《齿轮传动和齿轮》课件

齿轮传动和齿轮齿轮传动作为机械工程中最重要的传动形式之一，在现代工业中发挥着不可替代的作用从精密的手表机芯到重型工业设备，齿轮传动系统无处不在本课件将全面介绍齿轮传动的基本原理、类型分类、设计方法和实际应用，为机械设计与机械原理课程提供系统性的学习材料通过个专题的详细讲解，我们将深入探讨齿轮传动的各个方面，包括基础50理论、强度计算、材料选择、精度控制以及现代技术发展趋势课程内容既注重理论基础，又结合工程实际，旨在培养学生的工程分析能力和设计创新思维课程引言齿轮传动的重要性学习目标与要求齿轮传动是现代机械设备中应通过本课程学习，学生应掌握用最广泛的传动方式，具有传齿轮传动的基本理论、设计方动效率高、结构紧凑、传动比法和计算技能能够根据实际准确等优点从汽车变速箱到工作条件进行齿轮传动系统的工业机器人，齿轮传动无处不选择、设计和校核，具备解决在，是机械工程师必须掌握的工程实际问题的能力核心技术课程内容概述课程涵盖齿轮传动基础理论、类型分类、设计计算、材料选择、制造工艺、润滑维护等方面注重理论与实践相结合，通过实例分析加深理解，培养工程应用能力学习目标掌握基本设计原理深入理解齿轮传动的啮合原理、几何关系和运动学特性掌握齿轮副的形成条件、传动比计算和基本参数选择方法，为后续设计打下坚实基础学会强度计算方法掌握齿轮传动的接触强度和弯曲强度计算方法，了解各种载荷系数的确定原则能够根据工作条件进行安全系数选择和强度校核具备工程设计能力能够根据给定的工作条件和技术要求，完成齿轮传动系统的方案设计、参数计算和结构设计掌握不同类型齿轮的特点和适用场合理解结构设计要点掌握各种类型齿轮的结构特点、制造工艺要求和装配技术了解齿轮系统的润滑、维护和故障分析方法，具备工程实际应用能力第一章齿轮传动概述齿轮传动定义历史发展现代应用齿轮传动是利用两个或多个齿轮的轮齿齿轮传动的历史可以追溯到古代，从最在现代工业中，齿轮传动广泛应用于汽依次啮合来传递运动和动力的机械传初的木制齿轮发展到现代的精密金属齿车、航空、船舶、机床、机器人等各个动它是机械传动中应用最广泛的传动轮随着材料科学和制造技术的进步，领域从微型精密机械到大型重工设形式之一，具有传动比准确、效率高、齿轮传动的精度、强度和可靠性不断提备，齿轮传动都发挥着关键作用结构紧凑等显著优点高齿轮传动的定义基本概念啮合过程齿轮传动是利用齿轮副来传递运啮合是指齿轮副中齿轮的轮齿依动和动力的机械传动装置两个次交替接触的过程在啮合过程齿轮通过轮齿的相互啮合，实现中，主动齿轮的轮齿推动从动齿运动和扭矩的传递齿轮传动具轮的轮齿，从而实现运动和动力有传动比恒定、工作可靠、效率的传递良好的啮合是保证传动高等特点质量的关键基本特征齿轮传动的基本特征包括传动比准确稳定、承载能力强、适用功率和速度范围广、工作寿命长、结构紧凑等这些特征使得齿轮传动成为机械设备中最重要的传动方式齿轮传动的优缺点传动效率高使用寿命长齿轮传动效率通常可达，能量损95%-99%优质齿轮在正常工作条件下可使用几十年甚失小，特别适用于大功率传动相比其他传至更长时间合理的设计、优良的材料和正动方式，齿轮传动的能耗更低，经济性更确的润滑是保证齿轮长寿命的关键因素好制造精度要求结构紧凑齿轮传动的主要缺点是制造精度要求高，加齿轮传动可以在较小的空间内实现大功率传工成本相对较大此外，在高速运转时可能递，特别适用于空间有限的场合这使得机产生噪音，需要良好的润滑和减振措施械设备的整体结构更加紧凑轻便第二章齿轮传动的基本参数模数参数齿数参数压力角参数模数是表示齿轮大小的基本齿数直接影响齿轮的传动比压力角影响齿轮的强度和啮参数，反映了齿轮齿距的大和啮合性能齿数过少容易合性能标准压力角为20°，小模数越大，齿轮的尺寸产生根切现象，齿数过多则具有良好的综合性能压力越大，承载能力也越强标增加制造成本合理选择齿角的选择需要综合考虑强准模数有利于齿轮的标准化数是齿轮设计的重要环节度、效率和制造等因素生产和互换性基圆与分度圆基圆和分度圆是齿轮几何设计的基础分度圆是标准齿轮的基准圆，基圆是渐开线的基准圆正确理解这些基本概念对齿轮设计至关重要基本齿轮参数模数m模数是齿轮设计的基本参数，定义为分度圆周长与齿数的比值标准模数系列便于齿轮的标准化设计和制造，提高了齿轮的互换性和经济性齿数z齿数决定了齿轮的传动比和尺寸大小小齿轮齿数不宜过少，以避免根切现象大齿轮齿数过多会增加制造难度和成本，需要合理平衡压力角α压力角是齿廓啮合时法向力与切向力的夹角标准压力角20°具有良好的强度和传动性能，是目前应用最广泛的压力角标准齿轮几何尺寸×d=m zda=d+2ha df=d-2hf分度圆直径齿顶圆直径齿根圆直径齿轮的基准直径，用于确定齿轮的基本尺齿轮外圆直径，决定齿轮的最大外形尺寸齿轮内圆直径，影响齿根的弯曲强度寸第三章齿轮传动的类型按轴位置分类根据两传动轴的相对位置关系，齿轮传动可分为平行轴、相交轴和交错轴三种基本类型每种类型都有其特定的几何特征和应用场合，适用于不同的传动要求按齿形分类根据齿轮齿形的不同特征，可分为直齿、斜齿、人字齿、弧齿等多种类型不同的齿形具有不同的传动特性，影响齿轮的强度、噪音和制造难度按其他特征分类还可根据啮合方式、用途、材料等其他特征进行分类如外啮合与内啮合、减速与增速、金属与非金属材料等，为齿轮的选择和设计提供更多维度的考虑按轴位置分类平行轴齿轮传动两传动轴平行的齿轮传动相交轴齿轮传动两传动轴相交的齿轮传动交错轴齿轮传动两传动轴既不平行也不相交的齿轮传动平行轴齿轮传动直齿圆柱齿轮传动最简单常用的齿轮传动形式斜齿圆柱齿轮传动具有更好的平稳性和承载能力人字齿圆柱齿轮传动消除轴向力的高级传动方式直齿圆柱齿轮传动受力特点仅承受径向力，对轴承和支承结构要求较低不产生轴向力，避免了轴向定位结构简单的复杂性，简化了结构设计制造方便，成本低廉，是应用最广泛的齿轮类型加工工艺成熟，精度容易保噪声问题证，维护简单啮合时存在较大冲击，特别是在高速运转时噪声较高需要通过提高制造精度和改善润滑来降低噪声水平斜齿圆柱齿轮传动渐进啮合特性斜齿轮的齿线与轴线成一定角度，使得轮齿逐渐进入和退出啮合，实现渐进式接触这种啮合方式大大降低了冲击和噪声，提高了传动的平稳性力学特性斜齿轮传动既承受径向力也承受轴向力，轴向力的大小与螺旋角和传递扭矩成正比轴向力需要通过轴承来平衡，对支承结构提出了更高要求适用场合斜齿轮特别适用于中高速传动场合，如汽车变速箱、机床主传动等其优良的传动性能使其在现代机械中得到广泛应用，是直齿轮的重要替代方案人字齿圆柱齿轮传动人字齿轮由两个方向相反的斜齿轮组合而成，轴向力相互抵消，既保持了斜齿轮传动平稳的优点，又消除了轴向力这种设计使得人字齿轮特别适用于重载荷传动场合，如大型减速器、船用齿轮箱等虽然制造难度大、成本高，但其优异的承载能力和运转平稳性使其在重要场合不可替代相交轴齿轮传动锥齿轮传动特点传动特点技术优势应用领域实现相交轴传动改变传动方向汽车转向系统转向机构应用结构紧凑机床进给系统制造精度要求高承载能力强航空发动机安装调整复杂传动效率高船舶推进系统锥齿轮传动能够实现相交轴间的运动传递，广泛应用于需要改变传动方向的场合虽然制造难度大于圆柱齿轮，但其独特的传动功能使其在许多重要机械设备中不可替代现代制造技术的发展不断提高锥齿轮的精度和可靠性交错轴齿轮传动蜗杆蜗轮传动实现大传动比的典型方案交错轴斜齿轮传动用于特殊角度传动要求准双曲面锥齿轮传动汽车后桥的专用传动蜗杆蜗轮传动大传动比特性自锁性能效率与发热蜗杆蜗轮传动可以在单级传动中实当蜗杆的螺旋升角小于摩擦角时，蜗杆蜗轮传动的效率相对较低，通现很大的传动比，通常为到蜗杆蜗轮传动具有自锁性能，即蜗常为，且在工作过程中10:170%-90%，甚至更大这使得它特别适轮不能反向驱动蜗杆这一特性在发热较严重因此需要良好的润滑80:1用于需要大幅度减速的场合，如起起重、夹紧等需要保持位置的场合和散热措施，特别是在连续工作的重机、电梯等设备非常有用场合按啮合方式分类外啮合齿轮传动内啮合齿轮传动齿轮齿条传动两个齿轮的齿顶圆都在各自分度圆的外一个齿轮的齿顶圆在分度圆内侧，与另齿条可视为齿数无穷大的直齿轮，实现侧，是最常见的啮合方式外啮合齿轮一个外齿轮啮合内啮合齿轮传动结构旋转运动与直线运动的转换齿条的齿传动结构简单，制造方便，两齿轮的旋紧凑，两齿轮旋转方向相同，但制造和廓为直线，压力角恒定，传动比为常转方向相反广泛应用于各种机械设备安装较为复杂常用于行星齿轮系统数广泛应用于机床、汽车转向等场中中合结构简单，制造容易结构紧凑，传动平稳实现运动形式转换•••旋转方向相反旋转方向相同压力角恒定•••应用最为广泛制造难度较大传动比为常数•••外啮合齿轮传动旋转方向特性外啮合齿轮传动中，两个齿轮的旋转方向相反主动齿轮顺时针旋转时，从动齿轮逆时针旋转，这是外啮合的基本特征结构简单性外啮合齿轮的结构最为简单，制造工艺成熟，成本相对较低这使得外啮合齿轮成为工业中应用最广泛的齿轮传动形式应用实例外啮合齿轮广泛应用于汽车变速箱、机床传动、泵类设备等各种机械中从精密仪器到重型机械，都能看到外啮合齿轮的身影内啮合齿轮传动同向旋转特性结构紧凑优势内啮合齿轮传动的最大特点是两内啮合齿轮传动结构非常紧凑，齿轮旋转方向相同，这在某些特在相同的外形尺寸下能够实现更殊传动要求中非常有用当需要大的传动比这种特性使其在空保持同向旋转时，内啮合齿轮是间受限的场合具有明显优势，如理想的选择行星齿轮减速器制造复杂性内齿轮的加工需要专用刀具和设备，制造难度和成本都比外齿轮高同时，内啮合齿轮的安装和调整也比较复杂，需要专业的技术人员操作齿轮齿条传动运动转换功能齿轮齿条传动是实现旋转运动与直线运动相互转换的重要机构齿轮的旋转运动通过与齿条的啮合转换为齿条的直线运动，或者相反这种转换是准确和可逆的压力角恒定齿条的齿廓为直线，因此在整个啮合过程中压力角保持恒定这使得齿轮齿条传动具有良好的传动特性，力的传递更加均匀稳定广泛应用领域齿轮齿条传动广泛应用于汽车转向系统、精密机床进给机构、自动门开启装置等在需要精确控制直线位移的场合，齿轮齿条传动是首选方案第四章齿轮传动的设计原理设计准则建立齿轮传动设计必须基于明确的设计准则，主要包括强度准则、刚度准则和可靠性准则设计准则的建立需要充分考虑工作条件、载荷特性和使用要求，确保齿轮传动的安全可靠运行失效形式分析深入分析齿轮传动可能出现的各种失效形式，包括齿面疲劳、齿根断裂、齿面磨损等通过失效机理分析，确定主要失效模式，为设计计算提供理论依据设计流程优化建立系统的齿轮传动设计流程，包括方案选择、参数初定、强度计算、结构设计等步骤优化的设计流程能够提高设计效率，保证设计质量，降低设计风险齿轮传动的失效形式齿面接触疲劳最常见的失效形式齿根弯曲疲劳齿根应力集中导致的断裂齿面胶合磨损润滑不良引起的表面损伤齿轮传动的失效形式主要有三种齿面接触疲劳是最常见的失效形式，表现为齿面出现点蚀或剥落；齿根弯曲疲劳由于齿根处应力集中导致的疲劳断裂；齿面胶合与磨损则是由于润滑不良或载荷过大造成的表面损伤正确识别和预防这些失效形式是齿轮设计的关键齿轮设计准则接触强度设计基于赫兹接触理论，计算齿面接触应力，确保齿面不发生点蚀破坏接触强度设计是防止齿面疲劳的主要手段，需要考虑材料特性、热处理状态和润滑条件弯曲强度设计根据齿根危险截面的弯曲应力，确保齿根不发生疲劳断裂弯曲强度设计需要考虑齿形系数、应力集中系数和载荷分布等因素，是保证齿轮可靠性的重要环节综合设计考虑在满足强度要求的前提下，综合考虑制造成本、运行平稳性、维护便利性等因素优秀的齿轮设计应该在各种因素之间找到最佳平衡点，实现技术和经济的统一齿轮设计的主要参数形状参数压力角和齿高系数影响齿轮的齿形αh*a和强度特性标准压力角和齿高系20°基本参数数被广泛采用，但在特殊情况下可以

1.0进行修正模数、齿数和螺旋角构成齿轮设m zβ计的基本参数这些参数决定了齿轮的间隙参数基本几何形状和尺寸大小，是齿轮设计的出发点径向间隙系数决定了齿轮副的顶隙大c*小，影响齿轮的装配和润滑性能合适的间隙既要保证润滑油的储存，又要避免过大的冲击第五章齿轮传动的强度计算接触强度理论弯曲强度理论综合强度评估接触强度计算基于赫兹接触理论，考虑弯曲强度计算将齿轮视为悬臂梁，分析实际齿轮设计中需要同时进行接触强度两个圆柱体在外力作用下的接触变形和齿根危险截面的弯曲应力需要考虑齿和弯曲强度校核，确保齿轮在各种失效应力分布计算时需要考虑载荷分布、形系数、应力集中系数、载荷分布系数模式下都具有足够的安全裕度材料特性、几何参数等多个因素等影响因素强度计算结果还需要结合实际工况条件现代接触强度计算方法已经相当成熟，弯曲强度计算的准确性直接影响齿轮的进行修正，考虑动载荷、温度变化、润能够准确预测齿面的使用寿命和可靠安全性现代有限元分析技术能够更精滑条件等实际因素的影响性计算结果为齿轮材料选择和热处理确地分析齿根应力分布，提高计算精工艺确定提供重要依据度接触强度计算赫兹理论基础赫兹接触理论是齿轮接触强度计算的理论基础，描述了两个弹性体在外力作用下的接触变形和应力分布规律计算公式接触应力计算公式考虑了载荷、几何参数、材料特性等因素通过精确计算能够预测齿面的疲劳寿命影响因素接触强度受载荷分布、表面粗糙度、润滑条件、材料性能等多种因素影响，设计时需要综合考虑实例分析通过典型工程实例展示接触强度计算的具体步骤和方法，加深对理论知识的理解和应用能力弯曲强度计算σF Kt弯曲应力应力集中系数齿根危险截面的弯曲应力是弯曲强度设计齿根圆角处的应力集中对弯曲强度有重要的关键参数影响YF齿形系数反映齿形对弯曲强度影响的重要参数弯曲强度计算的核心是确定齿根危险截面的弯曲应力计算时将齿轮视为悬臂梁，考虑齿形系数、应力集中系数等影响因素现代计算方法结合有限元分析，能够更准确地预测齿根应力分布和疲劳寿命安全系数的选取第六章齿轮材料与热处理碳钢材料碳钢是最常用的齿轮材料，具有良好的机械性能和经济性根据碳含量不同分为低碳钢、中碳钢和高碳钢中碳钢经过适当热处理后具有良好的综合性能，广泛应用于一般齿轮制造合金钢材料合金钢通过添加Cr、Ni、Mo等合金元素，显著提高了钢的淬透性、强度和韧性合金钢齿轮能够承受更大的载荷，适用于重要的传动装置，如汽车变速箱、航空发动机等高要求场合铸铁与非金属铸铁齿轮制造简单、成本低，适用于低速重载场合非金属材料如尼龙、聚甲醛等具有自润滑、噪音低、耐腐蚀等特点，在特殊环境下有独特优势现代复合材料的发展为齿轮材料提供了新的选择常用齿轮材料材料类型强度等级主要特点典型应用号钢中等强度价格低廉，加工性好一般机械传动45合金钢高强度淬透性好，综合性能优汽车齿轮40Cr渗碳钢表面高硬度心部韧性好，表面硬重载齿轮20CrMnTi球墨铸铁中低强度减振性好，成本低大型齿轮齿轮材料的选择直接影响齿轮的承载能力、使用寿命和制造成本不同材料具有不同的性能特点和适用范围，设计时需要根据具体的工作条件和性能要求进行合理选择齿轮热处理表面淬火渗碳处理通过感应加热或火焰加热使齿面快速升在高温下向钢表面渗入碳原子，然后淬温，然后急冷获得高硬度表面表面淬火回火获得表面高硬度渗碳齿轮具有火能够显著提高齿面的耐磨性和接触疲优异的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度，劳强度，同时保持心部的良好韧性适用于高性能齿轮传动强度提升效果渗氮处理合适的热处理工艺能够将齿轮的承载能在较低温度下向钢表面渗入氮原子，形力提高倍，使用寿命延长数倍热成硬质氮化层渗氮处理变形小、硬度2-5处理工艺的选择需要综合考虑材料特高、耐腐蚀性好，特别适用于精密齿轮性、工作条件和经济性等因素和在腐蚀环境中工作的齿轮第七章齿轮精度等级精度等级划分按照国家标准将齿轮精度分为个等级12检测方法采用专用测量设备进行精度检测精度与成本平衡在满足使用要求前提下选择合适精度齿轮精度等级的确定需要综合考虑使用要求、制造成本和经济性高精度齿轮虽然性能优异，但制造成本也相应增加合理的精度选择是齿轮设计中的重要决策，需要在性能和成本之间找到最佳平衡点齿轮精度等级划分国家标准体系应用场合要求经济性考虑我国采用标准，将齿不同应用场合对齿轮精度有不同要精度等级每提高一级，制造成本约GB/T10095轮精度分为个等级，从级最高求精密仪器要求级，机床主增加因此在满足使用1214-620%-50%精度到级最低精度每个精度传动要求级，一般机械传动要要求的前提下，应选择适中的精度126-7等级都有明确的公差要求和检测方求级，农业机械要求级等级，避免过度设计造成的成本浪7-88-9法，确保齿轮质量的一致性和可控正确选择精度等级是保证传动性能费这需要设计者具备丰富的工程性的前提经验和成本意识第八章齿轮传动的传动比齿轮传动比是齿轮传动系统设计的核心参数，决定了输出转速与输入转速的关系合理的传动比设计不仅要满足运动学要求，还要考虑强度、效率、噪音等多方面因素传动比的优化是齿轮传动设计的重要内容，直接影响传动系统的整体性能齿轮传动比计算₁₂₂₁i=n/n i=z/z基本公式齿数关系传动比等于主动轮转速与从动轮转速之比传动比等于从动轮齿数与主动轮齿数之比3-7推荐范围单级圆柱齿轮传动比的经济合理范围齿轮传动比的计算基于角速度守恒定律，即在实际设计中，还需要i=n₁/n₂=z₂/z₁考虑传动比对齿轮尺寸、强度和制造成本的影响合理的传动比选择能够在满足性能要求的同时，实现结构紧凑和成本经济的目标多级齿轮传动总传动比计算总i=i₁×i₂×i₃×...各级传动比分配遵循等强度和等体积原则设计实例分析三级减速器设计案例多级齿轮传动能够实现更大的总传动比，但需要合理分配各级传动比分配原则包括等强度原则、等体积原则和综合优化原则正确的分配方法能够使整个传动系统达到最佳的技术经济效果。