齒輪設計過程，齒輪應該這樣設計

一往冇前

齒輪是機械設備中應用最常見的機械零件，其主要功能是傳遞動力、改變運動速速和方向，是機械傳動中最重要的傳動之一，形式很多，應用廣泛，傳遞功率可達近十萬千瓦，其主要特點：效率高、結構緊湊、工作可靠，壽命長、傳動比穩定。

齒輪材料的選取

齒輪材料的種類很多，在選擇時應考慮的因素很多，根據齒輪的工作條件及失效形式，要求制造齒輪的材料應具有下列性能：

1）高的彎曲疲勞強度，足夠的齒心強度和韌性，防止疲勞、沖擊 和過在斷裂；

2）高的接觸疲勞強度及高的齒面硬度和耐磨性，防止齒面損傷；

3）良好的切削加工性能和熱處理工藝性能及焊接工藝性能。

齒輪材料的選擇原則

（1）齒輪材料必須滿足工作條件的要求，這是選擇齒輪材料首先考慮的因素；

（2）應考慮齒輪尺寸的大小、毛坯成型方法及熱處理和制造工藝；

（3）正火碳鋼，不論毛坯的制作方法如何，只能用于制作在載荷平穩或輕度沖擊下工作的齒輪，不能承受大的沖擊載荷，調質碳鋼可用于制作在 中等沖擊載荷下工作的齒輪；

（4）合金鋼常用于制作高速、重載并在沖擊載荷下工作的齒輪；

汽車、拖拉機齒輪主要分裝載變速箱和差速器中，他們工作時，承受載荷大，超載和受沖擊頻繁，工作條件惡劣，目前廣泛使用的齒輪用鋼是 20CrMnTi合金滲碳鋼，該鋼具有較高的強度（σ=1100MPa），經淬火及低溫回火后，表面硬度可達HRC58～62，心部硬度為HRC30～45，并具有較好的切削加工性能和熱處理工藝性能，滲碳速度快，淬火變形小，對過熱不敏感，滲碳后可直接淬火。

齒輪參數的初步確定

齒輪傳動的主要尺寸，可按下述兩種方法來確定：

（一）除受外部結構尺寸限定外，可參照同類產品用類比法確定，然后再進行強度校核，確定齒輪的參數

1.模數和壓力角

齒輪模數的因素很多，其中最主要的是齒輪的強度、質量、傳動噪聲、工藝要求。減小模數，增加齒寬會使傳動噪聲降低，反之則能減輕變速器的質量。主要從工藝要求出發，所有斜齒輪的法向模數均取mt=5mm，所有直齒輪的模數均取m=4mm。

國家規定齒輪的標準壓力角為20°，所以變速器齒輪普遍采用的壓力角為20°。

2.螺旋角

變速器斜齒輪的螺旋角一般為10 °~35 °。設計時，應力求使中間軸上同時工作的兩對齒輪產生軸向力平衡，見下圖一，因為中間軸上全部齒輪的螺旋方向應一律取為右旋，而第一、第二軸上的斜齒輪應取為左旋，軸向力經軸承蓋作用到殼體上。

中間軸軸向力的平衡

由上圖可知，欲使中間軸上兩斜齒輪的軸向力平衡，需滿足下述條件：

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由于傳遞的轉矩T=Fn1r1=Fn2r2,為使兩軸向力平衡，必須滿足

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根據上述條件，齒輪節圓半徑r大，螺旋角β要相應取大，但實際上往往為了加工方便，所有斜齒輪采用一種螺旋角。

3.各擋齒輪齒數的分配

配齒的目的是確定變速器各擋齒輪的齒數，一般是在已知變速器各擋的傳動比和選定了軸中心距以及齒輪模數等條件下配齒的，與變速器的結構形式密切相關。

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齒數和只能是整數，又因齒輪對的模數相同，故各擋齒數和也相同。

確定齒數

主、被動齒輪的齒數z與z’一定滿足下式

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式中ib ——各擋傳動比。

所以初選中心距、齒輪模數以后，可根據變速器的擋數、傳動比和傳動方案來分配各擋齒輪的齒數，在確定了每級的傳動比和中心距，進而確定各級幾何參數。

齒輪幾何尺寸計算

7 J4 \$ ?" M, D8 ?, ~6 B齒輪強度

齒輪的失效形式：1.輪齒斷裂，2.齒面磨損，3.齒面點蝕，4.齒面膠合，5.塑性變形

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由上式可知，軸向力Fa與 tanβ成正比，為了不使軸承受過大放入軸向力，斜齒圓柱齒輪傳動的螺旋角β不宜選得過大，常在β=8°~20°之間選擇。

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齒輪結構的設計

在保證齒輪和使用壽命的前提下，盡量減小齒輪的質量和轉動慣量，使得設備總重量減小及換擋操縱輕便。通常是通過改變齒輪的結構形式，如將齒輪加工成腹板或孔板式，來實現齒輪的削減。

齒輪精度設計

1．確定齒輪的精度等級

根據齒輪具體的使用工況計算出圓周線速度，再依據手冊選擇精度等級。

2．確定齒輪副側隙和齒厚偏差

3．確定齒輪精度檢驗項目及其公差

如：齒距累積總偏差FP、齒廓總公差Fα、螺旋線總公差Fβ和徑向跳動公差Fr。

4．確定齒坯精度

齒坯的尺寸偏差和齒輪箱體的尺寸偏差對于齒輪副的接觸條件和運行狀況影響極大。齒坯的精度對切齒工序的精度影響極大，適當提高齒坯的精度，將獲得更好的經濟性。

（1）齒輪內孔尺寸偏差

（2）齒頂圓直徑及其偏差

（3）基準面的形狀公差

（4）齒坯及齒面表面粗糙度

齒輪加工工藝過程

齒輪的加工工藝要根據具體的加工設備制定經濟、可行的加工過程。

一般的加工過程：

下料→鍛造→預先熱處理→粗加工→最終熱處理→精加工

預先熱處理的目的是改善鍛造組織，得到合適的硬度，便于切削加工。其工藝一般為正火。最終熱處理的目的是使零件表面獲得高硬度、高耐磨性，心部有足夠的強度、塑性及韌性。其工藝為滲碳、淬火加低溫回火。應注意的是重要齒輪的表面淬火，應采用高頻或中頻感應淬火，模數較大時，應沿齒溝加熱和淬火。

舉例

名稱：輸出齒輪

材料：20CrMnTi

熱處理技術條件：齒面滲碳淬火，滲碳層深度0.8~1.2mm，齒面硬度

HRC58~62，心部硬度HRC32~45。

加工工藝路線：下料→鍛造→正火→加工齒形→局部鍍銅（防滲）→滲 碳、淬火、低溫回火→噴丸→磨齒。

熱處理工藝：正火、滲碳、淬火及低溫回火。

小弟安安

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