直齿圆柱齿轮设计步骤.docx

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直齿圆柱齿轮设计步骤

直齿圆柱齿轮设计

1.齿轮传动设计参数的选择

齿轮传动设计参数的选择：

1）压力角α的选择

2）小齿轮齿数Z1的选择

3）齿宽系数fd的选择

齿轮传动的许用应力

精度选择

  压力角α的选择

   由《机械原理》可知，增大压力角α，齿轮的齿厚及节点处的齿廓曲率半径亦皆随之增加，有利于提高齿轮传动的弯曲强度及接触强度。

我国对一般用途的齿轮传动规定的压力角为α=20o。

为增强航空有齿轮传动的弯曲强度及接触强度，我国航空齿轮传动标准还规定了α=25o的标准压力角。

但增大压力角并不一定都对传动有利。

对重合度接近2的高速齿轮传动，推荐采用齿顶高系数为1～1.2，压力角为16o～18o的齿轮，这样做可增加齿轮的柔性，降低噪声和动载荷。

   小齿轮齿数Z1的选择

若保持齿轮传动的中心距α不变，增加齿数，除能增大重合度、改善传动的平稳性外，还可减小模数，降低齿高，因而减少金属切削量，节省制造费用。

另外，降低齿高还能减小滑动速度，减少磨损及减小胶合的可能性。

但模数小了，齿厚随之减薄，则要降低齿轮的弯曲强度。

不过在一定的齿数范围内，尤其是当承载能力主要取决于齿面接触强度时，以齿数多一些为好。

闭式齿轮传动一般转速较高，为了提高传动的平稳性，减小冲击振动，以齿数多一些为好，小一些为好，小齿轮的齿数可取为z1=20~40。

开式（半开式）齿轮传动，由于轮齿主要为磨损失效，为使齿轮不致过小，故小齿轮不亦选用过多的齿数，一般可取z1=17~20。

为使齿轮免于根切，对于α=20o的标准支持圆柱齿轮，应取z1≥17。

Z2=u·z1。

   齿宽系数φd的选择

由齿轮的强度公式可知，轮齿越宽，承载能力也愈高，因而轮齿不宜过窄；但增大齿宽又会使齿面上的载荷分布更趋不均匀，故齿宽系数应取得适合。

圆柱齿轮齿宽系数的荐用值列于下表。

对于标准圆柱齿轮减速器，齿宽系数取为

所以对于外捏合齿轮传动φa的值规定为0.2，0.25，0.30，0.40，0.50，0.60，0.80，1.0，1.2。

运用设计计算公式时，对于标准减速器，可先选定再用上式计算出相应的φd值

表：

 圆柱齿轮的齿宽系数φd

装置状况

两支撑相对小齿轮作对称布置

两支撑相对小齿轮作不对称布置

小齿轮作悬臂布置

φd

0.9～1.4（1.2～1.9）

0.7～1.15（1.1～1.65）

0.4～0.6

注：

1）大、小齿轮皆为硬齿面时φd应取表中偏下限的数值；若皆为软齿面或仅大齿轮为

      软齿面时φd可取表中偏上限的数值；

2）括号内的数值用于人自齿轮，此时b为人字齿轮的总宽度；

3）金属切削机床的齿轮传动，若传递的功率不大时，φd可小到0.2；

4）非金属齿轮可取φd≈0.5～1.2。

齿轮传动的许用应力

齿轮的许用应力[σ]按下式计算

式中参数说明请直接点击

疲劳安全系数S

   对接触疲劳强度计算，由于点蚀破坏发生后只引起噪声、振动增大，并不立即导致不能继续工作的后果，故可取S=SH=1。

但是，如果一旦发生断齿，就会引起严重的事故，因此在进行齿根弯曲疲劳强度的计算时取S=SF=1.25~1.5. 

寿命系数KN

弯曲疲劳寿命系数KFN，查图1

接触疲劳寿命系数KHN，查图2

图中N=60njLh

n——齿轮转速（rpm）,

N——齿轮工作应力循环次数

j——齿轮每转一圈时，同一齿面啮合数

Lh——为齿轮的工作寿命（h）

图1：

弯曲疲劳寿命系数KFN

                 1一调质钢，珠光体、贝氏作球星铸铁，珠光体黑色可银铸铁；

                 2一镇联淬火用，火焰或感应表面淬火锅；

                 3一氨化的调质钢或氯化钢，铁索作球＊铸铁，结构纲．灰铸铁；

                 4一碳氮共修的调质钢

图2：

接触疲劳寿命系数KHN

                      1—结构钢．调质钢，珠光作、贝氏作球墨铸铁，

                         珠光体黑色可依铸扶，掺假淬火锅（允许一定点蚀）；

                      2—材料同1，不允许出现点蚀；

                      3—灰铸铁，铁素作球墨铸铁，氯化的调质钢或氨化钢；

                      4—联氛共修的调质钢

齿轮疲劳数极限slim

齿轮精度选择

齿轮精度选择各类机器所用齿轮传动的精度等级范围，列于下表中，按载荷及速度推荐的齿轮传动精度等级如下图所示。

表：

各类机器所用齿轮传动的精度等级范围

机器名称

精度等级

机器名称

精度等级

汽轮机

3~6

拖拉机

6~8

金属切削机床

3~8

通用减速机

6~8

航空发动机

4~8

锻压机床

6~9

轻型汽车

5~8

起重机

7~10

载重汽车

7~9

农用机器

8~11

注：

主传动齿轮或重要的齿轮传动，精度等级偏上限选择；辅助传动的齿轮或一般齿轮传动，精度等级居中或偏下限选择。

图：

齿轮传动的精度选择圆柱齿轮传动

2.☞齿轮常用材料:

齿轮材料的选择基本要求

齿轮材料的选择原则

齿轮材料的选择基本要求：

齿面要硬，齿心要韧

常用材料及机械性能如下表

表：

常用材料及机械性能

材料牌号

热处理方法

强度极限

σB（MPa）

屈服极限

σS（MPa）

硬度（HBS）

齿芯部

齿面

HT250

250

170~240

HT300

300

187~255

HT350

350

197~269

QT500-5

常  化

500

147~241

QT600-2

600

229~320

ZG310-570

580

320

156~217

ZG340-640

650

350

169~229

45

580

290

162~217

ZG340-640

调  质

700

380

241~269

45

650

360

217⎺255

30CrMnSi

1100

900

310~360

35SiMn

750

450

217~269

38SiMnMo

700

550

217~269

40Cr

700

500

241~286

45

调质后表面淬火

40~50HRC

40Cr

48~55HRC

20Cr

渗碳后淬火

650

400

300

58~60HRC

20CrMnTi

1100

850

12Cr2Ni4

1100

850

320

20Cr2Ni4

1200

1100

350

35CrAIA

调质后氮化（氮化层厚σ≥0.3~0.5mm）

950

750

255~321

>850

38CrMoALA

1000

850

夹布胶带

100

25~35

注：

40Cr钢可用40MnVB替代；20Cr、20CrMnTi钢可用20Mn2B或20MnVB替代

齿轮材料的选择原则:

   齿轮材料的种类很多，在选择时应考虑的因素也很多，下述几点可供选择材料时参考：

   1）齿轮材料必须满足工作条件的要求。

例如，用于飞行器上的齿轮，要满足质量小、传递功率大和可靠性高的要求，因此必须选择机械性能高的合金银；矿山机械中的齿轮传动，一般功率很大、工作速度较低、周围环境中粉尘含量极高，因此往往选择铸钢或铸铁等材料；家用及办公用机械的功率很小，但要求传动平稳、低噪声或无噪声、以及能在少润滑或无润滑状态下正常工作，因此常选用工程塑料作为齿轮材料。

总之，工作条件的要求是选择齿轮材料时首先应考虑的因素。

   2）应考虑齿轮尺寸的大小、毛坯成型方法及热处理和制造工艺。

大尺寸的齿轮一般采用铸造毛坯，可选用铸钢或铸铁作为齿轮材料。

中等或中等以下尺寸要求较高的齿轮常选用锻造毛坯，可选择锻钢制作。

尺寸较小而又要求不高时，可选用圆钢作毛坯。

   齿轮表面硬化的方法有：

渗碳、氨化和表面淬火。

采用渗碳上艺时，应选用低碳钢或低碳含金钢作齿轮材料；氨化钢和调质钢能采用氮化工艺；采用表面淬火时，对材料没有特别的要求。

   3）正火碳钢，不论毛坯的制作方法如何，只能用于制作在载荷平稳或轻度冲击下工作的齿轮，不能承受大的冲击载荷；调质碳钢可用于制作在中等冲击载荷下工作的齿轮。

   4）合金钢常用于制作高速、重载并在冲击载荷下工作的齿轮。

   5）飞行器中的齿轮传动，要求齿轮尺寸尽可能小，应采用表面硬化处理的高强度合金钢。

   6）金属制的软齿面齿轮，配对两轮齿面的硬度差应保持为30～50HBS或更多。

当小齿轮与大齿轮的齿面具有较大的硬度差（如小齿轮齿面为淬火并磨制，大齿轮齿面为常化或调质）；且速度又较高时，较硬的小齿轮齿面对较软的大齿轮齿面会起较显著的冷作硬化效应，从而提高了大齿轮齿面的疲劳极限。

因此，当配对的两齿轮齿面具有较大的硬度差时，大齿轮的接触疲劳许用应力可提高约 20％，但应注意硬度高的齿面，粗糙度值也要相应地减小。

3.2）按齿面接触强度设计

3）按齿根弯曲强度设计

4）几何尺寸计算

5）齿轮结构设计

按齿面接触强度设计步骤

按齿面接触强度设计按下式进行

式中参数说明请直接点击

1）u——传动比

2）计算圆周速

3）计算齿宽b：

b=fd·d1t      （mm）

4）计算齿宽与齿高比b/h

     模数  mt=d1t/Z1          （mm）

     齿高  h=2.25mt          （mm）

5）计算载荷系数K

6）校核分度圆直径

式中参数说明请直接点击

7）重新计算模数m=d1/Z1        （mm）

小齿轮转距T1

          P1——输入功率 （kw）

          n1——小齿轮转速（rpm）

弹性影响系数ZE

表10-6   弹性影响系数ZE（）

      弹性模量E（MPa）

齿轮材料

配 对 齿 轮 材 料

灰铸铁

球墨铸铁

铸钢

锻钢

夹布塑胶

11.8×104

17.3×104

20.2×104

20.6×104

0.785×104

锻   钢

162.0

181.4

188.9

189.8

56.4

铸   钢

161.4

180.5

188.0

—

—

球墨铸铁

156.6

173.9

—

灰铸铁

143.7

—

注：

表中所列夹布塑胶的泊松比μ为0.5，其余材料的μ均为0.3

初选载荷系数Kt

当用设计公式初步计算齿轮的分度圆直径d1（或模数mn）时，动载系数、齿间载荷分配系数Kα及齿向载荷分布系数Kβ不能预先确定，此时可试选一载荷系数Kt（如取=1.2~1.4）,则算出来的分度圆