《齿轮传动机械原理》课件

齿轮传动机械原理齿轮传动是现代机械工程中应用最为广泛的传动形式，凭借其高效率、高精度和可靠性，在几乎所有工业设备中都能找到其应用本课件系统地介绍了齿轮传动的基本原理、设计方法以及实际应用场景课程内容涵盖了从基础理论到实际设计的全面知识体系，包括齿轮类型、几何参数、强度计算、失效分析以及制造工艺等方面这些知识对于机械工程专业的学生理解复杂机械系统的工作原理至关重要通过本课程的学习，学生将能够掌握齿轮传动的核心概念，并能够应用这些知识进行实际的齿轮系统设计和分析课程大纲理论基础设计方法本课程首先介绍齿轮传动的基学习齿轮设计的核心原理与计础知识，包括齿轮的定义、发算方法，掌握如何根据工作条展历史以及在现代机械中的重件确定齿轮的几何参数、材料要地位同时详细探讨不同类选择及热处理工艺，并进行强型齿轮的特点及其适用场合度校核和寿命预测实践应用通过案例分析和实例设计，了解齿轮制造工艺与精度控制方法，学习齿轮失效形式的识别与预防，以及齿轮传动系统的整体设计方法本课程采用理论与实践相结合的教学方式，帮助学生全面掌握齿轮传动的专业知识，为未来从事机械设计与制造领域的工作奠定坚实基础第一章齿轮传动概述起源与早期发展齿轮作为机械元件最早可追溯到公元前数世纪，古希腊阿基米德时期就有了原始齿轮的应用中国古代的指南车和水运仪象台中也使用了齿轮结构这些早期齿轮主要由木材制成，形状不规则，精度工业革命时期低下随着工业革命的推进，金属齿轮开始广泛应用于各类机械设备中世纪，英国工程师约翰威尔金森发明了更精确的齿轮切削机床，18·现代齿轮技术显著提高了齿轮的加工精度和应用范围世纪末，随着滚齿法等先进切齿技术的发明，齿轮制造发生了革19命性变革现代齿轮传动已成为机械工程中不可或缺的核心元件，在汽车、航空、船舶、工业设备等几乎所有机械领域中都发挥着关键作用齿轮传动的组成及工作原理基本组成工作原理齿轮传动系统主要由主动轮和从动轮组成主动轮连接动力源，齿轮传动的核心原理是通过啮合齿面之间的接触压力传递扭矩从动轮连接负载两者通过啮合的齿形将动力从主动轮传递至从当两个齿轮啮合时，它们的齿面沿着啮合线滚动并滑动，这一过动轮，实现转速和转矩的变换程中主动轮的旋转运动和动力被传递给从动轮齿轮的主要构成部分包括轮毂、轮缘和齿部轮毂用于与轴连接，在标准齿轮传动中，啮合过程遵循啮合定律，即齿廓啮合时的公轮缘提供结构支撑，而齿部则是实际参与啮合传动的工作部分法线必须通过节线上的固定点（节点）这保证了传动比的恒定，是齿轮传动精确性的基础齿轮传动的主要特点传动比准确恒定齿轮传动能够保持精确的传动比，波动极小，这对于需要精确速度控制的机械设备至关重要与摩擦传动和带传动相比，齿轮传动的速度比不受载荷、温度和润滑条件的影响效率高齿轮传动效率通常可达，远高于许多其他传动形式高效率意味着能量损失少，95%-99%尤其在大功率传动系统中，这种高效率可以显著降低能源消耗和热量产生结构紧凑，寿命长相比于相同功率的其他传动装置，齿轮传动结构更为紧凑，占用空间小经过合理设计和制造的齿轮系统可以达到数万小时的使用寿命，长期稳定工作而无需更换可靠性高，维护简便齿轮传动具有极高的可靠性，即使在恶劣环境下也能持续工作此外，齿轮系统的维护相对简单，通常只需定期检查和更换润滑油即可保持良好工作状态齿轮传动的应用范围汽车传动系统工业机器人可再生能源设备船舶与航空在汽车中，齿轮传动广泛现代工业机器人的关节传风力发电机组通常需要齿船舶推进系统中的减速齿应用于变速箱、差速器和动系统大多采用高精度减轮增速器将风轮的低速大轮箱连接高速发动机和低转向机构变速箱通过不速齿轮，如谐波齿轮传动扭矩转换为发电机所需的速螺旋桨，实现动力匹配同组合的齿轮实现变速变或行星齿轮传动这些传高速低扭矩这类增速齿而航空发动机中的复杂齿矩，差速器则允许左右车动系统能提供精确的位置轮箱需要承受复杂变载工轮系统则用于连接涡轮与轮以不同速度转动，确保控制和高扭矩输出，满足况，是齿轮设计的难点和风扇，提高整体效率汽车转弯时的平稳机器人对精度和负载的要重点求第二章齿轮的分类按轴线位置分类按齿形分类根据两轴之间的空间位置关系，齿轮可根据齿形曲线的几何形状，可分为渐开分为平行轴齿轮（如圆柱齿轮）、相交线齿轮、摆线齿轮、圆弧齿轮等其中轴齿轮（如圆锥齿轮）、交错轴齿轮渐开线齿轮因其制造简便、互换性好等（如蜗杆蜗轮）以及任意空间位置轴齿优点，成为最广泛应用的齿形轮（如螺旋齿轮）按精度等级分类按制造工艺分类根据精度要求，齿轮分为级精度依据制造方法可分为切削成形齿轮、模0-12等级，数字越小精度越高高精度齿轮具成形齿轮和铸造齿轮等不同的制造用于高速、高精密传动，而低精度齿轮工艺适用于不同的生产批量和精度要求，则适用于低速、低负荷场合直接影响齿轮的质量和成本按齿轮轴线位置分类轴线位置关系齿轮类型典型代表主要应用场合平行轴圆柱齿轮直齿圆柱齿轮、普通机械变速箱、斜齿圆柱齿轮工业减速器相交轴圆锥齿轮直齿圆锥齿轮、汽车差速器、机弧齿锥齿轮床角度传动交错轴蜗杆蜗轮圆柱蜗杆、槽轮起重机构、精密蜗杆仪器任意空间位置轴螺旋齿轮交错轴螺旋齿轮舰船推进器、飞机传动装置不同轴线位置的齿轮传动具有各自的特点和适用范围平行轴齿轮结构简单，应用最为广泛；相交轴齿轮可实现动力传递方向的转变；交错轴齿轮能够实现较大的传动比；而空间任意位置轴齿轮则可适应复杂的空间传动需求直齿圆柱齿轮结构特点性能特点主要优势应用领域直齿圆柱齿轮的齿线平行于轴线，直齿轮啮合时，齿接触线沿整个直齿轮没有轴向力，轴承设计简主要应用于低速重载的工业设备，结构简单，制造工艺相对简单齿宽瞬时接触，导致冲击载荷大，单，维护方便此外，其效率高，如起重机械、冶金设备、矿山机这种简单性使其成为初学者理解噪声较高其承载能力相对较低，热量产生少，在精度要求不高的械等在需要结构简单、成本低齿轮传动原理的最佳入门类型通常适用于低速（周速小于场合具有很好的性价比廉且对噪声要求不高的场合具有）传动场合广泛应用5m/s斜齿圆柱齿轮结构特点性能优势斜齿圆柱齿轮的齿线与轴线呈一定角度（螺旋角），齿形呈螺旋相比直齿轮，斜齿轮具有更高的重合度，啮合更加平稳，冲击载状这种设计使得齿轮啮合时，接触从一端逐渐过渡到另一端，荷小，噪声低在相同模数和齿宽条件下，斜齿轮的承载能力比而不是像直齿轮那样同时接触整个齿宽直齿轮高20%-30%斜齿轮的这种渐进啮合特性显著改善了传动平稳性和承载能力，斜齿轮特别适用于中高速传动场合（周速或更高），5-15m/s但同时也引入了轴向力，需要在轴承设计中予以考虑在现代机械中应用极为广泛其主要缺点是存在轴向力，需要采用推力轴承或双斜齿轮等结构进行平衡圆锥齿轮相交轴传动实现两相交轴之间的运动和动力传递传动角度可变通常为°，但也可设计为其他角度90改变传动方向能够改变旋转轴的方向，用于转向系统结构与制造复杂几何形状复杂，制造和检测难度大圆锥齿轮作为相交轴传动的主要形式，在机械传动中具有不可替代的作用其锥形结构使得两个相交轴之间能够有效传递动力，同时改变传动方向最典型的应用是汽车差速器，它允许两轮以不同速度转动，确保车辆转弯时的平稳性圆锥齿轮的制造精度要求高，生产工艺复杂，通常需要专用设备进行加工和检测根据齿形不同，可分为直齿圆锥齿轮、螺旋圆锥齿轮和弧齿圆锥齿轮等类型，其中弧齿圆锥齿轮因其较高的承载能力和平稳性，在高端传动系统中应用广泛面齿轮圆盘形结构齿分布在平面圆盘的侧面，形成独特的面啮合方式啮合特性与圆柱齿轮或锥齿轮啮合，实现特殊传动需求应用场景3常见于小型精密设备和空间受限的传动系统面齿轮是一种特殊的齿轮形式，其齿分布在圆盘的端面上，与常规齿轮形成明显区别这种结构使得面齿轮在啮合时接触线较长，能够分散载荷，提高承载能力面齿轮通常与正齿轮或螺旋齿轮配合使用，形成特殊的传动方式面齿轮在电动剃须刀、精密仪器、机械手表以及一些小型医疗设备中有广泛应用由于其特殊的啮合方式，面齿轮传动可在高速运转时保持较小的摩擦力和噪声，适合对噪声和振动有严格要求的场合同时，面齿轮结构紧凑，能够在有限空间内实现复杂的传动功能蜗杆蜗轮传动10-10070-90%传动比范围传动效率单级蜗杆传动可实现的大传动比，远超普通齿轮取决于蜗杆导程角和摩擦系数，低于普通齿轮传传动动°90典型交错角蜗杆与蜗轮轴线通常垂直交错，也可设计为其他角度蜗杆蜗轮传动是一种特殊的交错轴传动形式，由蜗杆（类似于单头或多头螺纹）和蜗轮（类似于与螺纹啮合的扇形齿轮）组成这种传动形式能够实现很大的传动比，具有结构紧凑、传动平稳、噪声低的特点蜗杆蜗轮传动的一个重要特性是自锁性，当导程角小于摩擦角时，蜗轮无法驱动蜗杆反转，这使其在起重机械、调节阀门等需要防止反转的场合具有独特优势然而，其效率相对较低，且摩擦热较大，需要良好的润滑和散热条件第三章渐开线齿轮基础渐开线齿廓的定义渐开线齿轮的基本参数渐开线是平面曲线的一种，定义为圆上一点绕圆运动的绳端轨迹渐开线齿轮的基本参数包括模数、压力角、齿数、齿宽等模数在齿轮设计中，渐开线被用作齿廓曲线，因其具有许多优异的数决定了齿轮的大小，压力角影响齿形和承载能力，齿数决定了齿学和力学特性渐开线齿轮已成为现代机械中最主要的齿轮类型轮直径与模数的关系，而齿宽则直接影响承载能力在国际标准中，常用的压力角为°，模数有标准系列值基20渐开线的数学方程可以精确描述，便于计算和制造同时，渐开本齿廓参数如齿顶高系数和齿根高系数也有标准规定这些标准线齿轮的接触点始终位于一条固定的直线上（啮合线），这确保化参数使得齿轮的设计、制造和互换变得简便可行了传动比的恒定性渐开线的形成原理基本定义渐开线是由一根拉紧的绳索在绕圆展开过程中，绳端点所形成的轨迹想象一根绳子缠绕在一个圆盘上，当你拉直绳子并保持绳子始终紧绷的状态下逐渐展开，绳子末端的轨迹就形成了渐开线曲线数学表达在极坐标系中，渐开线可以用参数方程表示设基圆半径为，参数为（展rbθ开角度），则渐开线上点的极坐标为，r=rb√1+θ²φ=θ-arctanθ这一数学表达式使得渐开线可以被精确计算和绘制几何特性渐开线具有非常重要的几何特性任意点处的法线都是该点到基圆的切线这一特性确保了渐开线齿轮在啮合过程中，接触点的公法线始终通过两基圆的连线上的定点，从而保证了传动比的恒定渐开线的这些特性使其成为齿轮齿廓的理想曲线理解渐开线的形成原理对于理解齿轮传动的基本理论和设计原则至关重要在实际齿轮设计中，所有计算和参数确定都建立在渐开线几何特性的基础上渐开线齿轮的优点加工简便，互换性好中心距变动不影响传动比渐开线齿轮可以使用标准化的刀具渐开线齿轮的一个突出优势是，即（如滚刀）进行加工，不需要针对使两齿轮的中心距发生变化（在一每个齿轮设计特定刀具这大大简定范围内），传动比仍保持不变化了生产过程，降低了制造成本这种特性使得渐开线齿轮对安装误同时，标准化的齿形保证了不同厂差和轴承磨损有较强的适应性，维家生产的齿轮具有良好的互换性护要求低于其他类型齿轮标准化程度高由于渐开线齿轮的广泛应用，其设计参数和制造方法已经高度标准化全球范围内采用统一的标准系统，便于国际合作和贸易这种标准化大大促进了机械工业的发展和技术交流渐开线齿轮凭借其优异的特性，已成为现代机械传动中最主要的齿轮类型虽然在某些特殊应用场合中也使用其他齿形（如摆线齿轮、圆弧齿轮等），但渐开线齿轮因其综合优势，在绝大多数机械设备中得到了广泛应用齿轮的基本参数模数m模数是表征齿轮大小的基本参数，定义为齿距与的比值（）模数直接决定了齿轮的尺寸，πm=p/π同时也是齿轮强度计算的基础模数越大，齿轮越大，承载能力也越高，但精度可能降低在国际标准中，模数有规定的系列值，如、、、等

11.

251.52压力角α压力角是齿廓公法线与运动方向的夹角，直接影响齿形和传动性能标准压力角通常为°，有时20也使用°或°压力角越大，齿根越粗壮，承载能力越高，但啮合平稳性可能降低压力角

14.525是决定齿轮传动特性的重要参数螺旋角β螺旋角是斜齿轮特有的参数，表示齿线与轴线的夹角螺旋角越大，齿轮啮合越平稳，噪声越低，但轴向力也越大常用的螺旋角范围为°°，需根据具体工况选择合适的值8~20齿高参数齿高系数和径向间隙系数决定了齿轮的齿高和齿顶间隙标准齿轮中，齿顶高系数，h*a c*h*a=

1.0径向间隙系数这些系数直接影响齿轮的啮合特性和使用寿命，是设计中需要认真考虑的重c*=

0.25要参数标准齿轮参数参数名称标准值允许范围影响因素模数系列值按标准系列选取齿轮大小、强度m mm

0.1~20压力角°°°，°，°齿形、承载能力α

2014.52025齿顶高系数啮合特性、强度h*a

1.

00.8~

1.2径向间隙系数装配间隙、润滑c*

0.

250.2~

0.4最小齿数（直齿）视具体情况而定避免根切、保证强度zmin17标准化参数在齿轮设计和制造中具有极其重要的意义使用标准参数可以简化设计过程，提高生产效率，确保产品质量的一致性，并且便于不同厂家齿轮的互换使用在实际设计过程中，应尽量采用标准参数，除非有特殊需求国际标准化组织（）和各国国家标准均对齿轮参数进行了规范在中国，相关标准如《渐开线直齿圆柱齿轮》和《渐开线斜齿圆柱齿轮》等，为齿轮设ISO GB/T1357GB/T10095计提供了明确的参考依据齿轮的几何尺寸计算第四章齿轮传动失效形式齿面接触疲劳齿根弯曲疲劳齿面长期承受高接触应力，导致表面产生点由于齿轮长期承受循环交变载荷，在齿根处蚀、剥落等疲劳损伤接触疲劳往往始于齿产生疲劳裂纹，最终导致齿断裂这是一种面弱点处，如微观缺陷或表面加工痕迹，然典型的疲劳失效形式，通常从齿根过渡圆弧后逐渐扩展形成剥落区域处开始，逐渐扩展直至整个齿断裂齿面胶合在高温高压下润滑油膜被破坏，导致金属表面直接接触并产生微焊接，引起材料表面迁移和粘着这种失效在高速重载条件下较为常见塑性变形与断齿在过载情况下，齿轮材料可能超过屈服强度齿面磨损而产生永久变形，或者在冲击载荷下发生断由于齿面相对滑动，特别是在润滑不良情况齿这类失效通常是灾难性的，往往导致设下，导致材料表面逐渐磨损长期磨损会改备突然停机变齿廓形状，降低传动精度，最终影响整个传动系统的性能接触疲劳失效失效机理影响因素与防护措施接触疲劳是齿轮最常见的失效形式之一，主要由齿面高接触应力影响接触疲劳的主要因素包括材料强度、表面硬度、热处理质量、引起当两齿轮啮合时，接触点处产生高达数千兆帕的局部应力润滑状态、表面粗糙度以及工作载荷其中，表面硬度是最关键这种高应力在表层下形成最大剪应力，经过无数次循环后，导致的因素之一，硬度越高，抗接触疲劳能力越强材料内部微裂纹的形成和扩展防止接触疲劳的主要措施包括选用高强度材料并进行适当的热这些微裂纹最终会扩展到表面，形成点蚀（初期）和剥落（后处理（如渗碳淬火），提高表面硬度至；改善齿面HRC58-62期）点蚀通常出现在节线附近，因为该区域滑动速度较低，油加工质量，降低表面粗糙度；确保良好的润滑条件，选择合适的膜形成困难随着点蚀的扩展，会形成较大的剥落区域，严重影润滑油；合理设计传动参数，避免局部过载；必要时进行齿面修响传动精度和平稳性形，改善载荷分布齿根弯曲疲劳应力状态齿根承受复杂的交变应力，每个啮合周期经历一次载荷循环裂纹形成经过多次循环后，齿根过渡处形成微小裂纹并逐渐扩展最终断裂裂纹达到临界长度后，导致齿突然断裂，造成传动系统失效齿根弯曲疲劳是另一种常见的齿轮失效形式，主要发生在齿的受拉侧根部当齿轮传递载荷时，齿就像一个悬臂梁，在根部产生最大弯曲应力这种应力随着啮合位置的变化而变化，形成应力循环经过长时间运转后，即使应力低于材料的静态强度，也可能导致疲劳裂纹的萌生影响齿根弯曲疲劳的因素包括齿形系数、应力集中系数、表面质量、材料疲劳强度等预防措施主要有优化齿形设计，增大过渡圆弧半径，减小应力集中；提高齿根表面质量，避免加工划痕；采用表面强化工艺，如喷丸、滚压等；选用韧性好的材料并进行适当热处理，提高疲劳强度；必要时进行齿根修圆处理齿面胶合高温形成在高速高载条件下，齿面摩擦产生大量热量，导致局部温度急剧升高当温度超过润滑油的临界温度时，油膜开始失效，无法有效分离两个摩擦表面金属直接接触油膜被破坏后，两个齿面金属表面直接接触在高温高压条件下，金属表面的氧化膜被破坏，露出活性金属表面，增加了分子间吸引力微观焊接与剪切接触点处形成微焊接点，随着齿轮继续旋转，这些焊接点被拉断，导致一个表面的金属被转移到另一个表面，形成局部凸起和凹坑累积损伤随着运行时间增加，表面损伤累积，齿面粗糙度增加，接触应力升高，进一步加剧胶合现象，形成恶性循环，最终导致严重的齿面损伤齿面磨损磨粒磨损粘着磨损油中的硬质颗粒或磨损产生的碎屑嵌当润滑剂无法完全分离两表面时，接入较软材料表面，刮擦另一表面，造触点产生局部粘着，导致材料表面层成划痕和沟槽这是最常见的磨损形转移这种磨损通常伴随着表面粗糙式，尤其在润滑不良或污染严重的环度的增加和微观上的材料迁移现象境中更为突出腐蚀磨损润滑油中的化学活性物质或环境中的腐蚀性介质与金属表面反应，形成氧化物或其他化合物，这些产物容易被剪切和剥离，加速了表面材料的损失齿面磨损是一种渐进式的失效过程，与其他突发性失效不同，它通常不会立即导致传动系统失效，但会随时间推移逐渐降低传动精度和效率长期磨损会改变齿轮的齿廓形状，增加啮合间隙，导致传动比不稳定、噪声增加以及振动加剧预防齿面磨损的主要措施包括选择合适的材料配对，确保适当的硬度差；改善润滑条件，使用高质量润滑油并定期更换；设置有效的过滤系统，清除润滑油中的杂质；控制工作环境，避免粉尘和腐蚀性介质的侵入；采用表面硬化处理，如渗碳、氮化等，提高表面耐磨性第五章齿轮传动设计准则满足强度要求保证齿轮在设计寿命内不发生破坏性失效满足性能要求确保传动平稳、噪声低、效率高、寿命长经济合理原则3在满足功能前提下，追求结构简单、制造经济综合设计思想4考虑制造、装配、维护等全生命周期因素齿轮传动设计是一项复杂的系统工程，需要综合考虑多方面因素设计过程通常从接触强度设计开始，因为接触疲劳是齿轮最常见的失效形式设计者需要计算实际接触应力，并与材料的许用接触应力进行比较，确保安全裕度同时，必须进行弯曲强度设计，防止齿根断裂此外，刚度设计也是必不可少的，因为过大的变形会导致传动精度下降和噪声增加在实际设计中，还需要考虑制造工艺、装配调整、润滑条件、使用环境等多方面因素，综合优化设计方案，达到最佳的技术经济效果接触强度设计弯曲强度设计计算原理许用应力确定弯曲强度设计的目的是防止齿根断裂，计算时将齿看作悬臂梁，许用弯曲应力的确定需要考虑材料的疲劳极限、所需寿命、[σF]载荷作用于齿顶实际应力计算公式为工作环境以及安全系数等因素基本公式为σF=FT·KA·Kv·KFα·KFβ·YFa·Yε·Yβ/b·m[σF]=σFlim·YST·YNT·YδrelT·YRrelT·YX/SF·YθF其中，为圆周力；为使用系数，考虑载荷的不均匀性；其中，为弯曲疲劳极限；为应力修正系数；为寿FT KAKvσFlim YSTYNT为动载系数，反映速度对载荷的影响；和为载荷分布系命系数；为敏感系数；为表面粗糙度系数；为KFαKFβYδrelT YRrelTYX数；为齿形系数；为重合度系数；为螺旋角系数；为尺寸系数；为安全系数；为温度系数YFa YεYβb SFYθF齿宽；为模数m合理选择安全系数是确保齿轮可靠工作的关键一般情况下，SF对于精密传动，取；一般传动取；重要或SF

1.2~

1.

51.5~

2.0恶劣工况下的传动取

2.0~

3.0刚度设计刚度的重要性齿轮刚度是指在载荷作用下抵抗变形的能力虽然强度设计确保了齿轮不会发生破坏性失效，但过大的弹性变形同样会导致传动性能下降过低的刚度会引起齿轮啮合误差增大、传动误差波动、啮合冲击加剧，最终导致噪声增加、振动加剧，甚至加速齿轮磨损影响因素影响齿轮刚度的主要因素包括齿轮几何参数（模数、齿数、压力角、齿宽等）、材料弹性模量、支撑结构刚度等其中，模数是影响齿轮刚度最直接的参数，模数越大，齿轮刚度越高齿宽增加也能有效提高齿轮的弯曲刚度，但过宽的齿会导致载荷分布不均刚度要求不同类型的传动系统对刚度的要求不同对于高精度传动（如数控机床、精密仪器），要求变形量极小，以保证传动精度；对于高速传动，要求刚度均匀，以减少动载荷；对于重载传动，刚度不足会导致过大的变形与载荷集中，加速疲劳失效提高措施提高齿轮刚度的主要措施包括增大模数（但会增加齿轮尺寸和重量）；优化齿宽（通常在b/d

0.3~

1.5范围内）；选用高弹性模量材料；采用加强肋、闭式轮毂等强化结构；进行齿面修形，改善载荷分布；优化轴、轴承支撑系统，提高整体刚度齿轮传动设计流程需求分析明确传动参数要求（输入转速、输出转速、功率、使用寿命等）和工作条件（环境、载荷特性、运行方式等）这一阶段需要全面收集相关信息，为后续设计奠定基础方案选择根据需求确定传动类型（直齿、斜齿、圆锥齿轮等）、传动级数、基本布局和传动比分配考虑结构紧凑性、经济性和可行性，选择最优传动方案参数计算确定基本参数（模数、齿数、压力角等），进行强度校核（接触强度和弯曲强度计算），必要时进行修正和优化，直至满足设计要求结构设计设计齿轮的具体结构形式（实体轮、轮毂式、腹板式等），确定连接方式（键连接、花键、过盈配合等），设计轴承支撑，完成三维模型建立校核与优化对设计结果进行全面校核，包括强度校核、刚度校核、热平衡校核等，必要时进行结构优化和参数调整，最终形成完整的设计文档第六章直齿圆柱齿轮设计结构特点设计参数材料与热处理直齿圆柱齿轮的齿线平行于轴线，结构简直齿圆柱齿轮的关键设计参数包括模数、常用材料包括碳钢（如钢）、合金钢45单，加工方便根据尺寸和承载要求，可齿数、压力角、齿宽系数等模数决定齿（如）和铸铁等热处理方式根据载40Cr采用实体式、腹板式或轮辐式结构小型轮大小，通常根据强度要求从标准系列中荷大小选择，低载荷可采用正火或调质；轻载齿轮通常为实体式；中等尺寸齿轮采选取；齿数影响传动比和尺寸，需考虑根中载荷可选表面淬火或高频淬火；高载荷用腹板式以减轻重量；大型齿轮则采用轮切问题；压力角影响齿形，标准值为°；通常采用渗碳淬火，以获得硬韧配合的优20辐式结构，兼顾强度和重量齿宽系数（）通常在范良性能合理的材料和热处理选择是确保ψd=b/d

0.3~

1.0围内，影响承载能力和刚度齿轮使用寿命的关键直齿圆柱齿轮的基本参数选择参数名称选择范围影响因素选择原则模数标准系列强度、尺寸、精度根据初步强度计算确定m

0.1~20mm齿数直齿传动比、根切、尺寸满足最小齿数要求，考虑传动比z z1≥17齿宽系数承载能力、刚度、稳定性高速小载荷取小值，低速大载荷取大值ψd

0.3~

1.0传动比单级效率、结构紧凑性考虑整体传动比分配，优化布局i i≤8直齿圆柱齿轮的设计首先要确定这些基本参数模数的选择是关键第一步，通常通过初步强度计算得到理论模数值，然后从标准系列中选取最接近的值标准模数系列包括、

0.

3、、、、、、、、、、、、、、、、、等

0.

40.

50.

60.

811.

251.

522.53456810121620mm齿数的选择需考虑传动比要求和根切问题为避免根切，直齿轮最小齿数通常为在满足传动比的前提下，应尽量选择较大的齿数，以改善啮合条件和提高强度齿宽系数的17选择则考虑载荷大小、运行速度和结构要求，一般情况下不宜过大，以避免轴向载荷分布不均传动比的优化则需考虑整个传动系统的布局和效率直齿轮的设计计算步骤确定传动方案根据传动要求确定传动比、总体布局及相关参数这一步需要考虑轴距限制、空间限制、传动效率要求等因素，合理分配传动比，确定初步方案特别要注意的是，传动方案的选择将直接影响后续所有设计环节初步参数计算根据接触强度计算，估算小齿轮直径或模数计算中需考虑材料许用应力、齿d1m宽系数、传动比等因素确定模数后，根据传动比确定齿数和，并计算实ψd uz1z2际中心距和齿宽等基本几何参数a b强度校核计算对确定的齿轮参数进行接触强度和弯曲强度校核计算检查实际应力是否小于许用应力，若不满足要求，则需调整模数、齿宽或材料等参数，并重新计算强度校核是确保齿轮可靠性的关键步骤结构设计与优化在满足强度要求的基础上，完成齿轮的具体结构设计，包括轮毂、轮辋、连接方式等同时进行必要的优化设计，考虑制造工艺、装配要求、重量限制等因素，确保设计的可行性和经济性直齿轮结构设计直齿轮的结构设计是齿轮设计的重要环节，主要包括轮毂、轮辋、轮缘和连接结构的设计轮毂是与轴连接的部分，其结构强度直接影响传递扭矩的能力轮毂长度通常为倍轴径，壁厚为倍轴径主要连接方式包括键连接（适用于中小扭矩）、花键连接

1.0~

1.

50.3~

0.4（适用于大扭矩或频繁拆装）和过盈配合（适用于永久连接）轮辋是支撑齿部的环形结构，其刚度影响齿轮的工作性能轮辋厚度通常为齿高的倍轮缘是连接轮毂和轮辋的部分，可采用实

2.5~

3.5体式、腹板式或轮辐式结构小型齿轮通常采用实体式结构；中型齿轮采用腹板式结构，腹板厚度为倍齿高；大型齿轮采用轮辐

0.3~

0.4式结构，辐条数量通常为个，辐条宽度为周长的6~81/8~1/12第七章斜齿圆柱齿轮设计斜齿轮的应用价值设计要点与区别斜齿圆柱齿轮在现代机械传动中应用极为广泛，尤其在中高速传斜齿轮的设计与直齿轮有明显不同首先，螺旋角的选择至关β动场合与直齿轮相比，斜齿轮的啮合更加平稳，噪声更低，承重要，通常在°°范围内，需根据具体工况确定螺旋角8~20载能力更高，使用寿命更长正是这些优势使得斜齿轮在汽车变越大，啮合越平稳，噪声越低，但轴向力也越大，对轴承设计要速箱、船舶传动、工业减速器等领域得到广泛应用求更高斜齿轮传动的主要特点是齿线与轴线成一定角度（螺旋角）其次，斜齿轮设计中需引入当量计算概念，如当量齿数、法向模β这种设计使得齿轮啮合时，接触线逐渐从一端扩展到另一端，而数与端面模数的关系等此外，斜齿轮产生的轴向力需要在轴承非像直齿轮那样整个齿宽同时接触，从而使啮合过程更加平稳，设计和箱体结构中予以考虑合理的斜齿轮设计需要平衡传动性减少了冲击和噪声能、结构复杂性和制造成本三者之间的关系斜齿轮的特点重合度大，运行平稳斜齿轮的重合度由端面重合度和轴向重合度两部分组成，总重合度由于存在轴向重合度，εαεβε=εα+εβ斜齿轮的总重合度通常大于，有些甚至达到以上，远高于直齿轮的典型值（约）较大的

1.

531.2~

1.6重合度意味着平均有更多齿同时参与载荷分担，啮合过程更加平稳，冲击减小，噪声降低强度高，承载能力大斜齿轮的承载能力通常比相同尺寸的直齿轮高这主要得益于更大的重合度和更平稳的载荷过20%~30%渡同时，斜齿轮的齿形更为粗壮，齿根宽度大于直齿轮，提高了弯曲强度正是这种更高的承载能力，使得斜齿轮在需要传递大功率的场合具有明显优势产生轴向力斜齿轮啮合时会产生轴向力，这是其结构特点决定的轴向力的大小与圆周力和螺旋角有关，计算公式为这种轴向力要求轴承能够承受轴向载荷，增加了轴承选型和布置的复杂性在某些应用中，Fa=Fttanβ可以采用双斜齿（人字齿）设计来平衡轴向力适用于中高速传动得益于其良好的啮合特性，斜齿轮特别适合中高速传动场合（周速或更高）在高速运转时，5~15m/s斜齿轮能够保持较低的噪声和振动水平，提供更平稳的动力传递这使得斜齿轮在汽车、航空、船舶等要求高速平稳传动的领域得到广泛应用螺旋角的选择β斜齿轮的计算特点当量齿数计算斜齿轮的当量齿数大于实际齿数，计算公式为例如，一个有个齿且螺旋ze zze=z/cos³β20角为°的斜齿轮，其当量齿数约为，这意味着从根切角度看，该斜齿轮相当于有个202424齿的直齿轮这一特性使得斜齿轮可以使用较少的实际齿数而不发生根切压力角关系斜齿轮有三个重要平面端面、法向和轴向压力角在这三个平面上有不同值，其关系为（为端压力角，为法向压力角）例如，当标准压力角°，tanαt=tanαn/cosβαtαnαn=20螺旋角°时，端压力角约为°，这会影响齿形计算和力的分解β=20αt

21.173模数关系同样，模数在不同平面上也有差异，关系为（为端面模数，为法向模mt=mn/cosβmt mn数）加工时通常使用法向模数，而计算齿轮尺寸时则多用端面模数例如，法向模mn mt数，螺旋角°时，端面模数约为，这直接影响齿轮的几何尺寸mn=2mmβ=15mt

2.07mm计算轴向力计算斜齿轮传动产生轴向力，计算公式为（为圆周力）这一轴向力需要在轴承选Fa=FttanβFt择和箱体设计中予以考虑例如，当圆周力，螺旋角°时，产生的轴向力Ft=1000Nβ=15约为，需要选择能够承受此轴向载荷的轴承Fa268N斜齿轮结构设计轴承选择与布置轴向力平衡措施由于斜齿轮传动产生轴向力，轴承的选择需要能够承受径向和轴为了减少轴向力对系统的影响，可以采取多种结构措施一种常向复合载荷常用的轴承类型包括角接触球轴承、圆锥滚子轴承用方法是采用双斜齿轮设计，即在同一轴上设置两个螺旋方向相和推力轴承等轴承布置方式通常采用定游配置，即一端使反的斜齿轮，形成人字齿结构，使轴向力相互抵消这种设计-用能够限制轴向位移的固定轴承，另一端使用允许轴向位移的活在大功率传动中应用广泛动轴承，以适应热膨胀和装配误差另一种方法是使用推力轴承专门承受轴向力，减轻主轴承的轴向对于承受较大轴向力的场合，应考虑轴承的轴向载荷能力和寿命载荷对于小型传动，还可以通过优化螺旋角大小，在保证啮合计算轴承间距的选择需平衡轴的支撑刚度和轴承载荷分配，通性能的前提下尽量减小轴向力合理的结构设计能够有效解决斜常取为轴径的倍齿轮传动中的轴向力问题，提高系统的可靠性和寿命

2.5~4第八章圆锥齿轮设计应用场景圆锥齿轮主要用于相交轴之间的动力传递，最典型的应用是°传动常见应用包括90汽车后桥差速器、机床主传动、船舶转向系统、农业机械传动装置等领域圆锥齿轮能够改变动力传递的方向，在空间布局受限的机械系统中具有不可替代的作用关键参数圆锥齿轮的设计涉及多个特殊参数，如锥角、大端模数、平均模数等锥角决定了圆锥的基本形状；大端模数决定了齿的尺寸；螺旋角影响传动平稳性这些参数的合理选择直接关系到传动性能和使用寿命强度计算圆锥齿轮的强度计算采用当量计算方法，将圆锥齿轮转换为虚拟的圆柱齿轮进行计算接触强度和弯曲强度的计算都需要考虑特殊的修正系数，以反映圆锥齿轮的独特特性结构特点圆锥齿轮的结构设计需考虑定位、支撑和调整的需求轴的支撑通常采用对称布置的轴承，确保足够的刚度装配调整机构是圆锥齿轮传动的重要组成部分，用于精确控制啮合间隙和接触状态圆锥齿轮的基本参数几何参数定义参数选择与计算圆锥齿轮的基本几何参数包括锥角、模数、齿数等锥角和大端模数的选择遵循与圆柱齿轮类似的原则，根据强度要求δ1me是圆锥母线与轴线的夹角，对于标准°传动，从标准系列中选取齿数和的选择需考虑传动比要求，通δ290z1z2°圆锥齿轮使用大端模数作为基本参数，它定常主动轮齿数不宜少于，以避免根切传动比一般δ1+δ2=90me12i=z2/z1义在齿轮大端的分度圆上不超过，超过则考虑分级传动5另一个重要参数是齿锥角度，它是从齿轮中心到分度锥顶点的锥角的计算基于传动比和轴交角（通常为°）γΣ90角度此外，还有齿高锥角和，分别定义了齿顶锥和齿根锥，对于标准δaδf tanδ1=sinΣ/cosΣ+i tanδ2=isinΣ/cosΣ+i的几何形状这些参数共同确定了圆锥齿轮的三维几何特性°传动且的情况，°圆锥齿轮的平均压力90i=1δ1=δ2=45角通常取°，而螺旋角（对于螺旋锥齿轮）则在20°°范围内选择，以获得较好的重合度30~40圆锥齿轮的强度计算圆锥齿轮的强度计算采用当量计算方法，即将圆锥齿轮转换为等效的虚拟圆柱齿轮进行计算这种方法考虑了圆锥齿轮的几何特性，同时利用了圆柱齿轮计算的成熟理论计算时通常在平均分度圆上进行，需要引入一系列特殊的修正系数接触强度校核计算公式为，其中添加了圆锥齿轮特有的系数σH=ZH·ZE·Zε·Zβ·√[FT·KA·Kv·KHα·KHβ/bm·dm·u/u+1]弯曲强度校核则采用类似圆柱齿轮的方法，但需考虑圆锥齿轮的特殊齿形系数安全系数的选择通常比圆柱齿轮略高，因为圆锥齿轮的载荷分布更加复杂，加工和装配精度要求更高圆锥齿轮的结构设计轴的支撑与定位设计圆锥齿轮轴的支撑设计至关重要，直接影响传动精度和可靠性轴承选择与预紧调整通常采用成对安装的圆锥滚子轴承，提供足够的径向和轴向支撑能力装配与调整方法需设计可调整机构，精确控制啮合间隙和接触状态圆锥齿轮的结构设计需要特别关注轴的支撑与定位问题由于圆锥齿轮传动力的复杂性，轴承系统需要能够同时承受径向力、轴向力和倾覆力矩常用的支撑方式是在轴的两侧分别安装成对的圆锥滚子轴承，形成型或型布置，提供足够的刚度和定位精度O X锥度与配合的控制是另一个关键问题圆锥齿轮与轴的连接通常采用锥度配合，确保同轴度和定位精度装配调整机构是圆锥齿轮传动系统的重要组成部分，通常采用轴向移动的方式来调整啮合间隙和接触状态调整机构可以是垫片、调整螺母或专用的调整装置，目的是在保证足够啮合精度的同时，允许一定的装配和制造误差第九章蜗杆蜗轮传动设计啮合特性结构特点热平衡设计蜗杆蜗轮传动是一种特殊的交错轴传动形蜗杆蜗轮传动具有结构紧凑、传动比大、蜗杆蜗轮传动的主要缺点是效率较低，通式，蜗杆类似于多头螺纹，蜗轮类似于与传动平稳、噪声低等特点其特殊的啮合常在范围内，取决于导程角和40%~90%螺纹啮合的扇形齿轮啮合时，蜗杆与蜗方式使得单级传动比可达，远超摩擦系数低效率意味着大量能量转化为10~100轮的接触是沿着螺旋线进行的，形成线接其他类型齿轮传动此外，当导程角小于热量，因此热平衡设计至关重要设计中触或点接触，这种啮合方式确保了传动的摩擦角时，蜗杆蜗轮传动具有自锁性，能需要考虑散热结构、润滑系统和材料配对，平稳性和可靠性防止反向驱动，这在升降、调节等机构中确保传动系统在长期运行过程中不会因过具有独特优势热而失效蜗杆蜗轮传动的效率蜗杆蜗轮的材料选择组件常用材料热处理方式硬度要求蜗杆钢、调质或表面淬火4540Cr HRC45-55蜗杆高载荷渗碳淬火20CrMnTi HRC58-62蜗轮锡ZCuSn10Pb1-HB80-120青铜蜗轮低负荷铝青铜、塑料--蜗轮高负荷锌青铜ZQSn5-5-5-HB140-180蜗杆蜗轮的材料选择对其性能和寿命有决定性影响通常采用硬软配对原则，即蜗杆采用硬材-料，蜗轮采用较软材料这种配对可以改善磨合性能，降低摩擦系数，提高耐磨性，同时便于制造和维修蜗杆常用材料为中碳钢或合金钢，如钢、等，经调质或表面淬火处理后达到4540Cr HRC45-的硬度对于高载荷应用，可选用等渗碳钢，经渗碳淬火后硬度可达5520CrMnTi HRC58-62蜗轮则多采用锡青铜材料，如，具有良好的抗粘着性、耐磨性和导热性对于低ZCuSn10Pb1负荷场合，可使用铝青铜或工程塑料；高负荷场合则选用含锌量较高的青铜材料，如ZQSn5-5-5蜗杆蜗轮的润滑与冷却润滑方式选择润滑油选择根据运行速度和载荷确定适合的润滑方式，从简选择具有适当粘度和极压性能的齿轮油，确保形单的油浴到复杂的循环压力润滑成足够油膜厚度散热结构设计冷却系统设计优化箱体结构，增加冷却肋，必要时设置强制通配置油冷却器或散热片，控制油温在安全范围内，风装置通常不超过℃80由于蜗杆蜗轮传动的效率相对较低，大量能量转化为热量，因此润滑与冷却系统设计至关重要润滑方式的选择取决于周速和负载条件低速轻载可采用油浴润滑；中速中载宜用飞溅润滑；高速重载则需要循环压力润滑无论采用何种方式，都应确保润滑油能够充分覆盖啮合区域润滑油的选择需考虑粘度、极压性能和抗氧化性蜗杆传动的润滑油粘度通常比普通齿轮油高，以确保在高压和高温条件下形成足够的油膜厚度对于重载蜗杆传动，应选用含有极压添加剂的润滑油冷却系统的设计则需考虑热平衡计算，确定是否需要油冷却器或其他冷却装置散热结构设计包括增加箱体表面积、设置冷却肋、合理布置通风口等，目的是保持油温在安全范围内，通常不超过℃80第十章齿轮传动系统设计实例设计流程计算机辅助设计分析与优化齿轮传动系统的设计是一个系统工程，需现代齿轮传动系统设计广泛采用计算机辅有限元分析和动力学仿真已成为齿FEA要遵循科学的设计流程首先进行需求分助设计工具，如、轮系统设计的重要工具通过这些先进技CAD SolidWorks析，明确功率、转速比、使用寿命等基本等进行三维建模，利用专业齿轮术，设计者可以预测齿轮在实际工作条件Inventor要求；然后进行传动方案规划，确定传动设计软件如进行参数优化和强度下的应力分布、变形情况和动态行为，从KISSsoft类型、级数和布局；接着进行参数计算和分析这些工具大大提高了设计效率和精而优化设计参数，提高产品性能和可靠性强度校核；最后完成详细的结构设计和技度，减少了设计错误，缩短了产品开发周参数化设计和优化算法的应用，进一步推术文档编制期动了齿轮设计向智能化方向发展齿轮传动系统设计案例级2传动级数该工业减速器采用两级传动设计，实现大传动比40:1总传动比通过合理分配各级传动比，实现高精度减速95%传动效率优化设计使整体传动效率达到业内领先水平小时10K设计寿命满足连续重载工况下的长期可靠运行要求以某工业减速器设计为例，该设备需要将的电机转速降至约，传递功率设计采用两级圆柱齿轮传动，第一级使用斜齿轮传动1450r/min36r/min55kW比，第二级使用斜齿轮传动比，总传动比约为两级传动的分配考虑了空间限制和效率平衡

6.

36.3540齿轮材料选用，经渗碳淬火处理，表面硬度达到传动装置采用分体式箱体结构，便于装配和维护润滑采用强制循环系统，配备油42CrMo HRC58-62冷却器控制温度轴承选用圆锥滚子轴承和圆柱滚子轴承组合，满足复杂载荷条件密封系统采用迷宫密封与油封组合，确保长期可靠运行该设计成功平衡了性能、成本和可靠性要求，得到用户高度评价齿轮制造与检测齿轮加工方法齿轮制造采用多种加工方法，主要包括成形法（如铣削、插齿）和展成法（如滚齿、剃齿）成形法使用与齿间形状相同的刀具直接加工齿间；展成法则通过刀具与工件的相对运动生成齿形，效率更高，精度更好磨齿是获得高精度齿轮的关键工艺精度等级要求按照国际标准，齿轮精度分为级，数字越小精度越高高速精密传动要求级精0-125-6度；普通机械传动要求级精度；低速低负荷传动可使用级精度精度等级直接7-89-10影响传动的平稳性、噪声和寿命检测方法齿轮检测包括单项误差检测和综合误差检测常用检测参数有齿厚、基节、径向跳动、齿形误差、齿向误差等现代检测设备如齿轮测量中心可自动完成多项参数的测量，大大提高了检测效率和精度质量控制齿轮的质量控制贯穿设计、制造、装配全过程通过建立完善的质量管理体系，实施过程控制，确保最终产品满足设计要求齿轮的齿面接触检查是评估装配质量的重要方法，通常使用着色剂检查实际接触状态总结与展望数字化设计与智能制造基于云计算和大数据的齿轮全生命周期管理新材料应用高性能复合材料和特种金属材料的广泛应用绿色传动技术节能、低噪声、环保的新一代传动系统传动系统一体化机电液一体化设计，提高系统整体性能本课程系统介绍了齿轮传动的基本原理、类型特点、设计方法和实际应用，为学生掌握齿轮传动技术提供了全面的知识体系齿轮传动作为机械工程的核心技术之一，其重要性不言而喻，深入理解齿轮传动原理对于机械工程师的专业成长至关重要展望未来，齿轮传动技术将向着数字化、智能化、绿色化方向发展新材料、新工艺的应用将不断提升齿轮传动的性能和可靠性；数字孪生技术将实现齿轮的全生命周期管理；打印等增材制造技术将革命性地改变齿轮的生产方式；人工智能与大数据分析将实现齿轮系统的状态监测和预测性维护齿轮传动技术与时俱进，将3D继续在现代机械工程中发挥不可替代的作用。