第11章 齿轮传动
机械设计基础复习精要：第11章 齿轮传动
133第11章 齿轮传动11.1考点提要11.1.1 重要的术语及概念软齿面、硬齿面、许用应力、弯曲疲劳强度、接触疲劳强度、接触应力、弯曲应力、点蚀、胶合、载荷系数、齿宽系数、齿形系数、应力集中系数、应力循环次数、齿轮精度等级。
11.1.2 许用应力的计算接触疲劳强度的许用应力为： HH HN H S K lim ][σσ= （11—1） 式中：HN K 称为寿命系数，由应力循环次数确定；lim H σ是齿面材料的接触疲劳极限；H S 为安全系数。
即使两齿轮采用同样的材料和热处理，由于两齿轮会有齿数不同，所以应力循环次数也就不同，从而导致寿命系数HN K 不同，因此许用应力也不同。
只有两齿轮齿数相同或齿数虽不同但都按无限寿命取相同的寿命系数HN K 并取相同的安全系数H S ，许用应力才相同。
弯曲疲劳强度的许用应力为：FFE FN F S K σσ=][ （11—2） 式中：环次数确定）为寿命系数（由应力循FN K ；FE σ为齿面材料的弯曲疲劳极限；F S 为安全系数。
即使两齿轮采用同样的材料和热处理，由于两齿轮会有齿数不同，所以应力循环次数也就不同，从而导致寿命系数FN K 不同，因此许用应力也不同。
如果两齿轮齿数相同或齿数虽不同但都按无限寿命取相同的寿命系数FN K 并取相同的安全系数F S ，许用应力才会相同。
为实现等强度设计，如果采用软齿面（HBS 350≤），一般小齿轮比大齿轮硬度高30-50HBS，小齿轮对大齿轮有冷作硬化作用。
如采用硬齿面（HBS 350>），在淬火处理中难以做到如此的硬度差，设计时按同样硬度设计。
要注意：如果是开式齿轮传动，则极限应力要乘以0.7，由于极限应力是按单向转动所获得的数据，如果是双向转动，则也要乘以0.7。
11.1.3齿轮的失效形式和计算准则齿轮的失效形式有五种：（1）轮齿折断。
减缓措施：增大齿根的圆角半径，提高齿面加工精度，增大轴及支承的刚度。
过程装备基础 第11章 齿轮传动与蜗杆传动
rb2 ’
ra2
2 OO 2 2
24
啮合线
点击图标播放
25
11.5
斜齿圆柱齿轮传动
11.5.1 斜齿圆柱齿轮的形成及其传动特点
(1)齿廓曲面的形成 基圆柱上的螺旋角： b 分度圆柱上的螺旋角：
发生面 K K A 发生面 发生面 K
渐开线 ？端面齿形
b
K
A
B
A B
A
直齿轮齿廓曲面的形成
40
(5)齿面塑性变形
原因：用软钢或其它较软的材料制造的齿轮在重 载下工作。 条件：低速、起动频繁和瞬时过载。 现象：渐开线形状被破坏，瞬时传动比不恒定。 措施：提高齿面硬度，采用油性好的润滑油。
41
11.6.2 齿轮材料及热处理 (1)齿轮材料
45号钢 中碳合金钢 金属材料 低碳合金钢 最常用，经济、货源充足 40Cr、40MnB、35SiMn等 20Cr、20CrMnTi等
* 齿根圆直径 d f d 2hf ( z 2ha 2c* )m
基圆直径 db d cos mzcos
p m 齿距 齿厚与槽宽 s e m / 2
基圆齿厚
pb db / z mzcos / z m cos p cos
43
(3)按齿面硬度分类
软齿面( HBS≤350)齿轮:
主要失效形式：齿面点蚀。 应用：多用于中、低速传动。 热处理：调质或正火处理，热处理后再进行轮齿的精切。
硬齿面( HBS>350)齿轮:
主要失效形式：齿根弯曲疲劳折断。 应用：高速、中载、无猛烈冲击的重要齿轮。
热处理：中碳钢经表面淬火处理或用低碳钢经表面渗碳淬火处理。
第十一章 齿轮传动
强度计算方法
当量齿轮法，强度当量。 接触强度计算公式
校核公式
H
ZEZH Z
KT 1 u 1 bd 1
2
u
H
H lim
N / mm
2
设计公式
d1 2 KT
3 1
SH
2
d
u 1 ZEZ u
H
Z
H
mm
Z
cos 螺旋角系数
H
[
H
]
σH ——齿面啮合点最大接触应力 [σH]——齿轮材料的许用接触应力
圆柱面的最大接触应力σH的计算
赫兹公式：
H
4
Fn 2 ab
Fn
1
1
1 1 E1
2
1
2
1 21 E2
2
b
σH ——最大接触应力
与法向力Fn成正比； 与接触变形宽度2a成反比 与曲率半径ρ1 、ρ2成反比。 与宽度b成反比。
增加中心距a； 减小外载荷T1； 选σHlim高的材料和热处理。
336 ( u 1) u
3
提高许用接触应力[σH] ：
KT 1 ba
2
H
H
H lim
SH
11-6 直齿圆柱齿轮传动的轮 齿弯曲强度计算
轮齿相当于一个悬臂 梁，受载后会发生弯 曲。 两个问题：
计算时载荷的作用点 及大小 危险截面的位置
公差配合与检测技术 第11章 圆柱齿轮传动的公差及齿轮测量.ppt
其合格条件为：齿距累积公差Fp≥齿距累积误差ΔFp；K 个齿距累积公差Fpk≥K个齿距累积误差ΔFpk。
齿距累积误差的测量可分为绝对测量和相对测量。其 中，以相对测量应用最广。
相对测量按其定位基准的不同，可分为以齿顶圆、 齿根圆和孔为定位基准三种，如图11-5所示。
图11-2 切向综合误差曲线
切向综合总偏差反映齿轮一转的转角误差，说明齿 轮运动的不均匀性。
切向综合总偏差反映出齿轮的径向误差、切向误差， 基圆齿距偏差、齿廓形状偏差等综合结果在转角误差上， 通过分度圆切线方向反映出来。
如图11-3所示为光栅式齿轮单啮仪的测量原理图。
图11-3 光栅式齿轮单啮仪的测量原理图
基础知识 齿轮及齿轮副的评定指标 重点知识 渐开线圆柱齿轮精度标准 难点知识 齿轮公差检验组及齿轮精度等级的选用
11.1齿轮的使用要求及三个公差组
11.1.1 齿轮传动的使用要求
齿轮传动装置是指齿轮、轴、轴承、箱体等零件的总和。 归纳起来，齿轮传动的使用要求可分为传动精度和齿
侧间隙两个方面，一般有如下要求：
1．传递运动的准确性
传递运动的准确性就是要求齿轮一转范围内，转角 误差的最大值应限制在一定范围内。
齿轮作为传动的主要元件，要求它能准确地传递运 动，即保证主动轮转过一定转角时，从动轮按传动比关 系转过一个相应的转角。如图11-1a）、b）所示。
图11-1 齿轮传 动比的 变化
5
为保证传递运动的准确性，应限制齿轮一转过程中的
单啮仪测量的主要优点：测量过程较接近齿轮的实 际工作状态，故齿轮综合测量能较好地反映齿轮的使用 质量，能连续测量被测齿轮全部啮合点的误差，是一种 综合测量，各单项误差可以相互抵消，避免把合格品当 作废品的失误，且测量效率高，便于实现测量自动化。
齿轮传动的主要说明
7级
8级 9级
≤ 10
≤ 17
≤6
≤5 ≤3
≤ 10 ≤ 3.5
≤3 ≤ 2.5
11-4 直齿圆柱齿轮传动的作用力及计算载荷
一. 轮齿上的作用力 在驱动力矩作用下，主动 轮齿和从动轮齿的作用力 Fn沿啮合线方向（两轮齿 接触点的法线方向）。
t N1 O2 α Fn N2 Fr α t c Ft d1 T1 2 α O1 ω1 （主动）
3 齿面胶合
齿面胶合通常出现在齿 面相对滑动速度较大的 齿顶和齿根部位。齿面 发生胶合后，会使轮齿 失去正确的齿廓形状， 从而引起冲击、振动和 噪声并导致失效。
高速重载、低速重载闭式传动的主要破坏形式。
4 齿面磨损
1）磨粒磨损：由于金属微粒， 灰石砂粒进入齿轮引起的 磨损。 2）跑合磨损：指新机器。 开式齿轮传动易发生磨粒磨损
油
初始疲劳裂纹 金属剥落出现小坑 裂纹的扩展与断裂
2 齿面点蚀
对于开式齿轮传动， 因其齿面磨损的速度较 快，当齿面还没有形成 疲劳裂纹时，表层材料 已被磨掉，故通常见不 到点蚀现象。因此 齿面点蚀是闭式软齿面齿轮传动的主要破坏形式
3 齿面胶合
高速重载的齿轮传动中，齿面 间压力很大而速度很高，由于发热 大，瞬时温度高，相啮合的齿面发 生粘连现象，此时两齿面有相对滑 动，粘接的地方被撕裂。这叫热胶 合。 低速重载齿轮传动中，油膜遭破 坏也发生胶合现象。这时齿面温度 无明显增高，这种胶合叫冷胶合。
2 KT1 u 1 Z E Z H d1 mm d u [ H ]
3 2
2 KT1YFaYsa F [ F ]MPa 2 bm z1
硬齿面闭式齿轮传动： 按弯曲强度进行设计，按接触强度校核:
齿轮传动(第11章)
K F FtYFa1YSa1Y F1 F 1 bm K F FtYFa 2YSa 2Y F2 F 2 bm
② 应力和许用应力的关系 两齿轮弯曲应力是否相同？许用应力呢？
F
K F Ft YFaYSaY [ F ] bm
39
③
设计计算时，因为 m 3
8
§11.2
齿轮传动的失效形式
1.轮齿折断
原因： • 齿根弯曲应力大； • 齿根应力集中。
9
1、轮齿折断
★ 疲劳折断 ★ 过载折断
全齿折断—常发生于齿宽较小的直齿轮
局部折断—常发生于齿宽较大的直齿轮，和斜齿轮
措施：选用合适的材料及热处理方法，使齿根芯部 有足够的韧性；采用正变位齿轮以增大齿根的厚度； 增大齿根圆角半径，消除齿根加工刀痕；对齿根进 行喷丸、碾压等强化处理； 提高齿面精度、增大 模数等
d1 sin 2
cos d1 d1 cos
O2
d N 2C 2 2 sin 2
1 1 1 2
d 2 z2 2 d2 u 1 d1 d1 z1
②
d'2 2
'
（从动）
2
②
u 1 1 2 d1 cos tan u
23
§11.4 齿轮传动的计算载荷
名义载荷：
Fn p L
pca K Fn L
计算载荷：
载荷系数：K K A Kv K K
24
1.使用系数KA
考虑齿以外的其他因素对齿轮传动 的影响，主要考虑原动机和工作机的影响
原动机 载荷状况 均匀平稳 轻微冲击 中等冲击 严重冲击 工作机器 … … … … 电机 1.0 … 1.1 … 1.25 1.5 1.75 2.0 内燃 机… 1.5 1.75 2.0 2.25 25
齿轮传动习题
第11章齿轮传动一、选择题[1]为了使相啮合的一对齿轮其强度和寿命接近，通常( )。
A、大齿轮的硬度大于小齿轮的硬度B、小齿轮的硬度大于大齿轮的硬度C、大、小齿轮的硬度相同[2]一对相啮合的圆柱齿轮的Z2＞Z1，b1＞b2，其接触应力的大小是（）。
A、σH1=σH2B、σH1＜σH2C、σH1＞σH2D、可能相等，也可能不等[3]在一般工作条件下，齿面硬度HB≤350的闭式钢制齿轮传动，通常的主要失效形式为（）。
A、轮齿疲劳折断B、齿面疲劳点蚀C、齿面胶合D、齿面塑性变形[4]齿轮传动中，轮齿的齿面疲劳点蚀，通常首先发生在（）。
A、齿顶部份B、靠近节线的齿顶部份C、齿根部份D、靠近节线的齿根部份[5]开式齿轮传动的主要失效形式是（）。
A、过载折断B、齿面胶合C、齿面点蚀D、齿面磨损[6]一对啮合齿轮，使小齿轮齿宽略大于大齿轮齿宽的目的是（）。
A、提高小齿轮齿根弯曲强度B、补偿安装误差，保证全齿宽接触C、减小小齿轮载荷分布不均D、减小小齿轮齿根弯曲强度[7]齿面点蚀多半发生在（）。
A、齿顶附近B、齿根附近C、节点附近D、基圆附近[8]为了有效地提高齿面接触强度，可（）。
A、保持分度圆直径不变而增大模数B、增大分度圆直径C、保持分度圆直径不变而增加齿数的主要几何参数是（）。
[9]对于标准齿轮传动，影响齿形系数YFA、齿轮的模数B、齿轮的压力角C、齿轮的齿数D、齿轮的顶隙系数[10]圆柱齿轮传动，当齿轮直径不变，而减小模数时，可以（）。
A、提高轮齿的弯曲强度B、提高轮齿的接触强度C、提高轮齿的静强度D、改善传动的平稳性[11]一般参数的闭式硬齿面齿轮传动的主要失效形式是（）。
A、齿面点蚀B、轮齿折断C、齿面塑性变形D、齿面胶合[12]设计一般闭式齿轮传动时，计算接触疲劳强度是为了避免（）失效。
A、胶合B、磨粒磨损C、齿面点蚀D、轮齿折断[13]设计一般闭式齿轮传动时，齿根弯曲疲劳强度主要针对的失效形式是（）。
11章-齿轮传动解析
材料、热处理、精度 1、设计 模数、齿数
2、准则：
闭式软齿面——按齿面接触强度设计， 后按轮齿弯曲强度校核
解： 1.选择材料并确定许用应力
小齿轮：40MnB、调质—— HB241-286，σHlim=680-760 ，σFE=580-610 取： σHlim=730 ，σFE=600 大齿轮：ZG35SiMn、调质—— HB241-269，σHlim=590-640 ，σFE=500-520 取： σHlim=620 ，σFE=510
模数: m=d1/z1=2.8(取m=3mm) 中心距: a=m（ z1+z2）/2=225mm 齿宽：b=dd1=71.8mm(取b2=75, b1=80) 其它几何参数：……
3.验算轮齿弯曲强度
F
2KT1YFaYSa bm2 z1
[ F ]
齿形系数:YFa1=2.56，YFa2=1.63 应力校正系数:YSa1=2.13，YSa2=1.81
矩。
O1
Fn
γ
P
rb
O
O2
危险截面：齿根圆角30˚ 切线两切点连线处。
Fn
F1
γ
FF21
Fn Fn
cos sin
弯矩：M=F1 ·hF
= Fn cos ·hF
Fn
F2
hF
= KFn cos ·hF
A 30˚ 30˚ B
弯曲截面系数：W = b ·sF2/6
弯曲应力:
SF
F
M W
KFn coshF
齿宽系数d：
d=b/d1: d越大，则b越大
若结构的刚性不够，齿轮制造、安装不准确， 则容易发生载荷集中现象，使轮齿折断。
对称布置取大值； 刚性大时取大值； 齿面软时取大值；
第11章齿轮传动
一对钢制齿轮:
弹性模量:E1=E2=2.06×105 MPA 泊松比:μ 1=μ 2= 0.3, α=20
(u(u )3 3 KT1 11) KT1 H 285 335 335 [ H ] 代入赫兹公式得: H250 22 uba uba
引入齿宽系数:ψa=b/a
285 KT1 335 250 a (u 1) 3 得设计公式: [ ] u H a
d2 2
中心距 : a=(d2 ± d1)/2 = d1(u ±1)/2 或 : d1 = 2a /(u ±1)
1 1 ( 2 1 )
得: 1 2
1 2
2(d 2 d1 ) u 1 2 (u 1) 2 d1d 2 sin u d1 sin ua sin
Ft 2T1 F 在节点处,载荷由一对轮齿来承担: n cos d1 cos
轮齿折断 齿面点蚀 齿面胶合 齿面磨损
跑合磨损,磨粒磨损.
跑合磨损 磨粒磨损
设计:潘存云
措施:1.减小齿面粗糙度
2.改善润滑条件
§11-1 轮齿的失效形式
失效形式
轮齿折断 齿面点蚀 齿面胶合 齿面磨损 齿面塑性变形
主动齿
设计:潘存云
从动齿
§11-2
齿轮材料及热处理
优质碳素钢 常用齿轮材料 合金结构钢 铸钢 铸铁 表面淬火 ----高频淬火,火焰淬火 渗碳淬火 调质 热处理方法 正火 渗氮 1.表面淬火 一般用于中碳钢和中碳合金钢,如45,40Cr等.表面 淬火后轮齿变形小,可不磨齿,硬度可达52~56HRC, 面硬芯软,能承受一定冲击载荷.
公式中:"+"用于外啮合,"-"用于内啮合. 计算时取: 且m≥ 1.5
轮齿折断齿面磨损齿面点蚀齿面胶合等
一般齿轮传动的设计准则是：
(1)对闭式软齿面齿轮传动来说，其主要失效形式为齿面点蚀， 故应先按齿面接触疲劳强度进行设计计算，初步确定其模数及几何尺 寸后，再校核其齿根弯曲疲劳强度。
(2)对闭式硬齿面齿轮传动来说，其主要失效形式是齿根疲劳折 断，应先按轮齿弯曲疲劳强度进行设汁汁算，求出模数并确定齿轮的 几何尺寸，然后校核齿面接触疲劳强度。
第11章 齿轮传动
内容简介
齿轮传动是应用最广泛的机械传动之一。有着较多优点。 本章主要介绍齿轮传动。内容包括：
■ 轮齿的失效形式 ■ 齿轮材料及热处理 ■ 齿轮传动的精度 ■ 直齿圆柱齿轮传动的作用力及计算载荷 ■ 直齿圆柱齿轮的强度计算 ■ 斜齿圆柱齿轮传动 ■ 直齿锥齿轮传动 ■ 齿轮的构造和齿轮传动的润滑与密封
图11-1(c)所示。这种轮齿的折断称为疲劳折断，轮齿折断多属于这种情况。
此外，轮齿也可能在严重的冲击载荷或短期过载作用下发生折断， 称为过载折断。这种情况通常发生在用铸铁制造的齿轮或淬火钢齿轮 上。
为了防止齿轮在预期寿命内发生疲劳折断，应对齿轮齿根的弯曲 疲劳强度进行计算。
此外，设计齿轮传动时，降低齿根表面的粗糙度、适当增大齿根 圆角、对齿根表面进行强化处理（如喷丸、碾压等）以及采用良好的 热处理工艺等，都能提高齿根的抗折断能力。
图11-4 齿面磨损
3．齿面点蚀
齿轮在传动时，齿面间的接触在理论上 属于线接触。
但因齿面在正压力作用下会产生一定的 弹性变形，从而形成接触面很小的面接触。 在接触面上作用着很大的脉动循环变化的接 触应力，当应力和它的重复变化次数超过材 料的接触疲劳极限时，齿面表层会产生微小 的疲劳裂纹，裂纹逐渐扩张使轮齿表层金属 成小片剥落，形成麻点或小坑，如图11-2所 示，这种现象称为点蚀。
《机械设计基础》课件 第11章 齿轮传动
H
2
bd1
u
Zβ cos
32
§11-8 斜齿圆柱齿轮传动
2 KT1
F
YFaYSa F
bd1mn
2 KT1 YFaYSa
2
mn 3
cos
2
d z1 F
z
zv
3
cos
33
§11-9 直齿圆锥齿轮传动
34
§11-9 直齿圆锥齿轮传动
35
轴向力：
Fa Ft tan
29
§11-8 斜齿圆柱齿轮传动
力的方向：
圆周力t ：主动轮与运动方向相反，
从动轮与运动方向相同
径向力r ：两轮都是指向各自的轴心
轴向力a ：主动轮的左（右）手法则
30
根据主动轮轮齿的齿向（左旋或右旋）伸左手或右手，四指
沿着主动轮的转向握住轴线，大拇指所指即为主动轮所受的
轮齿会变形，需要磨齿。
二、主要参数
1. 齿数比：一般≤7，同要求的传动比误差≤ (3~5)%
2. 齿数：一般z1>17
3. 齿宽：过大，宽度方向载荷分布不均匀
28
§11-8 斜齿圆柱齿轮传动
一、轮齿上的作用力
轮齿所受总法向力
可分解为：
2T1
圆周力：Ft
d1
Ft tan n
径向力：Fr
cos
开式传动的主要失效形式为齿面磨粒磨损和轮齿的弯曲疲劳
折断。
由于目前齿面磨粒磨损尚无完善的计算方法，因此通常只对
其进行抗弯曲疲劳强度计算，并采用适当加大（10%～20%）
模数（或降低许用弯曲应力）的方法来考虑磨粒磨损。
i第11章 齿轮传动(强度计算)
§11—3 齿轮传动的精度GB规定：齿轮精度等级有12个按GB10095-88（圆柱齿轮）和GB11365-89（圆锥齿轮）规定：精度等级：高→低1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12常用齿轮公差分三个组，反映：传递运动的准确性——第Ⅰ公差组；传动的平稳性——第Ⅱ公差组；载荷分布的均匀性——第Ⅲ公差组；另外考虑齿侧间隙：制造误差、轮齿变形、受热膨胀、便于润滑→14种齿厚偏差精度等级选择，按圆周速度V、用途、工作条件和传动功率来确定，可参考表11-2§11—4 直齿圆柱齿轮传动的作用力及计算载荷一、受力分析忽略摩擦力，法向力F n沿啮合线作用于节点处（将分布力简化为集中力）F n与过节点P的圆周切向成角度α。
F n可分解为F t和F r1、力的大小圆周力F t=2T/d1F t1=-F t2径向力F r=F t tg αF r1=-F r2 大小相等，方向相反法向力F n=F t / cos αF n1=-F n2T1——小齿轮上传递的扭矩Nmm d1—小齿轮上的直径mm, α=20°2、力的方向F t——“主反从同”F r——指轮心齿面接触线上的法向载荷F n——名义载荷（未计及载荷波动，载荷沿齿宽方向的不均匀性和轮齿齿廓曲线误差等）二、计算载荷；KF n载荷系数：K=K A Kν KβKα表11-3K A——工作情况系数Kν——载荷系数Kβ——齿向载荷分布系数Kα——齿间载荷分配系数1、工作情况系数K A考虑了齿轮啮合时，外部因素引起的附加动载荷对传动的影响，它与原动机与工作机的类型与特性，联轴器类型等有关2、动载荷系数Kν——考虑齿轮制造误差和装配误差及弹性变形等内部因素引起的附加动载荷的影响3、齿向载荷分布系数K——考虑轴的弯曲、扭转变形、轴承、支座弹β性变形及制造和装配误差而引起的沿齿宽方向载荷分布不均匀的影响。
4、齿间载荷分配系数K——考虑同时有多对齿啮合时各对轮齿间载荷α分配不均匀的系数。
高等教育出版社第11章机械设计基础第五版 齿轮传动
材料及热处理；增大模数；增大齿根圆角半径； 消除刀痕；喷丸、滚压处理；增大轴及支承刚度。
二、齿面点蚀：
在润滑良好的闭式齿轮传动中，由于齿面材料在 交变接触应力（脉动循环）作用下，因为接触疲劳产 生金属微粒剥落形成凹坑的破坏形式称为点蚀。
则可得到：
2T1 圆周力： Ft d1
经向力：Fr
N N N
Ft tan
Ft 法向力： Fn cos
小齿轮上的转矩：
P T1 9550 ( N m) n1
圆周力Ft的方向在主动轮上与运动方向相反， 在从动轮上与运动方向相同。经向力Fr的方向都是 由作用点指向各自的轮心，与齿轮回转方向无关。
把
b d d1
代入上式得
m3
2 KT1 YFa
FE
SF
试验轮齿失效概率为1/100时的 齿根弯曲疲劳极限，见表11-1。 若轮齿两面工作时，应将数值乘 以0.7倍。 安全系数，见表11-5
在进行弯曲强度验算时，应对大小齿轮分别 进行验算；而在计算m时，应以
§11-5 直齿圆柱齿轮传动的 齿面接触强度计算
直齿圆柱齿轮的强度计算方法是其它各类齿轮
传动计算方法的基础，斜齿圆柱齿轮、直齿圆锥齿
轮等强度计算，可以折合成当量直齿圆柱齿轮来进
行计算。
强度计算的目的在于保证齿轮传动在工作载荷
的作用下，在预定的工作条件下不发生各种失效。
齿轮强度计算是根据齿轮可能出现的失效形式 来进行的。
三、齿面胶合
高速重载的齿轮传动，齿面间的压力大，瞬时 温度高，油变稀而降低了润滑效果，导致摩擦增大， 发热增多，将会使某些齿面上接触的点熔合焊在一 起，在两齿面间相对滑动时，焊在一起的地方又被 撕开。于是，在齿面上沿相对滑动的方向形成伤痕， 这种现象称作胶合。
机械设计基础第十一章 齿轮传动
Ft1 = 2T1
d1
Fr1 = Ft1tan
Fn1
Ft1
cos
小齿轮上的转矩：
O2
T1
106
P
1
9.55 106
P n1
N mm
P为传递的功率（KW）
t
ω1----小齿轮上的角速度，
d1----小齿轮上的分度圆直径， N1
n1----小齿轮上的转速
α----压力角
α
ω2
（从动）
标准直齿圆柱齿轮几何尺寸的计算
分度， 取标准值 ha*＝1
齿根高：hf=(ha* +c*)m ca* ——顶隙系数， 取标准值 c*=0.25
ha s N e h hf
pn pb
rb
rf r ra
α
全齿高：h= ha+hf =(2ha* +c*)m
合金结构钢 铸钢 灰铸铁
球墨铸铁
表13-1
牌号
35
45
50 40Cr
35SiMn 40MnB
…… ZG270-500
…… HT200 …… QT500-5 ……
常用的齿轮材料
热处理
正火 调质 表面淬火 正火 调质 表面淬火 正火 调质 表面淬火 调质 表面淬火 调质 ……
正火
……
硬度（HBS或HRC）
1.2~1.6
1.6~1.8
1.6~1.8
1.8~2.0
(
Fn b
)min
大的冲击 1.6~1.8 1.9~2.1 2.2~2.4
§11－5 直齿圆柱齿轮传动的 齿面接触强度计算
齿轮强度计算的主要目的是避免失效。 闭式齿轮传动的主要失效形式是齿面点蚀 和齿根弯曲疲劳折断。 开式齿轮传动的主要失效形式是齿面磨损 和齿根弯曲疲劳折断。
哈尔滨工程大学机械设计基础 第十一章 齿轮传动简答题
第十一章齿轮传动1.（1）闭式齿轮传动的主要失效形式及设计准则是什么？开式齿轮传动的主要失效形式及设计准则是什么？答：软齿面闭式齿轮传动的主要失效形式为齿面点蚀，故应先进行齿面接触疲劳强度校核，再进行齿根弯曲疲劳强度校核。
硬齿面闭式齿轮传动的主要失效形式是齿轮疲劳折断，故应先进行齿根弯曲疲劳强度校核，再进行齿面接触疲劳强度校核。
开式齿轮传动的主要失效形式是齿面磨损，一般只进行齿根弯曲疲劳强度校核，同时考虑磨损的影响将模数增加10%～15%。
（对于高速大功率的齿轮传动还要进行齿面抗胶合计算）2.（1）选择齿轮材料时，为何小齿轮的材料硬度要选得比大齿轮材料硬度高？答：因为小齿轮应力循环次数多，弯曲应力更大。
3.（1）提高轮齿的抗弯曲疲劳折断能力和齿面抗点蚀能力有哪些可能的措施？答：抗弯曲疲劳折断能力的措施：通过计算齿根弯曲疲劳强度来保证；增大齿根过渡圆角半径，消除加工刀痕，降低应力集中；增大轴和支承的刚度，减小局部载荷程度；使齿轮芯具有足够的韧性；在齿根处采取强化措施（喷丸或挤压）等。
齿面抗点蚀措施：通过计算齿面接触疲劳强度来保证；提高齿面硬度；减小齿面的粗糙度值；增加润滑油的粘度。
4.什么是硬齿面齿轮？什么是软齿面齿轮？各适用于什么场景？（此题略去）答：当齿面硬度大于350HBS时，称为硬齿面齿轮；当齿面硬度≤350HBS时，称为软齿面齿轮；硬齿面齿轮适用于高速、重载和精密仪器，而软齿面齿轮适用于对速度、载荷和精密度要求都不是很高的场合。
5.齿轮产生齿面磨损的主要原因是什么？它是哪一种齿轮传动的主要失效形式？防止磨损失效的最有效办法是什么？答：在齿轮传动时，当落入磨料性物质时，就会发生磨损，当齿轮表面比较粗糙时也会发生齿轮磨损；是开式齿轮传动的主要失效形式；最有效的方法就是改为闭式齿轮传动，其次是各种增大齿面硬度的方法。
6.齿面接触疲劳强度计算的计算点在何处？其计算的力学模型是什么？齿面接触疲劳强度针对何种失效形式？（此题略去）答：节点；两个半径为两齿轮接触点出曲率半径的圆柱之间的弹性接触；针对齿面点蚀失效形式。
大连理工 机械设计基础 作业解答：第11章-齿轮传动
11-9 两极斜齿圆柱齿轮减速器，(1) 选择低速级的斜齿轮螺旋线 方向如何选择才能使中间轴上两齿轮的轴向力方向相反；(2) 为了 使中间轴上两齿轮的轴向力互相抵消，低速级的螺旋角 β 应是多 少？
11-9 两极斜齿圆柱齿轮减速器，(1) 选择低速级的斜齿轮螺旋线 方向如何选择才能使中间轴上两齿轮的轴向力方向相反；(2) 为了 使中间轴上两齿轮的轴向力互相抵消，低速级的螺旋角 β 应是多 少？
11-4 开式直齿圆柱齿轮传动，i12=3.5， P=3KW，n1=50r/min，用电动机驱动， 单向传动，载荷均匀， Z1=21，小齿轮为45钢调质处理，大齿轮为45钢正火， 请确定合理的d、m值。
较高可靠度
11-4 开式直齿圆柱齿轮传动，i12=3.5， P=3KW，n1=50r/min， 用电动机驱动，单向传动，载荷均匀， Z1=21，小齿轮为 45钢调质处理，大齿轮为45钢正火，请确定合理的d、m值。
第十一章 齿轮传动
11-1 有一直齿圆柱齿轮传动，原设计传动功率为 P，主动轴转 速为 n1。若其它条件不变，轮齿的工作应力也不变，当 主动轴转速提高一倍（即n1＇= 2n1 时），求该齿轮传动 能传递的功率P＇ 。
11-2 有一直齿圆柱齿轮传动，允许传递功率 P。若通过热处理 提高了材料力学性能，使大、小齿轮的许用接触应力[σH2] 、 [σH1]各提高30%，那么在不改变工作条件和其它设计参数 的情况下，抗疲劳点蚀允许传递的扭矩、功率可提高多少？
2 230
arccos0.968 1434'21''
d1
mn .Z1
cos
4 21 cos14.57
86.792mm
齿宽
b d d1 1.186.792 95.5mm
第十一章-齿轮传动思维导图
齿数z
主要参数
11-7 圆柱齿轮材料和 参数的选取与计算方法
齿宽系数及齿宽
圆周力
径向力 斜齿轮圆柱齿轮的受力分析
轴向力
圆周力、径向力与直齿圆柱齿轮的方向相同
对主动轮：用左、右手法则来判 断，从动轮方向与主动轮相反
轴向力
斜齿圆柱齿轮传动的作用力方向
11-/s，采用油池润滑
精度等级
11-4 直齿圆柱齿轮传动 的作用力及计算载荷
直齿圆柱齿轮传动的受力分析
直齿圆柱齿轮传动的作用力方向
圆周力：“主反从同” 径向力：由作用点指向各自的轮心
直齿圆柱齿轮传动的计算载荷
法向力Fn为名义载荷
齿面最大接触应力可近似用赫兹公式计算
11-5 直齿圆柱齿轮传 动的齿面接触强度计算
齿面接触强度（简化后） 齿面接触疲劳强度的校核公式 齿面接触疲劳强度的设计公式
第十一章齿轮传动
11-1 齿轮的失效形 式和设计计算准则
失效形式
轮齿折断（闭式硬齿面齿轮传动的主要失效形式） 齿面点蚀（闭式软齿面齿轮传动的主要失效形式） 齿面胶合（主要出现在高速重载的闭式齿轮传动） 齿面磨损（开式齿轮传动的主要失效形式） 齿面塑性变形（重载软软齿面齿轮传动的主要失效形式）
设计计算准则
多级传动且大齿轮直径不等时， 采用惰轮蘸油润滑
v>12m/s，采用油泵喷油润滑
减少摩擦磨损，散热和防锈蚀
开式，半闭式，低速齿轮传动采用人工定 期润滑，用润滑油或润滑脂
润滑目的 润滑方式
闭式齿轮传动的润滑方式由圆周速度v决定
查表 润滑油牌号和粘度
功率损耗 传动效率
齿轮传动的效率
11-11 齿轮传动 的润滑和效率
11-2 齿轮材料及热处理
机械设计基础第11章齿轮传动(六-2)
2T1 dm1
F F tg ' t
Ft的方向在主动轮上与运动方向 相反，在从动论上与运动方向相
同；
径向力：Fr1 F'cos 1 Ft tg cos 1
径向力指向各自的轴心；
轴向力：Fa Ft tg sin
F’
Fr
δ Fr δ
轴向力Fa的方向对两个齿轮都是背着锥顶。
当δ 1+δ 2 = 90˚ 时，有： sinδ 1=cosδ 2
YFaYSa
[ F ]
mm
MPa
§11－10 齿轮的构造
一、概述 由强度计算只能确定齿轮的主要参数：
如齿数z、模数m、齿宽B、螺旋角、分度圆直径d 等。
其它尺寸由结构设计确定
齿轮结构设计的内容： 主要是确定轮缘，轮辐，轮毂等结构形式及尺寸大小。
Ft tan n cos
Fr
Fn
c α F n
F β a
潘存云教授研制
t
长方体对角面即轮齿法面
Fr
潘存云教授研制
β
Fn αn
F’
潘存云教授研制
T1 F’ ω1
Ft Fr = F’ tanαn
β
d1
Fa
F’ 长方体底面
2
F’=Ft /cosβ
方向判断：
Ft、Fr 方向判断均同直齿圆柱齿轮 Ft：主动轮上与转向相反，从动轮上与转向相同。 Fr：均由作用点指向各自轮心。
dm2 d dm是平均分度圆直径
2
R =0.25 ~ 0.3
当量齿轮分度圆直径：
Re
rv1
dm1
2 cos 1
rv 2
dm2
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均匀
中等冲击
大的冲击
电动机 多缸内燃机
1~1.2 1.2~1.6
1.2~1.6 1.6~1.8
1.6~1.8 1.9~2.1
单缸内燃机
1.6~1.8
1.8~2.0
2.2~2.4
§11-5 直齿圆柱齿轮传动的齿面接触强度计算
在断一。般齿闭面式疲齿劳轮点传蚀动与中齿，面轮接齿触的应失力效的主大要小1是有关齿面1接触疲劳点蚀和轮齿O弯2曲疲劳折
轮齿所受总法向力Fn可分解为三个分力 : 面而定。
圆周力：Ft
2T1 d1
轴向力：Fa
Ft tg
径向力：Fr
Ft tgn cos
Fr
Fn
F c α F a
nt
β 设计：潘存云
设计：潘存云
T1 F'
长方体对角面即轮齿法面
β
设计：潘存云
ω1
Fr Fn αn
F'
Ft Fr = F' tgαn
β
d1
Fa
O2
各作用力的方向如图
圆周力： Ftຫໍສະໝຸດ 2T1 d1径向力：Fr1 Fr2 Fttg
法向力：Fn Ft / cos
小齿轮上的转矩：
α ω2 （从动）
t
d2 2
N2 Fn c αt 设计：潘存云
t
N1
Fn
d1 T1 2
N1
α
F N n 设计：潘存云
2
F α t r
c Ft
T1
d1 2
T1
10 6
P
1.转角与理论不一致，影响运动的准确性；
2.瞬时传动比不恒定，出现速度波动，引起震动、 冲击和噪音影响运动平稳性；
3.齿向误差导致轮齿上的载荷分布不均匀，使轮齿提 前损坏，影响载荷分布的均匀性。
国标GB10095-88给齿轮副规定了12个精度等级。其中1 级最高，12级最低，常用的为6~9级精度。 按照误差的特性及它们对传动性能的主要影响，将齿
齿形系数–YFa
许用弯曲应力：
[F
]
FE SF
MPa
弯曲疲劳极限σFE由实验确定。表11-1
SF为安全系数，查表11-5确定。
因弯曲疲劳造成的轮齿折断可能造成重大事故，而疲劳 点蚀只影响寿命，故：SF>SH
§11-7 设计圆柱齿轮时材料和参数的选取 一、材料 二、主要参数
齿轮传动设计时，按主要失效形式进行强度计算，确 定主要尺寸，然后按其它失效形式进行必要的校核。
轮的各项公差分成三组，分别反映传递运动的准确性，
传动的平稳性和载荷分布的均匀性。
表11-2 齿轮传动精度等级的选择及其应用
精度等级 6级
圆周速度 v(m/s)
直齿圆 斜齿圆 直齿圆 柱齿轮 柱齿轮 锥齿轮
应用
高速重载齿轮传动，如飞机、 ≤ 15 ≤30 ≤ 12 汽车和机床中的重要齿轮；分
度机构的齿轮传动。
5. 渗氮 渗氮是一种化学处理。渗氮后齿面硬度可达60~62HRC。 氮化处理温度低，轮齿变形小，适用于难以磨齿的场合， 如内齿轮。材料为：38CrMoAlA.
特点及应用： 调质、正火处理后的硬度低，HBS ≤ 350，属软齿面， 工艺简单、用于一般传动。当大小齿轮都是软齿面时， 因小轮齿根薄，弯曲强度低，故在选材和热处理时， 小轮比大轮硬度高: 20~50HBS
轮齿折断 严重过载突然断裂 疲劳折断
失效形式
潘存云教授研制
设计：潘存云 设计：潘存云
失效形式
§11-1 轮齿的失效形式
轮齿折断
齿面点蚀
齿面接触应力为脉动 循环变化，当超过疲 劳极限时，表面产生 微裂纹、高压油挤压 使裂纹扩展、微粒剥 落。点蚀首先出现在 节线处，齿面越硬， 抗点蚀能力越强。软 齿面闭式齿轮传动常 因点蚀而失效。
αt d1
T1 2
齿数比: u= z2 /z1 = d2 /d1 ≥ 1 中心距 : a=(d2 ± d1)/2 = d1(u ±1)/2
α ω1 O（1主动）
或 : d1 = 2a /(u ±1)
得:
1
1
1
2
(2 1) 12
2(d2 d1)
d1d2 sin
u 1 2
u d1 sin
(u 1)2
时，弯矩达最大值。 危险截面：齿根圆角30˚ 切线两切点连线处。
Fn
齿顶受力：Fn，可分解成两个分力： F1 = Fn cosαF ---产生弯曲应力； F2 = Fn sinαF ---压应力，小而忽略。
弯曲力矩： M=KFnhFcosαF
F1
αF
Fn
F2 设计：潘存云 hF
30˚ 30˚
SF
分量F2产生压缩应力可忽略不计，
H ZEZHZ
2KT1(u 1) bd12u
[H ]
MPa
引入齿宽系数：ψd=b/d1
得设计公式： d1 3
2KT1(u du
1)
ZE ZH Z [H ]
2
mm
弯曲应力验算公式：
F
2KT1YFa YSa bd1m n
[F ]
MPa
引入齿宽系数：ψd=b/d1
得设计公式：mn
3
1
9.55 10 6
P n1
α ω1 N mm O（1主动）
α ω1 （主动）
O1
P为传递的功率（KW） ω1----小齿轮上的角速度， n1----小齿轮上的转速 d1----小齿轮上的分度圆直径，
α----压力角
力的方向
圆周力的方向 Ft：主动轮的方向与其转向相反；
从动轮的方向与其转向相同。 径向力 Fr 的方向：指向各自的轮心（外齿轮）。
失效形式
§11-1 轮齿的失效形式
轮齿折断
齿面点蚀
齿面胶合 跑合磨损
齿面磨损 磨粒磨损 跑合磨损、磨粒磨损。
设计：潘存云
措施：1.减小齿面粗糙度 2.改善润滑条件
失效形式
§11-1 轮齿的失效形式
轮齿折断 齿面点蚀 齿面胶合 齿面磨损 齿面塑性变形
主动齿
设计：潘存云
从动齿
§11-2 齿轮材料及热处理
ua sin
在节点处，载荷由一对轮齿来承担：Fn
Ft
cos
2T1
d1 cos
经整理得验算接触强度公式: 式(11-2) p175
H ZEZH
2KT1(u 1) bd12u
[H ]
MPa
按接触强度设计公式: 式(11-3) p176
d1 3
2KT1(u du
1)
ZEZH [H ]
2
mm
当一对齿轮的材料，传动比以及齿宽一定时，由齿面接触强度 所决定的承载能力，仅与齿轮的分度圆有关。分度圆直径分别 相等的两对齿轮，不论其模数是否相等，具有相同的承载能力。
优质碳素钢
常用齿轮材料 热处理方法
合金结构钢 铸钢 铸铁 表面淬火 ----高频淬火、火焰淬火 渗碳淬火 调质 正火
1.表面淬火 渗氮
一般用于中碳钢和中碳合金钢，如45、40Cr等。表面 淬火后轮齿变形小，可不磨齿，硬度可达52~56HRC， 面硬芯软，能承受一定冲击载荷。
2. 渗碳淬火 渗碳钢为含碳量0.15~0.25%的低碳钢和低碳合金钢， 如20、20Cr等。齿面硬度达56~62HRC，齿面接触强 度高，耐磨性好，齿芯韧性高。常用于受冲击载荷的 重要传动。通常渗碳淬火后要磨齿。
危险界面的弯曲截面系数：W
bSF2
rb
6
弯曲应力： F
M W
6KFnhF cos F
bsF2
O
6KFt hF cos F bsF2 cos
弯曲应力： F
M W
6KFt hF cos F bsF2 cos
YFa –齿形系数
KFt
6( hF m
) cosF
bm ( sF )2 cos
2KT1YF bd1m
3.调质 调质一般用于中碳钢和中碳合金钢，如45、40Cr、 35SiMn等。调质处理后齿面硬度为： 220~260HBS 。因为硬度不高，故可在热处理后精 切齿形，且在使用中易于跑合。
4. 正火 正火能消除内应力、细化晶粒、改善力学性能和切削 性能。机械强度要求不高的齿轮可用中碳钢正火处理。 大直径的齿轮可用铸钢正火处理。
背离轮心（内齿轮）。
主 动 直轮齿的受力分析 齿 轮
二、计算载荷 Fn---名义载荷
设计：潘存云
受力变形
制造误差 安装误差
载荷集中 附加动载荷
(
Fn b
)max
(
Fn b
)min
用计算载荷KFn代替名义载荷Fn以考虑载荷集中和附加 动载荷的影响，K----载荷系数
表11-3 载荷系数K
原动机
工作机械的载荷特性
斜轮齿的受力分析
1 主动
1 主动
1 主动
2
2
2
两级斜轮齿的受力分析
二、强度计算
斜齿圆柱齿轮传动的强度计算是按轮齿的法面进行的，其基本原理 与直齿轮相同。但是，斜齿轮的重合度大，同时啮合的轮齿较多，
轮齿的接触线是倾斜的，在法面内斜齿轮的当量齿轮的分度圆半径
一对钢制标准斜齿轮传较动大，的因此接斜齿触轮的应接触力强度及和弯强曲强度度较直条齿轮件低。为：
§11-9 直齿圆锥齿轮传动 §11-10 齿轮的构造
§11-11 齿轮传动的润滑和效率
第11章 齿轮传动
作用： 不仅用来传递运动、而且还要传递动力。 要求： 运转平稳、足够的承载能力。
分类
开式传动 闭式传动
----裸露、灰尘、易磨损，适于 低速传动。
----润滑良好、适于重要应用；