§3-7　齿轮传动的设计方法

一、设计任务
设计齿轮传动时，应根据齿轮传动的工作条件和要求、输入轴的转速和功率、齿数比、原动机和工作机的工作特性、齿轮工况、工作寿命、外形尺寸要求等，确定：
1、齿轮材料和热处理方式
2、主要参数和几何尺寸
3、结构形式及尺寸、精度等级及其检验公差等。
一般情况下可获得多种可行方案，应根据具体目标，通过评价决策，得出最佳方案。

二、设计过程和方法
1、齿轮传动的设计过程如下：
(1)选择齿轮材料、热处理方式、精度等级
(2)初选齿数、齿宽系数、螺旋角
(3)根据强度条件初步计算出齿轮的分度圆直径或模数
(4)计算出齿轮的主要几何尺寸
(5)设计齿轮结构，并绘制出零件工作图
应注意的是，有些参量往往不是经一次选择，就能满足设计要求的，计算过程中，须不断修改或重选，进行多次反复计算，才能得到最佳结果。

　　2、有关参量的选择原则
(1)齿轮材料、热处理方式
选择齿轮材料时，应使轮芯具有足够的强度和韧性，以抵抗轮齿折断，齿面具有较高的硬度和耐磨性，以抵抗齿面的点蚀、胶合、磨损和塑性变形。另外，还应考虑齿轮加工和热处理的工艺性及经济性等要求。通常，对于重载、高速或体积、重量受到限制的重要场合，应选用较好的材料和热处理方式，反之，可选用性能较次但较经济的材料和热处理工艺。

　　(2)齿轮精度等级
齿轮精度等级应根据齿轮传动的用途、工作条件、传递功率和圆周速度的大小及其它技术要求等来选择。一般，传递功率大，圆周速度高，要求传动平稳，噪声低等场合，应选
用较高的精度等级，反之，为了降低制造成本，精度等级可选得低些。选择精度等级时可参考表3-5。

表3-5　齿轮传动精度等级适用的速度范围
齿的种类
传动种类
齿面硬度HBS
齿轮精度等级
3,4,5
6
7
8
9
直齿
圆柱齿轮
≤350
＞12
≤18
≤12
≤6
≤4
＞350
＞10
≤15
≤10
≤5
≤3
圆锥齿轮
≤350
＞7
≤10
≤7
≤4
≤3
＞350
＞6
≤9
≤6
≤3
≤2.5
斜齿及曲齿
圆柱齿轮
≤350
＞25
≤36
≤25
≤12
≤8
＞350
＞20
≤30
≤20
≤9
≤6
圆锥齿轮
≤350
＞16
≤24
≤16
≤9
≤6
＞350
＞13
≤19
≤13
≤7
≤6

　　(3)主要参数
1)齿数z
闭式软齿面：大，一方面有利于传动的平稳性和减少噪声，另一方面，加大，m减小，可减少金属切削量，节省制造费用；m减小，还能降低齿高，减少滑动系数，减小磨损，提高抗胶合能力。所以在保持分度圆直径d不变和满足弯曲强度的条件下，齿数应选得多些，一般可取。
闭式硬齿面、开式齿轮和铸铁齿轮传动，其齿根弯曲强度往往是薄弱环节，应取较少齿数和较大的模数，以提高轮齿的弯曲强度。一般取。
对于承受变载荷的齿轮传动及开式齿轮传动，为了保证齿面磨损均匀，宜使大、小齿轮的齿数互为质数，至少不要成整数倍。

　　2)齿宽系数、
齿宽系数大，有利于提高承载能力，但却增加了载荷沿齿宽分布的不均匀性，设计时，必须合理选择。一般，圆柱齿轮的齿宽系数可参考表3-6选用。其中，闭式传动，支承刚性好，可取大值；开式传动，齿轮一般悬臂布置，轴的刚性差，应取小值。
对于直齿圆锥齿轮传动，因轮齿由大端向小端缩小，载荷沿齿宽分布不均，不宜太大，常取＝0.25～0.3。

表3-6 圆柱齿轮的齿宽系数

齿轮相对轴承的位置	大轮或两轮齿面硬度≤350HBS	两轮齿面硬度>350HBS
对称布置	0.8～1.4	0.4～0.9
不对称布置	0.6～1.2	0.8～0.6
悬臂布置	0.3～0.4	0.2～0.5

3)模数m
模数圆整为标准值。对于传递动力用的圆柱齿轮传动，其模数应大于1.5mm；对圆锥齿轮传动，其模数应大于2mm。国家标准(GB1357-87)规定的齿轮的标准模数(表3-7)。

表3-7　渐开线齿轮的标准模数(GB1357-87)
worm gearboxes, planetary gearboxes, screw jacks, cycloidal reducers, ring gears, pto shafts一系列
　　1　　　1.25　　1.5　　2　　　2.5　　3　　　　4　　5　　6　
worm gearboxes, planetary gearboxes, screw jacks, cycloidal reducers, ring gears, pto shafts二系列
　　1.75　2.25　　2.75　(3.25)　3.5　　(3.75)　4.5　5.5　(6.5)　
worm gearboxes, planetary gearboxes, screw jacks, cycloidal reducers, ring gears, pto shafts一系列
　　8　　10　　12　　16　　20　　25　　32　　40　　50
worm gearboxes, planetary gearboxes, screw jacks, cycloidal reducers, ring gears, pto shafts二系列
　　7　　9　　(11)　 14　　18　　22　　28　　36　　45

注：(1)对斜齿圆柱齿轮及人字齿轮，取法面模数为标准模数；对锥齿轮，取大端模数为标准模数；
(2)应优先采用worm gearboxes, planetary gearboxes, screw jacks, cycloidal reducers, ring gears, pto shafts一系列，括号内的模数尽可能不用。

　　4)螺旋角b
b增大可提高传动平稳性和承载能力，但b过大，会导致轴向力增加，使轴承及传动装置的尺寸也相应增大；同时，传动效率也会降低。一般可取。
但从减小齿轮传动的振动和噪声来考虑，目前有采用大螺旋角的趋势。人字齿轮传动，因其轴向力可相互抵消，b可取大些，一般可取到，常用30°以下。
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