齿轮传动-基础知识、习题

第七章 齿轮传动

7-1 基础知识

一、齿轮传动的主要类型及特点

齿轮传动是最基本的机械传动形式之一，它的特点是传动准确、可靠、效率高，传递功率和速度的范围大。 齿轮传动按工作条件划分，则可分为：开式齿轮传动、半开式齿轮传动以及闭式齿轮传动。

（1）开式齿轮传动的齿轮完全暴露在外边，因此杂物易于侵入、润滑不良，齿面容易磨损，通常用于低速传动。

（2）半开式齿轮传动装有简单的防护装置，工作条件有一定的改善。

（3）闭式齿轮传动的的齿轮安装在封闭的箱体内，润滑及防护条件最好，常用于重要的场合。 齿轮传动按相互啮合的齿轮轴线相对位置划分，则可分为：圆柱齿轮传动、圆锥齿轮传动以及齿轮齿条传动。 （1）圆柱齿轮传动用于两平行轴之间的传动。 （2）圆锥齿轮传动用于两相交轴之间的传动。 （3）齿轮齿条传动可将旋转运动变为直线运动。

二、齿轮传动的失效形式及设计准则

1．齿轮传动的失效形式

齿轮传动的失效主要发生在轮齿。常见的失效形式有：轮齿折断、齿面磨损、齿面点蚀、齿面胶合和塑性变形。

（1）轮齿折断

闭式传动中，当齿轮的齿面较硬时，容易出现轮齿折断。另外齿轮受到突然过载时，也可能发生轮齿折断现象。

提高轮齿抗折断能力的措施有：增大齿根过渡圆角半径及消除加工刀痕；增大轴及支承的刚性；采用合理的热处理方法使齿芯具有足够的韧性；进行喷丸、滚压等表面强化处理。

（2）齿面磨损

齿面磨损是开式齿轮传动的主要失效形式之一。改用闭式齿轮传动是避免齿面磨损的最有效方法。 （3）齿面点蚀

齿面点蚀是闭式齿轮传动的主要失效形式，特别是在软齿面上更容易产生。

提高齿面抗点蚀能力措施有：提高齿轮材料的硬度；在啮合的轮齿间加注润滑油可以减小摩擦，减缓点蚀。 （4）齿面胶合

对于高速重载的齿轮传动，容易发生齿面胶合现象。另外低速重载的重型齿轮传动也会产生齿面胶合失效，即冷胶合。

提高齿面抗胶合能力的措施：提高齿面硬度和降低齿面粗糙度值；加强润滑措施，如采用抗胶合能力高的润滑油，在润滑油中加入添加剂等。

（5）塑性变形

塑性变形一般发生在硬度低的齿面上；但在重载作用下，硬度高的齿轮上也会出现。

提高轮齿抗塑性变形能力的措施：提高轮齿齿面硬度；采用高粘度的或加有极压添加剂的润滑油等。 2．设计准则

目前设计一般使用的齿轮传动时，通常只按保证齿根弯曲疲劳强度及保证齿面接触疲劳强度两准则进行计算。

（1）在闭式齿轮传动中，一般应先按接触疲劳强度设计，计算出齿轮的分度圆直径及其主要几何参数（d1，

b等），然后对其轮齿的抗弯疲劳强度进行校核。但是当齿面的硬度较高（硬度＞350 HBS）时，弯曲折断是主

要失效形式，其轮齿的弯曲疲劳强度相对较弱，此时一般按轮齿齿根的抗弯疲劳强度设计，然后再校核其齿面接触疲劳强度。

（2）在开式（半开式）齿轮传动中，齿轮的失效形式主要是齿面磨损和轮齿的弯曲疲劳折断，因此目前通

常以保证齿根弯曲疲劳强度作为设计准则，并根据具体要求适当增大齿轮的模数。

三、齿轮常用的材料、热处理及许用应力

1．齿轮常用的材料

根据齿轮传动的失效形式，对齿轮材料性能的基本要求是齿面要硬与齿心要韧。根据以上的要求，设计齿轮时常采用的材料有：锻钢、铸钢、铸铁以及非金属材料。

（1）锻钢

锻钢为是齿轮设计中最常用的材料。 （2）铸钢

铸钢常用于大型的齿轮。 （3）铸铁

铸铁齿轮常用于工作平稳，速度较低，功率不大的场合。 （4）非金属材料

非金属材料齿轮可降低噪声，常用于高速、轻载及精度不高的场合。 2．热处理

（1）对锻钢材料，一般是采用正火或调质处理，然后进行切齿。但是当齿轮用于重要的场合时，通常是先切齿，然后进行表面硬化处理（如表面淬火、渗碳、氮化等），再进行精加工。

（2）对铸钢材料，常采用退火与常化处理，必要时可进行调质。

六、齿轮的结构设计与润滑

1．齿轮的结构设计

进行齿轮的结构设计时，必须综合考虑齿轮的几何尺寸、毛坯、材料、加工工艺、使用要求以及经济性等因素。通常是先按齿轮的直径大小，选定合适的结构形式，然后再根据经验数据来完成结构设计。

另外齿轮的结构设计还要考虑齿轮与轴的联接问题。一般来说，齿轮与轴可采用单键联接；但是当齿轮转速较高时，应采用花键或双键联接；对于沿轴滑移的齿轮，可采用花键或双导键联接。

常用的齿轮结构形式有：齿轮轴、实心轴、腹板式、轮辐式、组装齿圈式结构。 2．齿轮传动的润滑设计 （1）开式及半开式齿轮传动

通常采用人工周期性加润滑油或润滑脂的润滑方式。 （2）闭式齿轮传动

闭式齿轮传动的润滑方式主要根据齿轮的圆周速度大小而定。

当齿轮圆周速度v?12 m/s时，可采用侵油润滑方式，即将大齿轮的轮齿浸入油；当齿轮圆周速度较高（v?12 m/s）时，应采用喷油润滑方式，即通过油路把具有一定压力的润滑油喷到轮齿的啮合面上。

7-4习题

一．填空题

7-1 齿轮传动的主要失效形式有： 、 、 、 和、 。 7-2 高速重载齿轮传动，当润滑不良时最可能出现的失效形式是 。

7-3 根据齿轮传动的失效形式，对齿轮材料性能的基本要求是 与 。

7-4 计算齿轮强度用的载荷系数K，包括 、 、 以及 。 7-5 在齿轮传动中，将齿轮轮齿加工成鼓形齿的目的是 。

7-6 在直齿圆柱齿轮传动中，主动轮所受的圆周力Ft与其回转方向 ，而从动轮所受的圆周力与其回转方向 。

7-7 一对直齿圆锥齿轮传动时，小齿轮上受到的轴向力Fa1应等于大齿轮上的 力，且两个力的方向 。

7-8 斜齿圆柱齿轮的齿形系数YFa与齿轮参数 、 、 有关，而与 无关。 7-9 一对齿轮啮合时，其大、小齿轮的接触应力是 ；而其许用接触应力是 的。 7-10 一对标准直齿圆柱齿轮，若z1?18、z2?72，则这对齿轮的弯曲应力 。

7-11 在设计闭式硬齿面齿轮传动中，当直径一定时，应选取较少的齿数，使模数m增大，以提高齿轮的 。

7-12 在一般情况下，齿轮强度计算中，大、小齿轮的弯曲应力?F1与?F2是 的；许用弯曲应力??F?1与??F?2是 。

7-13 在斜齿圆柱齿轮设计中，应取 模数为标准值；而直齿锥齿轮设计中，应取 模数为标准值。

7-14 直齿锥齿轮强度计算时，应以 为计算的依据。

7-15 直齿锥齿轮的当量齿数zv? ；标准模数和压力均按 端选取；受力分析和强度计算以 直径为准。

二．选择题

7-16 材料为45号钢的齿轮毛坯加工成6级精度的硬齿面直齿圆柱外齿轮，该齿轮制造的工艺顺序是 。

A．滚齿－表面淬火－磨齿 B．滚齿－磨齿－表面淬火 C．表面淬火一滚齿－磨齿 D．滚齿一调质－磨齿

7-17 一对圆柱齿轮传动中，当齿面产生疲劳点蚀时，通常发生在 。 A．靠近齿须处 B．靠近齿根处

C．靠近节线的齿顶部分 D．靠近节线的齿根部分

7-18 设计一般闭式齿轮传动时，齿根弯曲强度计算主要针对的失效形式是 。

A．齿面塑性变形 B．轮齿疲劳折断 C．齿面点蚀 D．磨损

7-19 下列 的措施，可以降低齿轮传动的齿面载荷分布系数Kβ。

A．降低齿面粗糙度 B．提高轴系刚度

C．增加齿轮宽度 D．增大端面重合度

7-20 一减速齿轮传动，主动轮1选用45号钢调质，从动轮选用45号钢正火，则它们的齿面接触应力 。

A．?H1??H2 B．?H1??H2 C．?H1??H2 D．?H1??H2 7-21 标准直齿圆柱齿轮传动的弯曲疲劳强度计算中，齿形系数YFa只取决于 。

A．模数m B．齿数z

C．分度圆直径d D．齿宽系数人

7-22 在设计闭式硬齿面齿轮传动中，当直径一定时，应取较少的齿数，使模数增大以 。 A．提高齿面接触强度 B．提高轮齿的抗弯曲疲劳强度 C．减少加工切削量，提高生产率 D．提高抗塑性变形能力

7-23 在直齿圆柱齿轮设计中，若中心距保持不变，而增大模数m，则可以 。 A．提高齿面的接触强度 B．提高轮齿的弯曲强度

C．弯曲与接触强度均可提高 D．弯曲与接触强度均不变

7-24 设计一传递动力的闭式软齿面钢制齿轮，精度为 7级，如欲在中心距a和传动比i 不变的条件

下，提高齿面接触强度的最有效的方法是 。

A．增大模数（相应地减少齿数） B． 提高加工精度

C．提高主、从动轮的齿面硬度 D．增大齿根圆角半径

7-25 在圆柱齿轮传动中，材料与齿宽系数、齿数比、工作情况等一定情况下，轮齿的接触强度主要取决于 大小。

A．模数 B．齿数 C．压力角 D．中心距

7-26 对于一对齿轮传动，若保持其传动比、齿数和齿宽不变，改变其模数，则 。

A．齿轮的弯曲强度不变，接触强度改变 B．齿轮的弯曲强度改变，接触强度不变 C．齿轮的弯曲强度不变，接触强度不变 D．齿轮的弯曲强度改变，接触强度改变

7-27 对于闭式硬齿面齿轮传动，宜取较少齿数以增大模数，其目的是 。 A．提高齿面接触强度 B．减小轮齿的切削量

C．保证轮齿的抗弯强度 D．减小滑动系数，提高传动效率

7-28 一对圆柱齿轮，通常把小齿轮的齿宽做得比大齿轮宽一些，其主要原因是 。 A．为使传动平稳 B．为了提高传动效率

C．为了提高齿面接触强度 D．为了便于安装，保证接触线长

7-29 设计斜齿圆柱齿轮传动时，螺旋角?一般在8~25范围内选取，?太小斜齿轮传动的优点不明显，太大则会引起 。

A．啮合不良 B．制造困难

C．轴向力太大 D．传动平稳性下降

7-30 斜齿圆柱齿轮齿数、模数不变，螺旋角加大，则分度圆直径_________。

A．加大 B．减小 C．不变 D．不一定

三．简答题

7-31 载荷系数K由哪几部分组成？各考虑什么因素的影响？

7-32 齿形系数YFa与模数有关吗？有哪些因素影响YFa的大小？

7-33 现有一对啮合的大、小齿轮，问：（1）哪个齿轮的弯曲应力大？（2）大、小齿轮齿根弯曲疲劳强度相等的条件的表达式；（3）若两轮的材料、热处理及齿面硬度均相同，且寿命系数都为l，那么哪一个齿轮齿根弯曲疲劳强度高？

7-34 齿面点蚀一般首先发生在轮齿的什么部位？在开式齿轮传动中，为什么一般不出观点蚀破坏？如何提高齿面抗点蚀的能力？

7-35 齿轮传动的设计准则是什么？

7-36 如题7-36图所示的斜齿圆柱齿轮传动，轮1通过轮2（惰轮）带动从动轮3转动，已知：轮1转向n1及螺旋线方向如图所示。

1）画出轮2、3的转向及螺旋线方向。

2）画出II轴上齿轮2的啮合点处所受各分力方向。 3）分析轮2齿根弯曲应力是什么性质的应力。

??7-5答案

一．填空题

1．轮齿折断；齿面磨损；齿面点蚀；齿面胶合；塑性变形

2．齿面胶合

3．齿面要硬；齿心要韧

4．使用系数KA；动载系数Kv；齿间载荷分配系数

Kα；齿向载荷分布系数Kβ

5．改善载荷沿齿向分布不均 6．相反；相同 7．径向力Fr2；相反

8．齿数z；变位系数?；螺旋角?；模数m 9．相等；不相等 10．?F1??F2

11．抗弯曲疲劳强度 二．选择题

ADBBC BBBCD DCDCA 三．简答题

12．不相等；不相等 13．法面；大端

14．齿宽中点处的当量直齿圆柱齿轮 15．zcos?；大；平均

1． （1）载荷系数K包括使用系数KA、动载系数Kv、齿间载荷分配系数Kα及齿向载荷分布系数Kβ。

（2）使用系数KA是考虑齿轮啮合时外部因素引起的动力过载影响的系数；动载系数Kv是考虑齿轮本身啮合振动产生的内部附加动载荷影响的系数；齿间载荷分配系数Kα是考虑同时啮合的齿对之间载荷分配不均匀的影响系数；齿向载荷分布系数Kβ是考虑载荷沿齿宽方向分布不均匀影响的系数。 2． （1）齿形系数YFa与模数无关。

（2）对于标准直齿圆柱齿轮，其齿形系数YFa只取决于齿数z；对于斜圆柱齿轮，其齿形系数YFa取决于齿数z取决于齿数z与螺旋角?；对于直齿圆锥齿轮，其齿形系数YFa取决于齿数z取决于齿数z与分锥角?。 3． （1）由于小齿轮1的齿数z1小于大齿轮的齿数z2，可知YFa1YSa1?YFa2YSa2，所以?F1??F2。

（2）

??F?1YFa1YSa1???F?2YFa2YSa2

（3）大齿轮的弯曲疲劳强度高。

4． （1）齿面点蚀一般首先发生在靠近节线的齿根面上。

（2）因为齿面磨损较快。

（3）提高齿面抗点蚀能力措施有：提高齿轮材料的硬度；在啮合的轮齿间加注润滑油。 5．齿轮传动的设计准则是什么？

目前设计一般使用的齿轮传动时，通常只按保证齿根弯曲疲劳强度及保证齿面接触疲劳强度两准则进行计算。

在闭式齿轮传动中，一般应先按接触疲劳强度设计，然后对其轮齿的抗弯疲劳强度进行校核。但是当齿面的硬度较高（硬度＞350 HBS）时，一般按轮齿齿根的抗弯疲劳强度设计，然后再校核其齿面接触疲劳强度。

在开式（半开式）齿轮传动中，通常以保证齿根弯曲疲劳强度作为设计准则。

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