自动化非标选型专题2.4.1-齿轮结构认知及标准圆柱齿轮选

这是一篇关于自动化非标选型专题2.4.1-齿轮结构认知及标准圆柱齿轮选的思维导图，主要内容包括：齿轮机构的基础认知、标准圆柱齿轮选型计算。

自动化非标选型专题 2.4.1-齿轮结构认知及标准圆柱齿轮选型计算

内容

知识点1：齿轮机构的基础认知

1.基本认知

定义：轮缘上有齿轮连续啮合传递运动和动力的一种机械零部件

传动特点

1.瞬间传动比恒定，传动准确且平稳(齿轮齿数越多传动越平稳)

2.传动效率高，寿命长，结构紧凑

3.加工制造难度高，低精度的齿轮传动会产生噪声和振动

2.齿轮的类型及应用场合

1.按轴的相对位置进行分类

两轴平行

按轮齿方向

1.直齿圆柱齿轮

2.斜齿圆柱齿轮

3.人字齿圆柱齿轮

按啮合情况

1.外啮合齿轮

2.内啮合尺寸

3.齿轮齿条

两轴不平行

相交轴齿轮

锥齿轮传动

交错轴齿轮

1.交错轴斜齿轮

2.蜗轮蜗杆

2.常用齿轮传动类型及传动特性

1.直齿圆柱齿轮传动

轮齿分布在圆柱体外表面且其轴线平行，两轮的转动方向相反

2.斜齿圆柱齿轮传动

轮齿与其轴线倾斜一个角度，沿螺旋线方向排列，两轮转向相反，传动平稳。

适合于高速重载传动情况。

3.齿轮齿条传动

齿数趋于无穷多的外齿轮演变成为齿条，啮合时，齿轮转动，齿条直线移动

4.圆锥齿轮传动

轮齿沿圆锥母线排列于截锥表面，是相交轴齿轮传动的基本形式，制造上较为简单

5.蜗轮蜗杆传动

两轴垂直交错，广泛应用于机床、汽车、起重设备等传动机械中

3.软/硬齿轮

软齿面齿轮，齿轮齿面硬度≤350HBS

赛钢(吸湿性小)

尼龙(吸湿性大)

硬齿面齿轮，齿轮齿面硬度＞350HBS

知识点2：标准圆柱齿轮选型计算

1.齿轮各部分结构名称和符号

第一部分

1.齿顶圆直径：da

2.齿根圆直径：df

3.齿厚：s

4.齿槽宽：e

5.齿间距：p=s+e

第二部分

1.分度圆直径：d

2.齿顶高：ha

3.齿根高：hf

4.齿全高：h=ha+hf

5.基圆直径：db

2.齿轮基本参数

1.齿数Z

最小标准齿数Zmin=17

2.模数m

单位是mm

3.压力角α

标准压力角α=20°

4.齿顶高系数ha*

齿顶高ha=ha*×m

正常齿制ha*取1

短齿制ha*取0.8

5.顶隙系数c*

齿根高hf=(ha*+c*)×m

正常齿制c*取0.25

短齿制c*取0.3

3.标准直齿圆柱齿轮设计计算公式

标准齿轮：m、α、ha*、c*为标准值，且s=e

核心计算公式

分度圆直径d=mz

齿顶高ha=ha*×m

齿根高hf=(ha*+c*)×m

齿全高h=ha+hf=(2ha*+c*)×m

齿顶圆直径da=(z+2ha*)×m

齿根圆df=(z-2ha*-c*)×m

基圆db=d×cosα

齿距p=Πm

齿厚与齿槽宽s=e=Πm/2

齿轮啮合重要条件

两个齿轮，模数相等，压力角相等

齿轮正确安装之后，齿轮中心距a=m/2(z1+z2)

实战训练案例

案例一：求解标准尺寸基本参数

计算过程

1.齿高h=ha+hf=(2ha*+c*)×m

齿轮为正常齿，取ha*=1，c*=0.25

m=h/(2ha*+c*)=8.96/(2×1+0.25)=3.982

因此，m取4

2.齿顶圆da=(z+2ha*)×m

z=(da-2ha* m)/m=(135.90-2×1×4)/4=31.975

因此，齿数z=32

3.剩余齿轮标准参数计算

分度圆直径d=mz=4×32=128mm

齿顶圆直径da=d+2ha* m=128+2×1×4=136mm

齿根圆直径df=d-2(ha*+c*)×m=128-2×(1+0.25)×4=118mm

基圆直径db=d×cosα=128×cos20°=120.281mm

案例二：求解正常啮合齿轮的几何尺寸

计算过程

1.正常齿，且正确啮合，传动比为3

大齿轮齿数z2=i×z1=3×30=90

取，ha*=1，c*=0.25

正确啮合，m1=m2=3，α1=α2=20°

2.计算小齿轮相关标准几何参数

分度圆直径：d1=mz1=3×30=90mm

齿顶圆直径：da1=(z1+2ha*)×m=(30+2)×3=96mm

齿根圆直径：df1=(z1-2ha*-c*)×m=(30-2×1-0.25)×3=83.25mm

基圆直径：db1=d1×cosα=90×cos20°=84.32mm

3.计算大齿轮相关标准几何参数

分度圆直径：d2=mz2=3×90=270mm

齿顶圆直径：da2=(z2+2ha*)×m=(90+2)×3=276mm

齿根圆直径：df2=(z2-2ha*-c*)×m=(90-2×1-0.25)×3=263.25mm

基圆直径：db2=d2×cosα=270×cos20°=253.72mm

4.计算传动中心距a

a=1/2m(z1+z2)=1/2×3×(30+90)=180mm

知识点3：齿轮失效形式及设计准则

1-齿轮常见失效形式

失效形式一：轮齿折断

1.疲劳折断：在循环变化载荷下，产生疲劳裂纹，随着裂纹不断扩展，轮齿最终断裂

2.过载折断：轮齿过载或受冲击载荷作用时，突然弯曲折断

抗折断措施

齿轮材料采用韧性材料，提高制造精度，避免过载和冲击等

失效形式二：齿面点蚀

齿轮啮合工作过程中，齿面接触应力是按动循环变化，当这种交变接触应力重复次数超过一定限度后，轮齿表层或次表层就会产生不规则的细微的疲劳裂纹，疲劳裂纹蔓延扩展使金属脱落而在齿面形成麻点状凹坑，即为齿面点蚀。

抗点蚀措施

提高齿面硬度和加工精度；选用粘度合适的润滑油

失效形式三：齿面胶合

对于重载、高速齿轮传动，因啮合区产生很大的摩擦热，导致局部温度过高，使润滑油膜破裂，接触齿面金属发生粘着，随着齿面的相对运动，使金属从齿面上撕落而引起严重的粘着磨损的现象。

抗胶合措施

提高齿面硬度，减小齿面粗糙度和齿轮模数，采用抗胶合能力强的润滑油

失效形式四：齿面磨损

当轮齿工作面间落入灰尘、硬屑等磨料物质时，会引起齿面磨损。磨损后，正确齿廓形状遭到破坏，引起冲击、振动和噪声，且齿厚减薄，最后导致轮齿因强度不足而折断。磨损是开式齿轮传动的主要失效形式。

抗磨损措施

提高齿面硬度，改善密封和润滑条件，采用减摩性好的润滑油等

失效形式五：轮齿塑性变形

齿面较软的轮齿，载荷及摩擦力又很大时，轮齿在啮合过程中，齿面表层的材料就会沿着摩擦力的方向产生局部塑性变形，使齿廓失去正确的形状，导致失效。

抗塑变措施

提高齿面硬度，采用粘度较大的润滑油等

2-齿轮传动设计准则

闭式齿轮传动

对软齿面（硬度≤350HBS）齿轮，其主要失效形式是齿面点蚀，其次是轮齿折断，故通常按齿面接触疲劳强度进行设计，然后按弯曲疲劳强度进行校核；

对硬齿面（硬度＞350HBS）齿轮，其主要失效形式是轮齿折断，其次是齿面点蚀，此时可按齿根弯曲疲劳强度进行设计，然后再按齿面接触疲劳强度进行校核。

硬齿面齿轮常用的材料为40Cr、20Cr、20CrMnTi、38CrMoAlA等

开式齿轮传动

其主要失效形式是齿面磨损和轮齿折断，因磨损尚无成熟的计算方法，故通常只按轮齿折断进行齿根弯曲疲劳强度设计，并通过适当增大模数的方法来考虑磨损的影响