本理论是相同的，且都以计算齿面接触应力和齿根弯曲应力为主，但其形式上存在一定的差异，对影响齿轮强度的因素的考虑也不尽相同。我国国家标准（GB/ T19406 —2003）渐开线直齿和斜齿圆柱齿轮承载能力计算方法工业齿轮应用是等同采用ISO 9085 ：2002。考虑到上述继承性并便于比较，本文称之为ISO/ GB 标准。

1齿轮传动设计的主要内容

① 齿轮齿廓设计；

② 渐开线标准直齿圆柱齿轮；

③ 齿轮的切削加工原理；

④ 渐开线直齿圆柱齿轮传动的设计；

⑤ 斜齿圆柱齿轮传动的运动设计；

⑥ 齿轮传动设计中的几项工作概要；

⑦ 圆柱齿轮传动的受力分析和计算荷载；

⑧ 圆柱齿轮传动的强度计算；

⑨ 直齿锥齿轮传动设计；

⑩ 齿轮的结构设计。

2传动的基本要求

传动平稳 在传动中保持瞬时传动比不变，冲击、振动以及噪声尽量小

承载能力大 在尺寸小、重量轻的前提下，要求齿轮的强度高、耐磨性好以及寿命长

3齿轮齿廓设计

①齿轮啮合基本定律：一对齿轮在任何位置啮合时，过接触点作齿廓公法线，必通过节点，她们的传动比与连心线被节点所分成两个线段成反比。

②渐开线齿廓

③渐开线齿廓的啮合特性

4计算荷载和荷载系数

在计算齿轮传动的强度时，用荷载系数K对名义荷载进行修正。名义荷载与荷载系数的乘积称为计算荷载。

Fnc=KFn

K=KAKVKαKβ

其中KA—考虑齿轮啮合时外部因素引起的附加动荷载的影响系数；

KV—考虑齿轮副自身啮合误差引起的内部附加动荷载的影响系数；

Kα—考虑同时啮合的各对齿轮间载荷分配不均匀影响的系数；

Kβ—考虑沿齿宽方向载荷分布不均匀对齿轮强度影响的系数。

5直齿圆柱齿轮传动的强度计算

齿轮接触疲劳强度应满足的关系：齿面接触应力σH≤许用接触应力σHP。

其中：

σH—接触应力（MPa）；

Fn—法向力（N）；

L—接触线长度（mm）；

ρΣ—综合曲率半径（mm），ρΣ=，正号用于外接触，负号用于内接触；

ZE—材料弹性系数（），

ZE=，其中E1，E2分别为圆柱体材料的弹性模量（MPa）；μ1，μ2分别为两圆柱体材料的泊松比。

6齿轮的结构设计

齿轮结构设计主要确定以下几个方面内容：齿轮轮缘，腹板的结构形式以及尺寸大小。结构设计一般考虑齿轮的以下因素：几何尺寸，材料，使用要求，工艺性和经济性。确定适合的结构型式，再按照设计手册推荐的经验数据确定结构尺寸。

齿轮轴

齿轮结构设计实心齿轮

腹板式齿轮

轮辐式齿轮

7齿轮传动的润滑设计

齿轮的润滑特殊性 轮齿形成油楔的条件差

啮合齿面间压力大，而且相对滑动的大小和方向变化大，轮齿常处于边界润滑和混合润滑状态

每次啮合都要重新建立油膜，润滑是断续的

载荷大，摩擦热也大，易使油温上升，加速油膜破坏

齿轮的材料、热处理、加工和装配精度及齿面粗糙度等影响因素

参考文献

[1] 周长江.齿轮传动设计两种计算标准的比较研究[R].百度文库.

[2] 吴克强.于晓红.机械设计[M].高等教育出版社,2003年3月第一版第一次印刷.

摘要：齿轮机构是当代机械中最为广泛应用的传动机构，空间中任意两轴、多轴之间的动力和运动都是通过齿轮传递的。齿轮传动并不是全是好的，是优点和缺点共存的。其优点主要有：传动效率高、紧凑的结构、工作极其可靠、寿命相对较长以及其准确的传动比。了解其优点的同时，其缺点也不容忽视。齿轮传动的缺点主要有：要求较高的制造和安装精度、昂贵的价格以及不适宜用于两轴间距离较大的情形。文章主要讲述了圆柱型齿轮传动设计以及承载能力的设计。啮合原理、啮合特点、基本参数以及几何尺寸等是运动设计的主要内容；而齿轮失效、设计计算准则、力分析和强度计算等属于承载能力设计的内容。

关键词：齿轮传动；运动设计；承载能力

齿轮传动是机械传动中最常见的传动之一，其中强度计算是齿轮传动设计的核心与难点。齿轮设计计算公式很多，较有影响的有：①国际标准化组织（ISO）公式；②美国齿轮制造协会（AGMA）公式；③德国工业标准（DIN）计算法；④日本齿轮工业协会（J GMA）公式；⑤英国标准（BS）公式；⑥前苏联国家标准（ГOCT）公式；⑦尼曼（Nieman）公式；⑧白金汉（Buck2ingham）公式等。各种公式的基本理论是相同的，且都以计算齿面接触应力和齿根弯曲应力为主，但其形式上存在一定的差异，对影响齿轮强度的因素的考虑也不尽相同。我国国家标准（GB/ T19406 —2003）渐开线直齿和斜齿圆柱齿轮承载能力计算方法工业齿轮应用是等同采用ISO 9085 ：2002。考虑到上述继承性并便于比较，本文称之为ISO/ GB 标准。

1齿轮传动设计的主要内容

① 齿轮齿廓设计；

② 渐开线标准直齿圆柱齿轮；

③ 齿轮的切削加工原理；

④ 渐开线直齿圆柱齿轮传动的设计；

⑤ 斜齿圆柱齿轮传动的运动设计；

⑥ 齿轮传动设计中的几项工作概要；

⑦ 圆柱齿轮传动的受力分析和计算荷载；

⑧ 圆柱齿轮传动的强度计算；

⑨ 直齿锥齿轮传动设计；

⑩ 齿轮的结构设计。

2传动的基本要求

传动平稳 在传动中保持瞬时传动比不变，冲击、振动以及噪声尽量小

承载能力大 在尺寸小、重量轻的前提下，要求齿轮的强度高、耐磨性好以及寿命长

3齿轮齿廓设计

①齿轮啮合基本定律：一对齿轮在任何位置啮合时，过接触点作齿廓公法线，必通过节点，她们的传动比与连心线被节点所分成两个线段成反比。

②渐开线齿廓

③渐开线齿廓的啮合特性

4计算荷载和荷载系数

在计算齿轮传动的强度时，用荷载系数K对名义荷载进行修正。名义荷载与荷载系数的乘积称为计算荷载。

Fnc=KFn

K=KAKVKαKβ

其中KA—考虑齿轮啮合时外部因素引起的附加动荷载的影响系数；

KV—考虑齿轮副自身啮合误差引起的内部附加动荷载的影响系数；

Kα—考虑同时啮合的各对齿轮间载荷分配不均匀影响的系数；

Kβ—考虑沿齿宽方向载荷分布不均匀对齿轮强度影响的系数。

5直齿圆柱齿轮传动的强度计算

齿轮接触疲劳强度应满足的关系：齿面接触应力σH≤许用接触应力σHP。

其中：

σH—接触应力（MPa）；

Fn—法向力（N）；

L—接触线长度（mm）；

ρΣ—综合曲率半径（mm），ρΣ=，正号用于外接触，负号用于内接触；

ZE—材料弹性系数（），

ZE=，其中E1，E2分别为圆柱体材料的弹性模量（MPa）；μ1，μ2分别为两圆柱体材料的泊松比。

6齿轮的结构设计

齿轮结构设计主要确定以下几个方面内容：齿轮轮缘，腹板的结构形式以及尺寸大小。结构设计一般考虑齿轮的以下因素：几何尺寸，材料，使用要求，工艺性和经济性。确定适合的结构型式，再按照设计手册推荐的经验数据确定结构尺寸。

齿轮轴

齿轮结构设计实心齿轮

腹板式齿轮

轮辐式齿轮

7齿轮传动的润滑设计

齿轮的润滑特殊性 轮齿形成油楔的条件差

啮合齿面间压力大，而且相对滑动的大小和方向变化大，轮齿常处于边界润滑和混合润滑状态

每次啮合都要重新建立油膜，润滑是断续的

载荷大，摩擦热也大，易使油温上升，加速油膜破坏

齿轮的材料、热处理、加工和装配精度及齿面粗糙度等影响因素

参考文献

[1] 周长江.齿轮传动设计两种计算标准的比较研究[R].百度文库.

[2] 吴克强.于晓红.机械设计[M].高等教育出版社,2003年3月第一版第一次印刷.

摘要：齿轮机构是当代机械中最为广泛应用的传动机构，空间中任意两轴、多轴之间的动力和运动都是通过齿轮传递的。齿轮传动并不是全是好的，是优点和缺点共存的。其优点主要有：传动效率高、紧凑的结构、工作极其可靠、寿命相对较长以及其准确的传动比。了解其优点的同时，其缺点也不容忽视。齿轮传动的缺点主要有：要求较高的制造和安装精度、昂贵的价格以及不适宜用于两轴间距离较大的情形。文章主要讲述了圆柱型齿轮传动设计以及承载能力的设计。啮合原理、啮合特点、基本参数以及几何尺寸等是运动设计的主要内容；而齿轮失效、设计计算准则、力分析和强度计算等属于承载能力设计的内容。

关键词：齿轮传动；运动设计；承载能力

齿轮传动是机械传动中最常见的传动之一，其中强度计算是齿轮传动设计的核心与难点。齿轮设计计算公式很多，较有影响的有：①国际标准化组织（ISO）公式；②美国齿轮制造协会（AGMA）公式；③德国工业标准（DIN）计算法；④日本齿轮工业协会（J GMA）公式；⑤英国标准（BS）公式；⑥前苏联国家标准（ГOCT）公式；⑦尼曼（Nieman）公式；⑧白金汉（Buck2ingham）公式等。各种公式的基本理论是相同的，且都以计算齿面接触应力和齿根弯曲应力为主，但其形式上存在一定的差异，对影响齿轮强度的因素的考虑也不尽相同。我国国家标准（GB/ T19406 —2003）渐开线直齿和斜齿圆柱齿轮承载能力计算方法工业齿轮应用是等同采用ISO 9085 ：2002。考虑到上述继承性并便于比较，本文称之为ISO/ GB 标准。

1齿轮传动设计的主要内容

① 齿轮齿廓设计；

② 渐开线标准直齿圆柱齿轮；

③ 齿轮的切削加工原理；

④ 渐开线直齿圆柱齿轮传动的设计；

⑤ 斜齿圆柱齿轮传动的运动设计；

⑥ 齿轮传动设计中的几项工作概要；

⑦ 圆柱齿轮传动的受力分析和计算荷载；

⑧ 圆柱齿轮传动的强度计算；

⑨ 直齿锥齿轮传动设计；

⑩ 齿轮的结构设计。

2传动的基本要求

传动平稳 在传动中保持瞬时传动比不变，冲击、振动以及噪声尽量小

承载能力大 在尺寸小、重量轻的前提下，要求齿轮的强度高、耐磨性好以及寿命长

3齿轮齿廓设计

①齿轮啮合基本定律：一对齿轮在任何位置啮合时，过接触点作齿廓公法线，必通过节点，她们的传动比与连心线被节点所分成两个线段成反比。

②渐开线齿廓

③渐开线齿廓的啮合特性

4计算荷载和荷载系数

在计算齿轮传动的强度时，用荷载系数K对名义荷载进行修正。名义荷载与荷载系数的乘积称为计算荷载。

Fnc=KFn

K=KAKVKαKβ

其中KA—考虑齿轮啮合时外部因素引起的附加动荷载的影响系数；

KV—考虑齿轮副自身啮合误差引起的内部附加动荷载的影响系数；

Kα—考虑同时啮合的各对齿轮间载荷分配不均匀影响的系数；

Kβ—考虑沿齿宽方向载荷分布不均匀对齿轮强度影响的系数。

5直齿圆柱齿轮传动的强度计算

齿轮接触疲劳强度应满足的关系：齿面接触应力σH≤许用接触应力σHP。

其中：

σH—接触应力（MPa）；

Fn—法向力（N）；

L—接触线长度（mm）；

ρΣ—综合曲率半径（mm），ρΣ=，正号用于外接触，负号用于内接触；

ZE—材料弹性系数（），

ZE=，其中E1，E2分别为圆柱体材料的弹性模量（MPa）；μ1，μ2分别为两圆柱体材料的泊松比。

6齿轮的结构设计

齿轮结构设计主要确定以下几个方面内容：齿轮轮缘，腹板的结构形式以及尺寸大小。结构设计一般考虑齿轮的以下因素：几何尺寸，材料，使用要求，工艺性和经济性。确定适合的结构型式，再按照设计手册推荐的经验数据确定结构尺寸。

齿轮轴

齿轮结构设计实心齿轮

腹板式齿轮

轮辐式齿轮

7齿轮传动的润滑设计

齿轮的润滑特殊性 轮齿形成油楔的条件差

啮合齿面间压力大，而且相对滑动的大小和方向变化大，轮齿常处于边界润滑和混合润滑状态

每次啮合都要重新建立油膜，润滑是断续的

载荷大，摩擦热也大，易使油温上升，加速油膜破坏

齿轮的材料、热处理、加工和装配精度及齿面粗糙度等影响因素

参考文献

[1] 周长江.齿轮传动设计两种计算标准的比较研究[R].百度文库.

[2] 吴克强.于晓红.机械设计[M].高等教育出版社,2003年3月第一版第一次印刷.