齒輪傳動設計的探討

朱自未

摘要：齒輪機構是當代機械中最為廣泛應用的傳動機構，空間中任意兩軸、多軸之間的動力和運動都是通過齒輪傳遞的。齒輪傳動并不是全是好的，是優點和缺點共存的。其優點主要有：傳動效率高、緊湊的結構、工作極其可靠、壽命相對較長以及其準確的傳動比。了解其優點的同時，其缺點也不容忽視。齒輪傳動的缺點主要有：要求較高的制造和安裝精度、昂貴的價格以及不適宜用于兩軸間距離較大的情形。文章主要講述了圓柱型齒輪傳動設計以及承載能力的設計。嚙合原理、嚙合特點、基本參數以及幾何尺寸等是運動設計的主要內容；而齒輪失效、設計計算準則、力分析和強度計算等屬于承載能力設計的內容。

關鍵詞：齒輪傳動；運動設計；承載能力

齒輪傳動是機械傳動中最常見的傳動之一，其中強度計算是齒輪傳動設計的核心與難點。齒輪設計計算公式很多，較有影響的有：①國際標準化組織（ISO）公式；②美國齒輪制造協會（AGMA）公式；③德國工業標準（DIN）計算法；④日本齒輪工業協會（J GMA）公式；⑤英國標準（BS）公式；⑥前蘇聯國家標準（ГOCT）公式；⑦尼曼（Nieman）公式；⑧白金漢（Buck2ingham）公式等。各種公式的基本理論是相同的，且都以計算齒面接觸應力和齒根彎曲應力為主，但其形式上存在一定的差異，對影響齒輪強度的因素的考慮也不盡相同。我國國家標準（GB/ T19406 —2003）漸開線直齒和斜齒圓柱齒輪承載能力計算方法工業齒輪應用是等同采用ISO 9085 ：2002。考慮到上述繼承性并便于比較，本文稱之為ISO/ GB 標準。

1齒輪傳動設計的主要內容

① 齒輪齒廓設計；

② 漸開線標準直齒圓柱齒輪；

③ 齒輪的切削加工原理；

④ 漸開線直齒圓柱齒輪傳動的設計；

⑤ 斜齒圓柱齒輪傳動的運動設計；

⑥ 齒輪傳動設計中的幾項工作概要；

⑦ 圓柱齒輪傳動的受力分析和計算荷載；

⑧ 圓柱齒輪傳動的強度計算；

⑨ 直齒錐齒輪傳動設計；

⑩ 齒輪的結構設計。

2傳動的基本要求

傳動平穩 在傳動中保持瞬時傳動比不變，沖擊、振動以及噪聲盡量小

承載能力大 在尺寸小、重量輕的前提下，要求齒輪的強度高、耐磨性好以及壽命長

3齒輪齒廓設計

①齒輪嚙合基本定律：一對齒輪在任何位置嚙合時，過接觸點作齒廓公法線，必通過節點，她們的傳動比與連心線被節點所分成兩個線段成反比。

②漸開線齒廓

③漸開線齒廓的嚙合特性

4計算荷載和荷載系數

在計算齒輪傳動的強度時，用荷載系數K對名義荷載進行修正。名義荷載與荷載系數的乘積稱為計算荷載。

Fnc=KFn

K=KAKVKαKβ

其中KA—考慮齒輪嚙合時外部因素引起的附加動荷載的影響系數；

KV—考慮齒輪副自身嚙合誤差引起的內部附加動荷載的影響系數；

Kα—考慮同時嚙合的各對齒輪間載荷分配不均勻影響的系數；

Kβ—考慮沿齒寬方向載荷分布不均勻對齒輪強度影響的系數。

5直齒圓柱齒輪傳動的強度計算

齒輪接觸疲勞強度應滿足的關系：齒面接觸應力σH≤許用接觸應力σHP。

其中：

σH—接觸應力（MPa）；

Fn—法向力（N）；

L—接觸線長度（mm）；

ρΣ—綜合曲率半徑（mm），ρΣ=，正號用于外接觸，負號用于內接觸；

ZE—材料彈性系數（），

ZE=，其中E1，E2分別為圓柱體材料的彈性模量（MPa）；μ1，μ2分別為兩圓柱體材料的泊松比。

6齒輪的結構設計

齒輪結構設計主要確定以下幾個方面內容：齒輪輪緣，腹板的結構形式以及尺寸大小。結構設計一般考慮齒輪的以下因素：幾何尺寸，材料，使用要求，工藝性和經濟性。確定適合的結構型式，再按照設計手冊推薦的經驗數據確定結構尺寸。

齒輪軸

齒輪結構設計實心齒輪

腹板式齒輪

輪輻式齒輪

7齒輪傳動的潤滑設計

齒輪的潤滑特殊性 輪齒形成油楔的條件差

嚙合齒面間壓力大，而且相對滑動的大小和方向變化大，輪齒常處于邊界潤滑和混合潤滑狀態

每次嚙合都要重新建立油膜，潤滑是斷續的

載荷大，摩擦熱也大，易使油溫上升，加速油膜破壞

齒輪的材料、熱處理、加工和裝配精度及齒面粗糙度等影響因素

參考文獻

[1] 周長江.齒輪傳動設計兩種計算標準的比較研究[R].百度文庫.

[2] 吳克強.于曉紅.機械設計[M].高等教育出版社,2003年3月第一版第一次印刷.

摘要：齒輪機構是當代機械中最為廣泛應用的傳動機構，空間中任意兩軸、多軸之間的動力和運動都是通過齒輪傳遞的。齒輪傳動并不是全是好的，是優點和缺點共存的。其優點主要有：傳動效率高、緊湊的結構、工作極其可靠、壽命相對較長以及其準確的傳動比。了解其優點的同時，其缺點也不容忽視。齒輪傳動的缺點主要有：要求較高的制造和安裝精度、昂貴的價格以及不適宜用于兩軸間距離較大的情形。文章主要講述了圓柱型齒輪傳動設計以及承載能力的設計。嚙合原理、嚙合特點、基本參數以及幾何尺寸等是運動設計的主要內容；而齒輪失效、設計計算準則、力分析和強度計算等屬于承載能力設計的內容。

關鍵詞：齒輪傳動；運動設計；承載能力

齒輪傳動是機械傳動中最常見的傳動之一，其中強度計算是齒輪傳動設計的核心與難點。齒輪設計計算公式很多，較有影響的有：①國際標準化組織（ISO）公式；②美國齒輪制造協會（AGMA）公式；③德國工業標準（DIN）計算法；④日本齒輪工業協會（J GMA）公式；⑤英國標準（BS）公式；⑥前蘇聯國家標準（ГOCT）公式；⑦尼曼（Nieman）公式；⑧白金漢（Buck2ingham）公式等。各種公式的基本理論是相同的，且都以計算齒面接觸應力和齒根彎曲應力為主，但其形式上存在一定的差異，對影響齒輪強度的因素的考慮也不盡相同。我國國家標準（GB/ T19406 —2003）漸開線直齒和斜齒圓柱齒輪承載能力計算方法工業齒輪應用是等同采用ISO 9085 ：2002。考慮到上述繼承性并便于比較，本文稱之為ISO/ GB 標準。

1齒輪傳動設計的主要內容

① 齒輪齒廓設計；

② 漸開線標準直齒圓柱齒輪；

③ 齒輪的切削加工原理；

④ 漸開線直齒圓柱齒輪傳動的設計；

⑤ 斜齒圓柱齒輪傳動的運動設計；

⑥ 齒輪傳動設計中的幾項工作概要；

⑦ 圓柱齒輪傳動的受力分析和計算荷載；

⑧ 圓柱齒輪傳動的強度計算；

⑨ 直齒錐齒輪傳動設計；

⑩ 齒輪的結構設計。

2傳動的基本要求

傳動平穩 在傳動中保持瞬時傳動比不變，沖擊、振動以及噪聲盡量小

承載能力大 在尺寸小、重量輕的前提下，要求齒輪的強度高、耐磨性好以及壽命長

3齒輪齒廓設計

①齒輪嚙合基本定律：一對齒輪在任何位置嚙合時，過接觸點作齒廓公法線，必通過節點，她們的傳動比與連心線被節點所分成兩個線段成反比。

②漸開線齒廓

③漸開線齒廓的嚙合特性

4計算荷載和荷載系數

在計算齒輪傳動的強度時，用荷載系數K對名義荷載進行修正。名義荷載與荷載系數的乘積稱為計算荷載。

Fnc=KFn

K=KAKVKαKβ

其中KA—考慮齒輪嚙合時外部因素引起的附加動荷載的影響系數；

KV—考慮齒輪副自身嚙合誤差引起的內部附加動荷載的影響系數；

Kα—考慮同時嚙合的各對齒輪間載荷分配不均勻影響的系數；

Kβ—考慮沿齒寬方向載荷分布不均勻對齒輪強度影響的系數。

5直齒圓柱齒輪傳動的強度計算

齒輪接觸疲勞強度應滿足的關系：齒面接觸應力σH≤許用接觸應力σHP。

其中：

σH—接觸應力（MPa）；

Fn—法向力（N）；

L—接觸線長度（mm）；

ρΣ—綜合曲率半徑（mm），ρΣ=，正號用于外接觸，負號用于內接觸；

ZE—材料彈性系數（），

ZE=，其中E1，E2分別為圓柱體材料的彈性模量（MPa）；μ1，μ2分別為兩圓柱體材料的泊松比。

6齒輪的結構設計

齒輪結構設計主要確定以下幾個方面內容：齒輪輪緣，腹板的結構形式以及尺寸大小。結構設計一般考慮齒輪的以下因素：幾何尺寸，材料，使用要求，工藝性和經濟性。確定適合的結構型式，再按照設計手冊推薦的經驗數據確定結構尺寸。

齒輪軸

齒輪結構設計實心齒輪

腹板式齒輪

輪輻式齒輪

7齒輪傳動的潤滑設計

齒輪的潤滑特殊性 輪齒形成油楔的條件差

嚙合齒面間壓力大，而且相對滑動的大小和方向變化大，輪齒常處于邊界潤滑和混合潤滑狀態

每次嚙合都要重新建立油膜，潤滑是斷續的

載荷大，摩擦熱也大，易使油溫上升，加速油膜破壞

齒輪的材料、熱處理、加工和裝配精度及齒面粗糙度等影響因素

參考文獻

[1] 周長江.齒輪傳動設計兩種計算標準的比較研究[R].百度文庫.

[2] 吳克強.于曉紅.機械設計[M].高等教育出版社,2003年3月第一版第一次印刷.

摘要：齒輪機構是當代機械中最為廣泛應用的傳動機構，空間中任意兩軸、多軸之間的動力和運動都是通過齒輪傳遞的。齒輪傳動并不是全是好的，是優點和缺點共存的。其優點主要有：傳動效率高、緊湊的結構、工作極其可靠、壽命相對較長以及其準確的傳動比。了解其優點的同時，其缺點也不容忽視。齒輪傳動的缺點主要有：要求較高的制造和安裝精度、昂貴的價格以及不適宜用于兩軸間距離較大的情形。文章主要講述了圓柱型齒輪傳動設計以及承載能力的設計。嚙合原理、嚙合特點、基本參數以及幾何尺寸等是運動設計的主要內容；而齒輪失效、設計計算準則、力分析和強度計算等屬于承載能力設計的內容。

關鍵詞：齒輪傳動；運動設計；承載能力

齒輪傳動是機械傳動中最常見的傳動之一，其中強度計算是齒輪傳動設計的核心與難點。齒輪設計計算公式很多，較有影響的有：①國際標準化組織（ISO）公式；②美國齒輪制造協會（AGMA）公式；③德國工業標準（DIN）計算法；④日本齒輪工業協會（J GMA）公式；⑤英國標準（BS）公式；⑥前蘇聯國家標準（ГOCT）公式；⑦尼曼（Nieman）公式；⑧白金漢（Buck2ingham）公式等。各種公式的基本理論是相同的，且都以計算齒面接觸應力和齒根彎曲應力為主，但其形式上存在一定的差異，對影響齒輪強度的因素的考慮也不盡相同。我國國家標準（GB/ T19406 —2003）漸開線直齒和斜齒圓柱齒輪承載能力計算方法工業齒輪應用是等同采用ISO 9085 ：2002。考慮到上述繼承性并便于比較，本文稱之為ISO/ GB 標準。

1齒輪傳動設計的主要內容

① 齒輪齒廓設計；

② 漸開線標準直齒圓柱齒輪；

③ 齒輪的切削加工原理；

④ 漸開線直齒圓柱齒輪傳動的設計；

⑤ 斜齒圓柱齒輪傳動的運動設計；

⑥ 齒輪傳動設計中的幾項工作概要；

⑦ 圓柱齒輪傳動的受力分析和計算荷載；

⑧ 圓柱齒輪傳動的強度計算；

⑨ 直齒錐齒輪傳動設計；

⑩ 齒輪的結構設計。

2傳動的基本要求

傳動平穩 在傳動中保持瞬時傳動比不變，沖擊、振動以及噪聲盡量小

承載能力大 在尺寸小、重量輕的前提下，要求齒輪的強度高、耐磨性好以及壽命長

3齒輪齒廓設計

①齒輪嚙合基本定律：一對齒輪在任何位置嚙合時，過接觸點作齒廓公法線，必通過節點，她們的傳動比與連心線被節點所分成兩個線段成反比。

②漸開線齒廓

③漸開線齒廓的嚙合特性

4計算荷載和荷載系數

在計算齒輪傳動的強度時，用荷載系數K對名義荷載進行修正。名義荷載與荷載系數的乘積稱為計算荷載。

Fnc=KFn

K=KAKVKαKβ

其中KA—考慮齒輪嚙合時外部因素引起的附加動荷載的影響系數；

KV—考慮齒輪副自身嚙合誤差引起的內部附加動荷載的影響系數；

Kα—考慮同時嚙合的各對齒輪間載荷分配不均勻影響的系數；

Kβ—考慮沿齒寬方向載荷分布不均勻對齒輪強度影響的系數。

5直齒圓柱齒輪傳動的強度計算

齒輪接觸疲勞強度應滿足的關系：齒面接觸應力σH≤許用接觸應力σHP。

其中：

σH—接觸應力（MPa）；

Fn—法向力（N）；

L—接觸線長度（mm）；

ρΣ—綜合曲率半徑（mm），ρΣ=，正號用于外接觸，負號用于內接觸；

ZE—材料彈性系數（），

ZE=，其中E1，E2分別為圓柱體材料的彈性模量（MPa）；μ1，μ2分別為兩圓柱體材料的泊松比。

6齒輪的結構設計

齒輪結構設計主要確定以下幾個方面內容：齒輪輪緣，腹板的結構形式以及尺寸大小。結構設計一般考慮齒輪的以下因素：幾何尺寸，材料，使用要求，工藝性和經濟性。確定適合的結構型式，再按照設計手冊推薦的經驗數據確定結構尺寸。

齒輪軸

齒輪結構設計實心齒輪

腹板式齒輪

輪輻式齒輪

7齒輪傳動的潤滑設計

齒輪的潤滑特殊性 輪齒形成油楔的條件差

嚙合齒面間壓力大，而且相對滑動的大小和方向變化大，輪齒常處于邊界潤滑和混合潤滑狀態

每次嚙合都要重新建立油膜，潤滑是斷續的

載荷大，摩擦熱也大，易使油溫上升，加速油膜破壞

齒輪的材料、熱處理、加工和裝配精度及齒面粗糙度等影響因素

參考文獻

[1] 周長江.齒輪傳動設計兩種計算標準的比較研究[R].百度文庫.

[2] 吳克強.于曉紅.機械設計[M].高等教育出版社,2003年3月第一版第一次印刷.