《传动齿轮》课件

传动齿轮齿轮传动是机械传动系统的核心组成部分，在现代机械工程中扮演着不可替代的角色它通过啮合的齿形将动力从一个轴传递到另一个轴，实现旋转运动的传递与转换齿轮传动凭借其高效率、传动比稳定和结构紧凑等优势，广泛应用于各类机械设备中，从简单的时钟机构到复杂的工业设备，从汽车变速箱到大型风力发电机组本课程将系统介绍齿轮传动的基本原理、设计方法、材料选择、制造工艺及应用实例，帮助学习者全面掌握齿轮传动技术课程目标掌握基本设计原理学习齿轮传动的基础理论，包括啮合原理、几何参数、运动学和动力学分析等，建立齿轮传动的系统认知学习强度计算方法掌握齿轮接触强度和弯曲强度的计算理论与方法，能够进行齿轮的强度校核与寿命预测设计可靠传动系统根据不同工作条件，学会选择合适的齿轮类型、材料和参数，设计出满足要求的齿轮传动系统掌握结构设计方法了解各类齿轮的结构特点，掌握齿轮、轴、轴承等部件的集成设计方法，实现优化的系统设计齿轮传动基础定义与本质齿轮传动是利用两个或多个啮合齿轮的相对运动来传递动力和运动的机械传动方式，其本质是通过标准化的齿形实现精确的运动传递啮合原理齿轮啮合遵循渐开线啮合原理，确保传动比恒定，运动平稳连续，这是齿轮传动区别于其他机械传动形式的关键特性工程地位作为机械工程的基础技术之一，齿轮传动在现代工业中应用极为广泛，是实现精确运动控制和动力传递的重要手段，在各类机械装备中发挥着关键作用齿轮传动的历史发展古代应用1早在公元前世纪，古希腊的阿基米德就设计了齿轮装置中国3古代的指南车和水力驱动的天文钟也使用了齿轮机构这些早期齿轮多由木材制成，主要用于天文仪器、水钟和简单机械工业革命时期2世纪工业革命期间，金属齿轮逐渐取代木齿轮，铸铁齿轮广18泛应用于纺织机械和蒸汽机随着数学理论的发展，渐开线齿形被确立为标准齿形，齿轮制造精度显著提高现代技术革新3世纪以来，数控加工、精密铸造、粉末冶金等先进制造技术20使齿轮制造精度达到前所未有的水平计算机辅助设计与分析技术的应用，极大地提高了齿轮设计的效率和可靠性齿轮传动的基本概念啮合过程基本圆齿轮副啮合是两个齿轮齿分度圆是齿轮设计的基准面在相对运动中持续接触圆，其直径与模数和齿数的过程标准齿轮啮合遵的乘积相等节圆是啮合循渐开线原理，确保传动齿轮副实际滚动的圆基比恒定，运动连续平稳，圆是生成渐开线齿形的基是齿轮传动的核心特性础圆顶圆和根圆分别限定了齿顶和齿根的位置啮合线与作用线啮合线是齿轮副齿面接触点的轨迹线作用线是两个齿轮基圆的公共外切线，也是啮合过程中力的传递线正确的啮合线设计是确保齿轮传动平稳和高效的关键齿轮传动的类型概述按齿形分类按照齿轮的齿形可分为直齿、斜齿、人字齿、弧齿等不同类型不同齿形具有各自的优缺点和适用场景，影响着传动的平稳性、承载按轴位关系分类按传动功能分类能力和噪声水平根据两轴之间的位置关系，齿轮传动可分为根据功能可分为减速传动、增速传动、转向平行轴齿轮传动（如圆柱齿轮传动）、相交传动和差动传动等每种功能类型有着特定轴齿轮传动（如锥齿轮传动）和交错轴齿轮的应用场景和设计要求，在机械系统中发挥传动（如蜗轮蜗杆传动）着不同的作用平行轴齿轮传动直齿圆柱齿轮斜齿圆柱齿轮人字齿圆柱齿轮直齿圆柱齿轮是最基本的齿轮类型，斜齿圆柱齿轮的齿线与轴线成一定角人字齿圆柱齿轮由两组相反方向的斜其齿线与轴线平行结构简单，制造度，实现渐进啮合传动平稳，噪声齿组成，能够平衡轴向力，保持斜齿方便，维护容易，但传动时容易产生小，承载能力高，但会产生轴向力，轮的平稳传动优势结构较复杂，制冲击和噪声主要适用于低速、轻载对轴承要求较高适用于中高速、中造和装配精度要求高，主要用于重载、或对噪声要求不高的场合重载场合大功率传动直齿圆柱齿轮特点结构简单设计与制造工艺相对简单无轴向力仅产生径向力，轴承选择简单啮合特性线接触，瞬时啮合，噪声较大直齿圆柱齿轮是最基本的齿轮类型，其齿线与轴线平行由于其结构简单，制造工艺成熟，成本较低，在许多中小型机械中应用广泛然而，直齿轮的瞬时啮合特性导致运行时易产生冲击和振动，在高速运转时噪声明显其承载能力也相对较低，主要适用于低速、轻载或对噪声要求不高的场合，如玩具、简单工具机械等斜齿圆柱齿轮特点啮合平稳性好轴向力影响斜齿轮的啮合是渐进式的，斜齿轮传动时会产生轴向一对齿在啮出前，下一对力，需要使用能够承受轴齿已经啮入，这种重叠啮向载荷的轴承，如推力轴合特性显著提高了传动的承或圆锥滚子轴承轴向平稳性和连续性，大大减力的大小与螺旋角、传递少了振动和噪声，适合高功率和齿轮直径有关，设速运转场合计时需特别考虑承载能力优势由于斜齿轮的齿面接触线较长，单位长度上的载荷较小，加上渐进啮合减小了冲击，使得斜齿轮的承载能力比同等尺寸的直齿轮高，适合中重载工况20%-30%人字齿圆柱齿轮特点轴向力平衡运行平稳制造复杂人字齿轮由两组相反保持了斜齿轮渐进啮结构较为复杂，需要方向的斜齿组成，两合的优点，传动平稳，专用设备进行加工，部分产生的轴向力大噪声低，振动小，适制造精度要求高，成小相等方向相反，相合高速重载工况，如本较高，装配和调整互抵消，无需特殊轴船舶推进系统和大型也较为困难，维护要承即可承受高负载工业减速器求更高相交轴齿轮传动直齿锥齿轮结构简单，制造容易，但噪声大斜齿锥齿轮传动平稳，承载能力高弧齿锥齿轮高速重载条件下性能最佳相交轴齿轮传动主要用于连接相交轴，典型的是锥齿轮传动在汽车差速器、航空发动机传动系统、船舶推进系统等领域有广泛应用直齿锥齿轮适用于低速场合；斜齿锥齿轮提供更平稳的传动；弧齿锥齿轮则在高速重载条件下表现出色锥齿轮传动系统的设计与制造难度较大，精度要求高，成本也相应较高随着加工技术的进步，现代锥齿轮的精度和性能不断提升，应用范围也在不断扩大交错轴齿轮传动斜齿轮传动准双曲面锥齿轮传动蜗轮蜗杆传动两对标准斜齿轮可用于交错轴传动，特殊的齿形设计使得这类齿轮能够在最常用的交错轴传动方式，能实现大但接触条件不理想，仅为点接触，传交错轴间实现较好的啮合条件比斜传动比，自锁性好，传动平稳，但效动效率低，承载能力有限主要用于齿轮传动具有更高的承载能力和效率，率相对较低广泛应用于需要大减速传递小功率的辅助机构中，如仪表指但制造复杂，成本高比的场合，如起重机械、输送设备等示系统线接触，效率较高•点接触，效率低大传动比••制造难度大•适用于轻载场合自锁性好••效率较低•蜗轮蜗杆传动工作原理蜗杆类似于一个带有连续螺旋齿的螺旋，蜗轮则类似于与螺旋啮合的齿轮蜗杆旋转带动蜗轮转动，实现交错轴之间的运动传递这种啮合方式类似于螺纹与螺母的配合，但通过特殊的齿形设计，实现了连续平稳的传动结构特点蜗杆一般为单头、双头或四头，头数越多传动比越小蜗轮的齿形为凹形，与蜗杆的螺旋面相匹配两者之间通常为交错，但也可以90°是其他角度啮合时蜗杆与蜗轮之间为点接触或线接触，接触面积小，容易产生磨损传动比与效率蜗轮蜗杆传动可以实现很大的传动比（通常为），结构紧10-100凑，传动平稳无噪声但由于滑动摩擦较大，传动效率较低（一般为），效率随传动比的增大而降低滑动摩擦还会产30%-90%生大量热量，需要考虑散热和润滑问题内啮合齿轮传动结构特点行星齿轮系应用与外啮合优势比较内啮合齿轮传动由一个外齿轮（行星内啮合结构是行星齿轮系统的核心组相比外啮合，内啮合具有结构紧凑、轮）和一个内齿轮（齿圈）组成，外成部分，通过中心轮、行星轮和齿圈承载能力高、传动平稳、噪声低等优齿轮在内齿轮内部啮合运动内齿轮的组合，可实现多种传动方案行星点同时，内啮合齿轮传动的中心距的齿形是常规齿轮的阴模，使外齿齿轮系广泛应用于汽车变速箱、风力小于两齿轮半径之和，大大减小了传轮能够在其内部啮合运转发电机组、工业减速器等领域动系统的空间需求齿轮齿条传动工作原理应用场景设计要点齿轮齿条传动是由圆柱齿轮（小齿轮）齿轮齿条传动广泛应用于需要精确转齿轮齿条传动的关键设计考量包括和齿条（可视为半径无限大的齿轮）换旋转运动和直线运动的场合组成的传动机构小齿轮的旋转运动汽车转向系统模数选择影响传动精度和承载能••转化为齿条的直线运动，或反之这力机床进给机构是实现旋转运动与直线运动相互转换•齿条长度决定行程范围的最常用方法之一升降平台••压力角影响传动效率和摩擦力•精密定位设备•啮合原理与普通齿轮相同，遵循渐开齿形修正可改善啮合条件•线啮合原则，保证传动平稳和传动比•测量仪器恒定•预紧装置减小间隙提高精度传动比计算₁₂₂₁i=n/n i=z/z传动比定义计算公式主动齿轮与从动齿轮转速之比从动齿轮齿数与主动齿轮齿数之比₁₂₃₁₂×₂₃i=i i多级传动比各级传动比的乘积传动比是齿轮传动设计中的核心参数，它决定了输出轴与输入轴之间的转速关系对于减速器，传动比大于1；对于增速器，传动比小于1在设计多级齿轮传动时，应合理分配各级传动比，以获得最佳的传动效果和结构紧凑性在行星齿轮系中，传动比计算较为复杂，需要考虑中心轮、行星轮、齿圈的齿数关系和约束条件通过不同的固定方式，可以获得多种传动比，增加了系统的灵活性齿轮传动的优点高效率传动平稳齿轮传动的效率通常在之间，95%~99%齿轮传动的啮合遵循渐开线原理，保证远高于许多其他传动形式即使是蜗轮了传动比恒定，运动平稳连续，没有打蜗杆这类效率较低的齿轮传动，其效率滑现象，能精确传递运动和动力也可达以上70%结构紧凑大功率传递相比带传动、链传动等形式，齿轮传动齿轮传动可以传递极大的功率，从几瓦的结构更为紧凑，在相同功率下体积更的微型装置到数万千瓦的大型设备都可小，重量更轻，特别适合空间有限的场应用，适应性极强合齿轮传动的局限性制造精度要求高噪声与振动问题齿轮传动对制造精度要求严齿轮啮合过程中的冲击和摩格，特别是高速、重载齿轮，擦会产生噪声和振动，特别需要精密的加工设备和工艺是直齿轮在高速运转时虽齿形误差、齿距误差、偏心然可以通过优化齿形、提高误差等都会显著影响传动性加工精度和使用斜齿轮等措能和寿命制造精度要求越施减轻，但完全消除较为困高，加工成本也越高难，限制了某些对噪声敏感场合的应用润滑与维护要求齿轮传动需要良好的润滑条件，以减少磨损、降低噪声并散热高速重载齿轮往往需要复杂的润滑系统和定期维护保养，增加了系统的复杂性和使用成本润滑不良是齿轮失效的主要原因之一齿轮几何参数模数齿数压力角m zα模数是齿轮大小的基本参数，齿数直接影响传动比和齿轮压力角是齿轮啮合时法向力定义为分度圆直径与齿数的尺寸齿数过少会导致根切与切向力的夹角，影响接触比值模数越大，齿轮越大，现象，影响强度；齿数过多应力和啮合条件标准压力承载能力也越强模数选择则增加制造难度和成本一角有20°和25°两种，较大的通常基于载荷和强度要求，般小齿轮最少齿数为17（无压力角提高承载能力但增加并从标准系列中选取变位时），大齿轮通常不超轴向力过120齿螺旋角β螺旋角是斜齿轮齿线与轴线的夹角，影响啮合平稳性和轴向力一般在8°~35°之间，角度越大传动越平稳，但轴向力也越大标准齿轮模数系列系列模数值mm应用场合第一系列1,

1.25,

1.5,2,

2.5,3,4,优先选用5,6,8,10,12,16,20,25,32,40,50第二系列

1.125,

1.375,

1.75,

2.25,在特殊情况下使用

2.75,

3.5,

4.5,

5.5,7,9,11,14,18,22,28,36,45微小模数

0.05,

0.06,

0.08,

0.1,精密仪器、钟表

0.12,

0.16,

0.2,

0.25,

0.3,

0.4,

0.5,

0.6,

0.7,

0.8,

0.9模数选择通常遵循以下原则优先选用第一系列，特殊情况下选用第二系列；模数越大，齿轮承载能力越强，但尺寸和重量也越大；不同行业有各自偏好的模数范围，如重型机械偏好大模数，精密仪器偏好小模数合理选择模数是齿轮设计的关键步骤，既要满足强度要求，又要考虑加工能力、重量限制和成本因素在多级传动中，各级齿轮的模数可以不同，通常随着功率的减小而减小齿轮材料选择中碳钢与合金钢铸钢与铸铁钢、、等中碳等铸钢材料适用于4540Cr42CrMo ZG35CrMo钢和中低碳合金钢是制造齿轮大型、形状复杂的齿轮，如大的主要材料这些材料经过调型减速器中的齿轮HT250-质处理后，具有良好的综合机等灰铸铁由于其优良的减300械性能，适合制造中等负荷的振性能和经济性，常用于制造齿轮高强度合金钢如低速、轻载齿轮球墨铸铁经渗碳热处理后，等具有较高的强度和18CrNiMo7-6QT600-3用于制造高负荷、高精度的齿韧性，可用于中等负荷的齿轮轮非金属材料尼龙、聚甲醛、等工程塑料齿轮具有自润滑、减振、耐腐蚀和PEEK轻量化等优点，适用于低负荷、要求低噪声或有特殊环境要求的场合纤维增强塑料齿轮强度更高，可承受较大载荷非金属齿轮通常与金属齿轮配对使用齿轮制造工艺切削加工法成形加工法特种加工方法切削加工是最常用的齿轮制造方法，成形加工不通过切削，而是通过材料针对特殊需求的加工方法主要包括塑性变形或直接成形电火花加工适用于硬度极高材•滚齿法利用滚刀与工件的相对冷挤压成形金属在室温下被挤料的齿轮加工••运动加工齿轮，效率高，适用于压成齿轮形状，表面质量好，强激光切割适用于薄板齿轮的快•批量生产度高速制造插齿法用插齿刀对齿轮进行往粉末冶金将金属粉末压制成形••打印适用于复杂结构、小批•3D复切削，适用于内齿轮和肩部有后烧结，适合复杂形状和大批量量的原型和终端零件干涉的齿轮生产电化学加工用于特殊材料和形•铣齿法用模数铣刀逐齿加工，精密铸造适用于形状复杂、尺••状复杂的齿轮适用于单件、小批量生产寸较大的齿轮磨齿法用于高精度齿轮的精加注塑成形主要用于塑料齿轮的••工，可提高齿面质量制造，成本低，效率高齿轮热处理表面硬化处理齿面硬化，心部保持韧性整体热处理通过整体强化提高综合性能化学热处理改变表层化学成分提高硬度表面硬化处理包括感应淬火、火焰淬火等，只硬化齿面深度，心部保持韧性这种处理适合中大模数齿轮，可获得较高的接触疲劳1-3mm强度和耐磨性，同时保持良好的冲击韧性整体热处理如调质处理（淬火回火），适用于中小模数齿轮，能够提供均匀的硬度分布和良好的综合机械性能化学热处理如渗碳、渗+氮等通过改变表层化学成分提高硬度，渗碳硬化深度一般为，非常适合精密齿轮，能提供优异的耐磨性和接触疲劳强度

0.6-2mm齿轮精度等级级级级0-45-78-12高精度齿轮精密齿轮普通齿轮用于精密仪器和航空航天设备应用于汽车、机床和精密机械适用于一般工业设备和低速机械齿轮精度等级是衡量齿轮制造质量的重要指标，根据国际标准和中国国家标准，齿轮精度共分为个等级（级），数字越小精度越ISO GB130-12高精度等级涉及多项指标，包括齿轮径向跳动、齿形误差、齿距误差、齿向误差等精度等级的选择取决于多种因素运行速度（高速需要高精度）、负载大小（重载要求高精度）、噪声要求（低噪声需高精度）、使用寿命和应用场合精度等级提高带来制造成本的显著增加，一般每提高一个精度等级，成本约增加，因此需在性能和成本间权衡30%-50%齿轮失效形式齿面点蚀点蚀是齿面疲劳损伤的常见形式，表现为齿面出现凹坑这种失效始于表面下的最大剪应力处，随着载荷循环增加，裂纹扩展至表面形成微小剥落，逐渐发展为明显的凹坑齿轮折断齿轮折断通常始于齿根部位，是一种灾难性失效由于齿根处存在应力集中，在循环载荷作用下容易产生疲劳裂纹，随着裂纹扩展最终导致齿断裂过载断裂则在瞬间大载荷下发生塑性变形与磨损在高载荷或高温条件下，齿面可能发生塑性流动或变形磨损则是齿面材料的逐渐损失，包括研磨磨损、黏着磨损等严重时可导致齿形改变，传动比不稳定和噪声增加齿面点蚀形成机理点蚀是接触疲劳的表现形式，在高接触应力和滑动摩擦的共同作用下，齿面下方的微裂纹逐渐扩展至表面，形成微小坑洞，进而发展为大面积剥落影响因素接触应力大小、载荷循环次数、材料硬度、润滑状况、表面粗糙度、热处理质量和残余应力等因素都会显著影响点蚀的发生和发展速度预防措施提高材料硬度和表面质量、优化热处理工艺、改善润滑条件、合理选择齿轮几何参数、控制载荷和使用条件，都是预防点蚀的有效手段齿轮折断疲劳断裂机理过载断裂特征齿轮疲劳断裂通常始于齿根部位的应力集过载断裂是在瞬间大载荷作用下发生的突中区域在交变载荷作用下，微小裂纹形发性断裂断裂面通常呈现塑性变形特征，成并逐渐扩展，直至齿完全断裂断裂面没有明显的疲劳纹根据材料的韧性不同，通常显示典型的疲劳纹（贝壳纹），从起可能表现为韧性断裂（有明显塑性变形）始点向断裂方向扩展或脆性断裂（几乎无塑性变形）•起始阶段微小裂纹形成•韧性断裂断面呈灰色，有撕裂特征•扩展阶段裂纹稳定生长•最终断裂快速失稳扩展•脆性断裂断面平整，呈晶面断裂设计与预防措施预防齿轮折断的主要措施包括合理的结构设计和材料选择增大齿根圆角半径可减少应力集中；采用渐开线过渡曲线可改善应力分布；表面强化处理如喷丸、滚压可引入有利的压应力；提高材料韧性和疲劳强度是防止断裂的根本•优化齿形增大根圆角，修整齿形•材料选择提高韧性和疲劳强度•表面处理引入压应力，提高疲劳寿命齿轮设计准则接触强度设计弯曲强度设计确保齿面不发生接触疲劳失效（点确保齿不发生弯曲疲劳断裂，计算蚀、剥落等），计算接触应力并与齿根弯曲应力并与材料的弯曲疲劳材料的接触疲劳极限对比，确定合极限对比，确定合适的安全系数适的安全系数振动与噪声设计刚度设计通过优化齿形、控制加工精度、改确保齿轮在载荷作用下的变形在允善啮合条件等手段降低振动和噪声，许范围内，过大的变形会导致啮合提高传动平稳性不良和应力集中齿轮设计的基本流程传动方案确定根据设计要求确定传动类型、传动比、轴系布置等基本方案考虑动力特性、使用环境、空间限制、成本等因素，选择最合适的齿轮传动形式初步参数计算计算并确定模数、齿数、压力角、齿宽等基本几何参数初步选择材料和热处理方式，确定齿轮的基本尺寸这一阶段通常采用经验公式或设计手册进行快速估算强度校核进行接触强度和弯曲强度校核计算，必要时考虑温升、磨损等其他因素根据计算结果调整参数，确保齿轮在预期寿命内安全可靠运行结构设计与优化完成齿轮轮体结构设计，包括轮毂、轮辐、键槽等细节考虑制造工艺和装配要求，进行必要的优化最后出图并编制技术文件，指导生产制造接触强度计算赫兹接触理论应力分布特点安全系数确定齿轮接触强度计算基于赫兹接触理论，接触应力在齿面呈现半椭圆分布，最接触强度安全系数定义为SH=该理论描述了两个曲面在压力下接触大值出现在接触中心应力从表面向σHlim/σH·YN·YZ·YX·YW时的应力分布对于齿轮，主要考虑内迅速减小，在一定深度达到最大剪其中为材料的接触疲劳极限，σHlim两个齿面在啮合过程中的接触应力应力，这也是接触疲劳裂纹通常起始后面的系数考虑了寿命、尺寸、表面的位置质量等影响因素接触应力计算的基本公式为接触线上的应力分布不均匀，受到齿一般情况下，安全系数不小于SH

1.1-轮制造误差、轴的挠曲、温度变形等对于重要设备或工作条件恶劣σH=

1.2因素影响为此，在计算中引入各种的场合，可取更高的值安全系数的ZE·ZH·Zε·Zβ·√[Ft·KA·Kv·KHα·KHβ修正系数来考虑这些影响选取还应考虑载荷特性、工作可靠性/b·d1·u/u+1]要求和经济因素其中各系数代表不同的影响因素，如材料、几何形状、载荷分布等弯曲强度计算安全系数选取危险断面确定弯曲强度安全系数定义为SF=计算模型与公式齿根弯曲应力的危险断面位于齿根过渡曲线与30°σFlim/σF·YN·YX·Yδ·YR·YT齿轮弯曲强度计算通常基于等效梁模型，将齿视为切线的相交点，或过渡曲线的最小厚度处在这一其中σFlim为材料的弯曲疲劳极限，后面的系数考固定在轮体上的悬臂梁弯曲应力计算的基本公式位置，弯曲应力最大，也是疲劳裂纹最容易萌生的虑了寿命、尺寸、表面质量、可靠性等影响因素为位置一般情况下，弯曲强度安全系数SF不小于

1.5-

1.7σF=Ft·YFa·YSa·Yε·Yβ·KA·KV·KFα·KFβ/b·m通过刘易斯方程或有限元分析可以更精确地确定应对于重要设备或工作条件恶劣的场合，可取更高的力分布和最大应力位置在实际设计中，通过增大其中Ft为切向载荷，m为模数，b为齿宽，各Y系数值，甚至达到

2.0以上安全系数的选取需综合考根圆半径可以减小齿根应力集中考虑齿形、尺寸等因素，K系数考虑动载、不均匀虑工作条件、可靠性要求和经济性载荷分布等影响变位齿轮设计变位的概念与作用正变位与负变位齿轮变位是指刀具与工件中正变位使刀具远离工件中心，心距离偏离标准值的齿轮切增加齿厚，减小齿高，提高削方法变位不改变模数和弯曲强度，但可能导致顶隙压力角，但改变了齿厚和齿减小和顶部尖削负变位使高变位的主要目的是改善刀具靠近工件中心，减小齿啮合性能、提高承载能力、厚，增加齿高，改善啮合条避免根切、调整中心距和实件，但会降低强度正变位现特殊传动要求常用于小齿数齿轮避免根切变位系数的确定变位系数的选择需综合考虑齿数、根切限制、啮合干涉、齿顶尖削和x滑动因数等因素标准变位通常按公式计算，如小齿数齿轮的最小变位系数，避免根切对于啮合齿轮对，需协调两个齿xmin=17-z/17轮的变位系数，以确保正常啮合斜齿轮设计特点斜齿轮设计的关键在于当量齿数计算，其中为螺旋角当量齿数大于实际齿数，这使得相同齿数的斜齿轮zv=z/cos³ββ比直齿轮更不容易发生根切，承载能力也更高螺旋角的选择通常在之间，一般工业齿轮常用，高速重载齿轮可用螺旋角越大，啮合越平稳，噪8°~35°8°~15°20°~30°声越小，但轴向力也越大，对轴承要求更高轴向力，需通过推力轴承或其他结构设计来承受和平衡Fa=Ft·tanβ锥齿轮设计特点几何参数计算当量计算方法强度校核特点锥齿轮的几何计算比锥齿轮的强度计算采锥齿轮的接触强度和圆柱齿轮复杂，需要用虚拟圆柱齿轮法，弯曲强度计算与圆柱考虑锥角、平均模数、将锥齿轮等效为圆柱齿轮类似，但需要引当量齿数等特殊参数齿轮进行计算当量入多个修正系数考虑锥齿轮的模数沿锥体齿数，其其特殊几何形状和载zv=z/cosδ从大端到小端逐渐减中为锥角当量模荷分布由于制造和δ小，通常以平均模数数和当量直径也需要装配精度对锥齿轮性为基准进行设计相应计算，以便应用能影响更大，设计时mm计算圆柱齿轮的计算方法应选用更高的安全系数蜗杆传动设计参数选择蜗杆传动的基本参数包括模数m、蜗杆头数z

1、蜗轮齿数z

2、蜗杆分度圆直径系数q和导程角γ头数一般为1-4，q值通常在8-16之间，传动比i=z2/z1通常在10-100范围内参数选择应平衡传动比、效率、承载能力和制造难度等因素效率计算蜗杆传动效率η=tanγ/tanγ+tanφ，其中γ为导程角，φ为换算摩擦角效率受多因素影响，如材料配对、表面质量、润滑条件和运行速度等提高效率的主要方法包括增大导程角、改善材料配对（如钢蜗杆与铜合金蜗轮）、优化表面处理和润滑热平衡校核由于滑动摩擦大，蜗杆传动会产生大量热量应进行热平衡校核，确保散热能力与发热量匹配，避免过热导致润滑失效和早期磨损计算公式Q=9550·P·1-η/n，其中Q为发热量，P为功率，η为效率，n为转速润滑设计蜗杆传动对润滑要求高，常采用浸油或喷油润滑润滑油应具有良好的极压性能和抗磨损性能，粘度根据线速度选择油位通常设定为使蜗轮部分浸入油中，高速重载场合应考虑强制循环润滑和冷却齿轮箱设计要点布置原则轴系设计轴承选择与布置齿轮箱内部布置应遵循以下原则轴系设计的关键点包括轴承选择应考虑力传递路径短，支承刚性好强度校核抗弯、抗扭和联合强载荷类型和大小径向力、轴向•••度力轴线布置合理，避免过长悬臂•刚度校核弯曲、扭转和联合刚转速范围和精度要求••轴承布置对称，减小轴向力影响•度寿命要求和可靠性指标•空间利用率高，整体结构紧凑•临界转速校核避开共振区•安装和调整方式•考虑装配、维修方便性•优化结构减轻重量，提高刚性•密封和润滑条件•预留足够散热空间•热处理和表面处理提高疲劳强•通常采用一固一活原则布置轴承，度即一端固定轴承承受径向和轴向载荷，另一端活动轴承仅承受径向载荷，允许轴的热膨胀齿轮箱润滑系统润滑方式选择油量计算根据转速、载荷和可靠性要求选择根据齿轮箱容积和散热需求确定适适当的润滑方式，从简单的飞溅润当的油量，通常为齿轮箱自由空间滑到复杂的压力循环润滑系统的30%-50%油封设计散热设计选择合适的油封类型和安装方式，通过增加散热面积、设置冷却装置确保良好的密封效果，防止油液泄或强制通风等方式提高散热能力，漏和外部污染物进入控制油温在适宜范围内齿轮装配与调整齿轮副安装齿轮安装前应检查齿面质量、键槽和轴孔尺寸等安装时需确保同轴度和垂直度，防止偏心和倾斜大型齿轮可采用加热膨胀法安装，小型齿轮多采用压装或键连接安装完成后应检查旋转灵活性啮合间隙调整啮合间隙直接影响传动的平稳性、噪声和寿命调整方法包括调整轴承位置、使用调整垫片或偏心套等标准啮合间隙通常为

0.03~

0.05×模数，高速齿轮需要更大间隙，精密传动则需更小间隙侧隙检查侧隙检查可使用塞尺、铅丝压扁法或齿侧摇动法进行检查时应在多个位置测量，确保侧隙均匀对于高精度要求，可使用专用仪器如齿轮侧隙仪进行精确测量运行试验装配完成后应进行空载运转试验，检查噪声、振动、温升和润滑情况随后进行负载试验，逐步增加载荷至额定值，观察各项参数变化试运行期间需特别关注轴承温度、齿轮啮合情况和润滑系统工作状态齿轮质量检测几何精度检测接触斑点检查噪声与综合性能测试几何精度检测包括齿厚、齿距、齿向、通过在齿面涂抹显色剂（通常为普鲁士噪声测试通常在专用测试台上进行，使齿形和径向跳动等参数的测量现代检蓝），进行啮合运转后观察接触斑点的用声级计和频谱分析仪测量噪声水平和测多采用专用齿轮测量中心，集成多种位置、形状和大小，评估啮合质量理频率特性综合性能测试评估齿轮在实测量功能，可提供全面的精度分析报告想的接触斑点应均匀分布在齿面中部，际工作条件下的表现，包括效率测试、传统方法如跨棒测量和齿厚卡尺等仍在不靠近齿顶和齿根这种方法简单直观，耐久性测试和极限载荷测试等，为产品小批量生产中应用在生产和装配中广泛应用质量提供全面评价齿轮传动振动与噪声来源分析主要包括啮合冲击、齿形误差和动载荷影响因素制造精度、啮合刚度和运行条件等控制方法齿形修正、精度提高和材料优化等齿轮传动振动与噪声的主要来源包括啮合时的周期性冲击；齿形误差导致的传动比波动；啮合刚度变化引起的参数激励；共振和动载荷等影响因素非常复杂，既有设计因素（如齿形参数、传动比、齿数），也有制造因素（如加工精度、表面质量），还有运行因素（如转速、载荷、润滑状况）降低噪声的有效方法包括优化齿形设计，如采用高接触比齿轮；进行齿形修正，如顶隙修正和端面修正；提高制造精度和表面质量；选用合适的材料和热处理；改善润滑条件；使用减振和隔音措施等在设计阶段就应充分考虑振动和噪声控制，采取综合措施实现静音传动齿轮传动设计实例行星齿轮传动行星齿轮系类型传动比计算设计特点与应用行星齿轮系根据固定构件的不同，可行星齿轮系传动比计算可采用公行星齿轮传动的主要优点Willis分为以下几种基本类型式结构紧凑，传动比大•太阳轮固定型行星架为输入，齿₀•1-iₐ·ω=ωₐ-iₐ·ωc载荷分流，承载能力高ₕₕ₀ₕ•圈为输出同轴输入输出，布置灵活其中₀为基本传动比，等于•iₐ-zₐ/zₕₕ齿圈固定型太阳轮为输入，行星•（zₐ为太阳轮齿数，z为齿圈齿数）；•重量轻，效率高ₕ架为输出、、分别为太阳轮、齿圈和ωₐωωcₕ典型应用包括•行星架固定型太阳轮为输入，齿行星架的角速度圈为输出汽车自动变速器•不同类型行星系的传动比混合型无固定构件，两个构件为•风力发电机增速器•输入，一个为输出齿圈固定•i=1/1-zₐ/zₕ工程机械减速器•太阳轮固定•i=1/1-z/zₐₕ机器人关节传动•行星架固定•i=zₐ/zₕ汽车变速器齿轮设计变速器齿轮特点汽车变速器齿轮需要在复杂工况下长期可靠工作，要求具有高强度、高刚度、低噪声和轻量化特性齿轮通常采用标准模数系列，常用模数为2-4mm齿轮设计需考虑空间限制、变速操作性、同步器匹配等因素同步器设计同步器是实现平顺换挡的关键部件，包括同步环、齿毂、滑套等组成设计要点包括同步力计算、摩擦材料选择、锥面角度确定和花键设计等现代同步器多采用多锥面设计，提高同步效率和使用寿命材料与热处理变速器齿轮通常采用20CrMnTi、20CrNi2Mo等渗碳钢，渗碳深度

0.6-

1.2mm，表面硬度HRC58-62，心部硬度HRC30-40热处理工艺需精确控制，确保齿面硬度、心部韧性和残余应力分布合理，以获得最佳的综合性能寿命设计汽车变速器齿轮通常设计寿命为15-20万公里寿命设计基于载荷谱分析，考虑各档位使用频率和载荷大小，采用Miner线性累积损伤理论进行寿命预测齿轮强度设计安全系数通常高于普通工业齿轮，以应对复杂的工作条件风电齿轮箱设计风电齿轮箱特点风电齿轮箱是将风轮低速大扭矩转换为发电机高速小扭矩的关键部件其特点是传动比大（通常为50-120），功率大（1-10MW），要求高可靠性和长寿命（设计寿命20-25年）多采用行星齿轮与平行轴齿轮的组合结构，通常为三级传动大型齿轮设计难点大型风电齿轮箱面临多项技术挑战大型齿轮制造难度大，变形控制困难；承受复杂交变载荷，特别是极端风况下的冲击载荷；工作环境恶劣，温度变化大；振动和噪声控制要求高；安装高度大，维修不便这些因素都需要在设计阶段充分考虑寿命与可靠性设计风电齿轮箱寿命设计基于IEC标准规定的风况和载荷谱设计时采用更高的安全系数，通常比普通工业齿轮箱高30%-50%轴承寿命要求通常为20万小时以上采用先进的失效模式与影响分析FMEA方法，识别并消除潜在风险点维护与检修设计由于维修成本高，风电齿轮箱设计特别注重可维护性包括设置检查孔便于内部检查；模块化设计便于局部更换；加装状态监测系统实时监控温度、振动、油液状况等参数；采用高性能密封系统防止污染；设计专用吊装点便于大型部件的更换齿轮传动创新技术非圆齿轮传动非圆齿轮是齿廓沿周向不等距分布的特种齿轮，能实现变速传动或特定的运动规律广泛应用于纺织机械、印刷设备、自动化装置等需要非均匀运动的场合设计难点在于复杂的齿形计算和精密制造，现代CAD/CAM技术的发展极大地促进了非圆齿轮的应用柔性齿轮传动柔性齿轮传动利用弹性变形实现啮合传动，如谐波齿轮传动和柔轮传动其特点是传动比大、重量轻、精度高、间隙小、可实现零背隙传动主要应用于航空航天、机器人、精密仪器等领域随着新材料和制造工艺的发展，柔性传动的性能和可靠性不断提高复合材料齿轮碳纤维、玻璃纤维增强树脂等复合材料齿轮具有重量轻、减振性好、耐腐蚀、自润滑等优点通过材料组成和纤维排布的优化设计，可实现定向的力学性能，满足特殊工况需求复合材料齿轮在航空、汽车轻量化和特殊环境应用中具有广阔前景在齿轮设计中的应用CAD/CAE参数化设计有限元分析仿真与优化现代齿轮CAD系统实现了完全齿轮CAE应用主要包括静态强通过多体动力学仿真可预测齿参数化设计，通过输入模数、度分析、动态啮合分析、接触轮系统的动态性能，包括振动、齿数、压力角等基本参数，系应力分析、疲劳寿命预测等噪声和温升结合优化算法，统自动生成标准齿轮模型设有限元法能够考虑实际齿形、可自动寻找最佳设计参数组合，计者可快速修改参数并实时查轴的变形、载荷分布等复杂因如最优的变位系数、齿形修正看结果，大大提高了设计效率素，提供比传统计算更准确的量等，实现设计目标的最优平和灵活性结果衡典型软件工具专业齿轮设计软件如KISSsoft、MASTA等提供全面的齿轮设计和分析功能；通用CAD软件如SolidWorks、Creo等也有齿轮设计模块；ANSYS、ABAQUS等CAE软件则提供高级分析能力打印在齿轮制造中的应用3D适用材料与工艺金属3D打印技术如选择性激光熔融SLM和电子束熔融EBM可用于制造钛合金、不锈钢、铝合金等金属齿轮聚合物打印如选择性激光烧结SLS和熔融沉积建模FDM适用于尼龙、ABS、PLA等材料的齿轮复合材料打印结合了金属或纤维增强材料，提供更优的机械性能优势与局限性3D打印齿轮具有设计自由度高、可实现复杂内部结构、小批量生产经济性好等优势适合快速原型制作、定制化需求和内部冷却通道等特殊结构局限性包括尺寸精度和表面质量控制难度大、生产效率低、成本高、材料选择有限等大型齿轮的打印仍面临技术挑战应用案例航空航天领域使用3D打印钛合金齿轮，减轻重量同时保持强度；赛车行业应用3D打印技术制作轻量化传动部件；医疗设备中的微型齿轮使用高精度SLA工艺打印；消费电子产品中的小型塑料齿轮通过3D打印实现快速迭代设计和生产发展趋势多材料打印技术将实现在单个齿轮中集成不同功能材料；高精度打印设备不断发展，减少后处理需求；拓扑优化与仿生设计结合3D打印，创造全新齿轮结构；混合制造技术将3D打印与传统加工相结合，取长补短；批量生产技术不断进步，降低成本，扩大应用范围齿轮传动常见问题与解决方案问题类型可能原因解决方案啮合不良中心距偏差、轴不平行、齿形误差调整安装位置、修正齿形、提高制造精度过早失效材料不当、热处理不良、过载、润滑不足更换合适材料、优化热处理工艺、降低载荷、改善润滑噪声过大啮合冲击、齿形误差、支承刚度不足齿形修正、提高精度、增加支承刚度、使用减振装置润滑不良油量不足、油质劣化、油路堵塞维持适当油位、定期更换润滑油、清洁油路、选用合适粘度温度过高摩擦过大、散热不良、润滑不足优化齿形、增加散热面积、改善润滑、设置冷却系统齿轮传动系统中的问题通常表现为异常噪声、振动、温升、功率损失或过早失效诊断时应从声音、温度、振动特性、磨损痕迹和金属屑分析等方面入手，结合工作条件和历史数据进行综合判断维护保养是预防齿轮问题的关键，包括定期检查润滑状况、监测温度和振动、观察磨损情况等建立预防性维护计划，根据设备重要性和工作条件确定检查周期，可大大降低突发故障的风险齿轮传动技术发展趋势高性能材料应用新型高强度钢、粉末冶金材料、陶瓷-金属复合材料等不断应用于齿轮制造这些材料具有更高的强度/重量比、更好的耐磨性和抗疲劳性能碳纤维增强聚合物等轻质材料在低载荷场合替代金属齿轮，显著减轻重量纳米材料改性的齿轮材料展现出优异的综合性能绿色制造技术近净成形技术如精密锻造、粉末冶金成形等减少材料浪费和能源消耗干切削和最小量润滑技术减少切削液使用，降低环境污染无氰化物渗碳等环保热处理工艺逐渐取代传统工艺设备能效提升和废料回收利用也是绿色制造的重要方面高精度加工技术五轴联动数控磨齿机实现超高精度齿轮加工激光辅助加工提高硬质材料的加工效率和质量在线测量和自适应控制技术确保加工精度表面强化技术如激光淬火、超声波冲击等提高表面性能数字化双胞胎技术实现全流程质量控制智能化监测与维护基于振动、声音、温度和油液分析的在线监测系统实时掌握齿轮运行状态人工智能和机器学习算法用于故障预测和寿命估计数字孪生技术建立虚拟模型，模拟不同工况下的性能变化远程诊断和预测性维护减少停机时间，延长设备寿命课程总结与思考核心概念回顾齿轮传动的基本原理与特性设计方法总结系统化的齿轮传动设计流程实践应用要点从理论到实际应用的关键考量本课程系统讲解了齿轮传动的基础理论、设计方法、制造工艺和应用实例从基本的啮合原理到复杂的强度计算，从材料选择到热处理工艺，从装配调整到故障诊断，全面覆盖了齿轮传动技术的各个方面通过本课程的学习，希望同学们不仅掌握了齿轮传动的理论知识，还建立了系统化的设计思维在未来的工作中，请记住齿轮设计是一门兼具科学性和艺术性的学科，需要理论基础和工程经验的结合随着新材料、新工艺和数字化技术的发展，齿轮传动技术将不断创新建议同学们继续关注前沿技术，深化专业知识，提高实践能力。