齿轮结构设计
直齿圆柱齿轮的结构设计
目录摘要 (2)一引言 (3)二齿轮的设计计算 (4)2.1 选择材料、热处理方法及精度等级 (4)2.2 齿面接触疲劳强度设计齿轮 (4)2.3主要参数选取及几何尺寸计算 (5)2.4 .齿轮结构设计 (5)三绘制齿轮图、零件图、三维造型 (7)四结束语 (8)五参考文献 (9)摘要齿轮是广泛应用于机械设备中的传动零件。
它的主要作用是传递运动、改变方向和转速。
根据齿轮的工况，合理的设计齿轮的结构，使得齿轮传动平稳有足够的强度。
通过强度计算、材料的选择、热处理方法精度选择、几何尺寸计算。
考虑齿面接触疲劳强度和齿根曲面疲劳强度得出齿轮的结构。
关键词：齿轮传动、齿轮精度、热处理、疲劳强度一引言随着我过工业的发展，齿轮是现代机械中应用最广泛的一种机械传动零件。
它的结构设计随着工业的需要而改变。
齿轮的结构设计与齿轮的几何尺寸、毛坯、材料、加工方法、使用要求及经济性等因素有关。
进行齿轮的结构设计时，必须综合地考虑上述各方面的因素。
通常是先按齿轮的直径大小，选定合适的结构形式，然后再根据荐用的经验数据，进行结构设计。
随着科技技术的不断进步，生产都向着自动化、专业化和大批量化的方向发展。
这就要求企业的生产在体现人性化的基础上降低工人的生产强度和提高工人的生产效率，降低企业的生产成本。
现代的生产和应用设备多数都采用机电一体化、数字控制技术和自动化的控制模式。
在这种要求下齿轮零件越发体现出其广阔的应用领域和市场前景。
特别是近年来与微电子、计算机技术相结合后，使齿轮零件进入了一个新的发展阶段。
在齿轮零部件是最重要部分，因需求的增加，所以生产也步入大批量化和自动化。
为适应机械设备对齿轮加工的要求，对齿轮加工要求和技术领域的拓展还需要不断的更新与改进。
二齿轮的设计计算2.1 选择材料、热处理方法及精度等级齿轮传动的承载能力主要取决于轮齿的材料和几何尺寸，因此，选择适宜的材料及热处理方法是齿轮设计的一个重要环节。
选择轮齿的材料及热处理方法：1）使材料具有较好的抗失效性能，齿面具有足够的硬度和耐磨性，以使齿面有叫好的抗点蚀、胶合、磨损和抗塑性变形的能力；齿体具有较高的弯曲强度和冲击韧性，以保证在变载荷和冲击载荷下不致断齿。
齿轮的结构设计
常用的齿轮结构型式有以下几种： 1.齿轮轴
当圆柱齿轮的齿根圆至键槽底部的距离x < (2~2.5) mn或当锥齿轮小端 的齿根圆至键槽底部的距离x≤(1.6~2) m时，将齿轮与轴制成一体，称 为齿轮轴，如图1-40所示。
（a）
（b）
图1-40 齿轮轴
齿轮的结构设计
2式结构，
如图1-41所示。其材料常用锻钢。
（a）
（b）
图1-41 实体式齿轮
齿轮的结构设计
3.腹板式齿轮 当齿轮的齿顶圆直径da＞200~500 mm时，可采用腹板式结构，如图1-42 所示。其材料也多用锻钢，其各部分尺寸由图中经验公式确定。
(a)圆柱齿轮 图1-42 腹板式齿轮
(b)圆锥齿轮
齿轮的结构设计
4.轮辐式齿轮 当齿轮的齿顶圆直径da> 500 mm时，可采用轮辐式结构，如图1-43所示。 这种结构的齿轮常采用铸钢或铸铁制造，其各部分尺寸按图中经验公式 确定。
图1-43 轮辐式圆柱齿轮
齿轮的结构设计
实践环节：
设计带式输送机传动装置中的直齿圆柱齿轮传动。已知：主动轮转速 n1=306 r/mim，传递的功率P=3.5 Kw，传动比i=4。每天工作24小时， 工作年限为10年。
单级圆柱齿轮传动机构设计(完整版)
机械设计课程设计计算说明书一、设计课题及任务要 (2)二、传动方案的拟定 (3)三、电动机选择 (4)四、确定传动装置的总传动比及其分配 (5)五、传动装置的运动和动力设计 (5)六、高速齿轮轴（第一轴设计） (7)七、第二轴大齿轮设计 (14)八、轴承选型与计算 (15)九、设计心得 (16)一、设计课题：单级圆柱齿轮传动机构设计二、设计任务要求：（设计步骤参考文献[1]第17章实例）（1）确定齿轮机构传动方案（参考[1]第2、第17章）；根据所给数据，确定单级圆柱齿轮机构各轴的输入功率、转速和转矩（参考[1]中2.3和2.4）；选择电动机的额定功率（W）和同步转速（r/min）；（2）高速齿轮轴（第一轴）设计参考[1]中162页进行高速轴的结构设计、参考教材中“圆柱齿轮强度设计”的内容，对小齿轮进行设计与校核（齿轮模数选用[2]教材第75页表7-1，第一系列中的数值）、进行键的选择与校核、按[2]第16章204“对于既传递转矩又承受弯矩的轴”设计方法核公式，对该轴进行强度校核；（3）第二轴大齿轮设计计算确定大齿轮的参数并校核（选择硬齿面齿轮的材料和热处理方式）、计算大齿轮的几何尺寸，选择大齿轮的结构（参考[2]第7章）。
（4）轴承选型参考[2]第18章例18-3，选择并校核一轴和二轴的轴承型号。
（5）制图：绘制单级圆柱齿轮传动机构高速齿轮轴图1份（A3）、第二轴大齿轮图1份（A4）；参考[1]的附图2和有关的设计资料。
要求：图纸表达清楚规范，标注尺寸完整，注有主要的公差或极限尺寸；图纸具有边框、标题栏、技术要求；手画或计算机制图均可。
（6）编写设计说明书1份，参考[1] 4.7节、第17章；要求：结构规范、层次清楚、图文并茂。
手写或计算机打字都可以。
（7）注：不设计箱体（8）课程设计为单独评分，是必修的学分。
计算过程及计算说明结果一、传动方案拟定设计单级圆柱齿轮传动机构１、工作条件：使用年限4年，工作为一班工作制，载荷平稳，环境清洁。
齿轮传动(强度计算,结构设计)
A. 经 济 性：正确选择材料和毛坯状态。 B. 工艺要求：选择合理的热处理方式。 C. 硬度选择：*软齿面硬度350HBS； *软齿面齿轮HBS1-HBS230～50； *选择避免胶合的材料合适配对。
齿轮的热处理方法：
软齿面齿轮 HBS≤350
工艺流程短， 成本低
常化（正火）
调质
毛坯 热处理 切齿 成品
例题
一对标准直齿圆柱齿轮传动，已知Z1=20，Z2=40，小轮材料 为45Cr钢，大轮材料为45# 钢，许用应力是[σH1]=600MPa， [σH2]=500MPa；[σF1]=179MPa，[σF2]=144MPa；齿形系数 YFS1=2.8，YFS2=2.4；试问：（1）哪个齿轮的接触强度弱？ （2）哪个齿轮的弯曲强度弱？为什么？
表面淬火 淬火 整体淬火 渗碳淬火 氮化
毛坯 退火 切齿
成品 磨齿
硬齿面齿轮 HBS＞350
工艺流程复 杂，成本高
热处理
§06 直齿圆柱齿轮的强度计算 一、轮齿上的作用力
2T1 Ft d1
9.55106 P T1 N mm n1
Fr Ft tg
Ft Fn cos
力的分析：①大小 ②方向 ③关系
F1
YFS1
F2
YFS 2
2、齿轮弯曲强度比较
[ F ] [ F ] 较小者危险！ 较大者强度高。 YFS YFS
四、许用应力的确定
[ H ]
H lim
SH
[ F ]
F lim
SF
SH——接触疲劳强度安全系数，一般情况下， SH=1.0 ～ 1.2； SF——弯曲疲劳强度安全系数，一般情况下， SF=1.25～1.5。 σHlim、σFlim——齿轮的疲劳极限。
某船用齿轮结构拓扑优化设计
某船用齿轮结构拓扑优化设计随着现代工程领域的不断发展，越来越多的机械结构开始采用拓扑优化设计的方式，以实现更高效、更节能的工作方式。
而在船舶工程中，齿轮结构作为传动装置的重要组成部分，也需要进行拓扑优化设计，以提高其性能和可靠性。
齿轮是一种常见的机械传动机构，在船舶工程中被广泛应用于各种动力传动系统中。
在齿轮结构的设计中，拓扑优化是一种有效的方法，它可以通过优化齿轮的结构形式，达到降低材料使用量、减轻重量、提高耐久性等效果。
在齿轮结构的拓扑优化设计中，首先需要进行的是结构分析。
通过分析齿轮结构的载荷条件和工作环境，确定其所需的强度、刚度、耐久性等性能参数。
然后，根据确定的性能指标，通过拓扑优化算法对齿轮结构进行优化设计。
在具体的拓扑优化设计过程中，可以采用宽度优先搜索（BFS）算法等基于图论和拓扑排序的方法，对齿轮结构进行优化排布。
BFS算法可以通过逐层优化设计，逐渐逼近最优方案，实现对齿轮结构的拓扑优化设计。
此外，还可以采用有限元方法分析齿轮结构在不同工况下的受力情况，进一步优化设计。
在齿轮结构的优化设计中，需要注意以下几点：首先，要确保齿轮结构的强度和稳定性。
在优化设计时，需要考虑齿轮结构的材料性能、载荷条件、工作环境等因素，保证齿轮结构在使用中具有足够的强度和稳定性。
其次，要注意拓扑优化所需的材料成本和加工成本。
在优化设计中，需要综合考虑材料成本和加工成本，避免设计过于复杂，造成不必要的成本浪费。
最后，需要进行齿轮结构的模拟试验和实验验证。
在完成优化设计后，需要进行模拟试验和实验验证，检验齿轮结构的性能和稳定性，及时调整和优化设计方案。
总体来说，齿轮结构的拓扑优化设计可以提高其性能和可靠性，降低成本和重量，实现更高效、更节能的传动方式。
在未来的船舶工程中，拓扑优化方法将会成为一种重要的设计技术，为船舶工程的发展和进步提供强有力的支持。
在进行数据分析前，需要明确分析的具体内容和数据来源。
以下是一些可能涉及到的数据来源和内容：1. 公司财务报告：包括营收、利润、资产负债表等数据。
齿轮箱结构设计
齿轮箱结构设计一、引言齿轮箱是机械传动中常用的一种装置，其结构设计直接关系到机械传动性能的稳定性和可靠性。
本文旨在介绍齿轮箱结构设计的基本原则和具体步骤。
二、齿轮箱结构设计的基本原则1.功能需求明确。
在进行齿轮箱结构设计时，首先需要明确其功能需求，即要传递多大的功率、扭矩等参数，以及需要满足哪些工作条件。
2.合理选材。
选材要考虑受力情况、使用环境等因素，选择合适的材料可以提高齿轮箱的寿命和可靠性。
3.合理布局。
布局要考虑各个部件之间的配合关系和紧凑度，以及方便维修保养等因素。
4.合理配重。
齿轮箱内部各个部件之间应该平衡分布重量，避免出现过大偏差而导致振动或噪音等问题。
5.优化设计。
在满足功能需求和可靠性前提下，尽可能优化设计，减少成本和体积。
三、齿轮箱结构设计步骤1.确定传动比和工作条件。
根据机械传动的要求，确定齿轮箱的传动比和工作条件，如转速、扭矩、功率等参数。
2.选择齿轮类型和材料。
根据传动比和工作条件，选择合适的齿轮类型和材料，如斜齿轮、直齿轮等，以及钢、铜等材料。
3.确定布局方案。
根据选定的齿轮类型和材料，设计出合理的布局方案，并考虑各个部件之间的配合关系和紧凑度。
4.进行强度计算。
根据选定的材料、布局方案以及工作条件等因素，进行强度计算，并检查是否满足要求。
5.优化设计。
在满足强度要求前提下，尽可能优化设计，减少成本和体积。
6.进行模拟分析。
使用相关软件对齿轮箱进行模拟分析，检查其在不同工况下的性能表现，并进行必要调整。
7.制作样品并试验验证。
制作出样品后进行试验验证，并对其性能表现进行评估。
四、常见齿轮箱结构设计问题及解决方法1.噪音过大：可能是由于齿轮间隙不合理、齿轮配合不良等问题引起的。
解决方法是重新设计齿轮间隙、优化齿轮配合。
2.寿命过短：可能是由于材料选择不当、强度计算不准确等问题引起的。
解决方法是重新选择材料、进行精确的强度计算。
3.体积过大：可能是由于布局不合理、部件过多等问题引起的。
齿轮传动的失效形式和设计约束结构设计
齿轮传动的失效形式和设计约束结构设计1、齿轮传动的失效形式齿轮传动的失效一般发生在轮齿上，通常有轮齿折断和齿面损伤两种形式。
后者又分为齿面点蚀、磨损、胶合和塑性变形等。
1.1、轮齿折断一般发生在齿根部位，因为齿根是应力集中源而且应力最大。
轮齿折断可分为：(1)疲劳折断：轮齿受力后齿根部受弯曲应力的反复作用，当齿根过渡圆角处的交变应力超过了材料的疲劳极限时，其拉伸侧将产生疲劳裂纹(图3-1a)。
裂纹不断扩展(图3-1b)，最终造成轮齿的弯曲疲劳折断(图3-1c)。
(a)(b)(c)图3-1 疲劳折断(2)、过载折断：若齿轮严重过载或受冲击载荷作用，或经严重磨损后齿厚过分减薄时，导致齿根危险截面上的应力超过极限值而发生突然折断。
从折断现象上看，折断有全齿折断和局部折断之分。
前者一般发生在齿宽较小的直齿圆柱齿轮；后者齿根裂纹沿倾斜方向扩展，往往发生在齿宽较大的直齿圆柱齿轮、斜齿圆柱齿轮及人字齿轮上。
选用合适的材料和热处理方法，使齿根芯部有足够的韧性；采用正变位齿轮，增大齿根圆角半径，对齿根处进行喷丸、辊压等强化处理工艺，均可提高轮齿的抗折断能力。
1.2、齿面点蚀(1)产生机理：轮齿受力后，齿面接触处将产生循环变化的接触应力，在接触应力反复作用下，轮齿表层或次表层出现不规则的细线状疲劳裂纹，疲劳裂纹扩展的结果，使齿面金属脱落而形成麻点状凹坑，称为齿面疲劳点蚀，简称为点蚀(图3-2a)。
(2)现象一般多出现在节线附近的齿根表面上，然后再向其它部位扩展，这是因为在节线处同时啮合齿对数少，接触应力大，且在节点处齿廓相对滑动速度小，油膜不易形成，摩擦力大。
它可分为早期点蚀和破坏性点蚀。
(a) 点蚀机理(b)早期点蚀(c)破坏性点蚀(d)点蚀实例图3-2 疲劳点蚀早期点蚀：对于软齿面齿轮(硬度≤350HBS)，齿轮工作初期，相啮合的齿面接触不良造成局部应力过高会出现麻点。
经过一段时间跑合后，接触应力趋于均匀，麻点不再扩展，甚至消失，这种点蚀称为早期点蚀。
分体式组合齿轮结构
分体式组合齿轮结构是一种在工业传动系统中常见的设计，尤其是在大型、重型机械设备和特殊定制应用场合。
这种结构的主要特点包括：
1. 模块化设计：分体式组合齿轮通常由多个独立的齿轮部件组成，可以按照不同的齿数、模数、压力角等参数进行灵活组合，以适应不同的传动比需求和安装空间限制。
2. 易于安装与维护：由于齿轮是分开制造和装配的，因此在设备维修或更换时，无需整体替换整个齿轮装置，只需更换磨损或损坏的部分，大大降低了维护成本和时间。
3. 承载能力强：通过合理设计和选择材料，分体式齿轮能够承受较大的载荷，并且可以通过多片齿轮叠加的方式进一步增加其传递扭矩的能力。
4. 可调整性：某些分体式齿轮结构允许在一定范围内微调中心距，以实现更精确的啮合和更好的传动效果。
5. 组装便捷：各部分齿轮可以预先单独加工和热处理，然后通过键连接、花键连接、过盈配合或螺栓连接等方式组合成一个完整的齿轮组。
举例来说，在大型船舶推进系统的螺旋桨轴系、风力发电机组的主轴驱动系统、矿山机械及重型汽车的传动系统中，经常采用分体式组合齿轮来满足大功率、高可靠性以及便于维护的需求。
实心式齿轮结构尺寸标准
实心式齿轮结构尺寸标准
实心式齿轮是一种常见的机械传动元件，其结构尺寸标准通常
是根据国际标准化组织（ISO）和国家标准进行规定的。
在设计实心
式齿轮结构尺寸时，需要考虑以下几个方面：
1. 模数和齿数，实心式齿轮的模数和齿数是其结构尺寸的基本
参数。
模数决定了齿轮的齿条尺寸，齿数则决定了齿轮的直径和齿宽。
2. 齿轮齿面硬度，齿轮的齿面硬度要符合相关的国际或国家标准，以保证齿轮在使用过程中具有足够的耐磨性和承载能力。
3. 齿轮的精度等级，实心式齿轮的精度等级包括齿轮的圆度、
同心度、齿形偏差等参数，这些参数的标准通常由ISO或国家标准
规定。
4. 齿轮的材料选择，实心式齿轮的材料应符合相关的材料标准，常见的材料包括合金钢、不锈钢等，材料的选择应考虑到齿轮的使
用环境和工作条件。
5. 齿轮的齿形设计，齿轮的齿形设计应符合相关的几何标准，以保证齿轮的传动效率和平稳性。
总的来说，实心式齿轮结构尺寸标准是根据国际和国家标准进行规定的，设计时需要考虑模数和齿数、齿面硬度、精度等级、材料选择以及齿形设计等多个方面的因素，以确保齿轮具有良好的传动性能和使用寿命。
机械设计基础课件齿轮机构H
垂直轴传动
蜗杆蜗轮机构主要用于垂直轴之间的传动，具有 较大的传动比和自锁功能。
螺旋齿形
蜗杆和蜗轮的齿形为螺旋形，可实现连续、平稳 的传动。
高效率与低噪音
蜗杆蜗轮机构传动效率高，噪音低，适用于各种 高精度、低噪音要求的场合。
2024/1/26
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其他特殊类型齿轮机构
2024/1/26
非圆齿轮机构
非圆齿轮机构可实现变传动比传动，满足某些特殊机械装置的需 求。
2024/1/26
工业革命时期
随着工业革命的兴起，金属加工技 术的进步促进了齿轮机构的快速发 展，出现了各种高精度、高效率的 齿轮传动装置。
现代时期
随着计算机技术和先进制造技术的 不断发展，现代齿轮机构设计更加 精确、制造更加精细，应用领域也 更加广泛。
6
02
齿轮机构基本原理
2024/1/26
7
齿轮传动比计算
10
03
齿轮机构设计方法与步骤
2024/1/26
11
设计目标确定与参数选择
确定设计目标
明确齿轮机构的使用场合、传递 功率、转速等要求。
选择齿轮参数
根据设计目标，选择合适的齿轮 模数、齿数、压力角等参数。
确定齿轮精度等级
根据使用要求和制造成本，选择 合适的齿轮精度等级。
2024/1/26
12
齿轮类型选择及优缺点比较
啮合特点
齿轮传动具有恒定的传动 比，且传动平稳、噪音小 、效率高。
9
齿轮受力分析及强度计算
受力分析
根据齿轮的啮合原理，分 析齿轮受到的径向力、圆 周力和轴向力。
2024/1/26
强度计算
根据齿轮的受力情况，进 行齿面接触强度和齿根弯 曲强度计算。
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齿轮结构设计涉及到多个方面，包括齿轮的类型选择、齿轮参数设计、齿轮的强度和耐用性分析等。
下面是一些常见的齿轮结构设计要点：
1. 齿轮类型选择：根据应用需求和传动方式，选择合适的齿轮类型，常见的有圆柱齿轮、斜齿轮、锥齿轮、内齿轮等。
2. 齿轮参数设计：确定齿轮的模数、齿轮齿数、齿廓形状等参数。
这些参数的选择要根据传动功率、传动比、转速等因素进行综合考虑。
3. 齿轮宽度设计：齿轮宽度是指齿轮齿面的宽度，在设计时需要考虑到传递的力矩和受力情况来确定合适的宽度，以确保齿轮的强度和刚性。
4. 齿轮齿形设计：齿轮的齿形设计要考虑到传递功率和噪音等因素。
合理的齿形设计可以提高齿轮的传动效率和平稳性，减少振动和噪音。
5. 齿轮强度和耐用性分析：通过强度计算和寿命评估来验证齿轮设计的可靠性。
考虑到载荷、材料属性和制造精度等因素，进行强度校核和疲劳分析，确保齿轮在使用过程中不会
断裂或失效。
6. 齿轮润滑和冷却设计：齿轮在运动过程中会产生热量，需要适当的润滑和冷却措施来降低摩擦和磨损。
设计时考虑到合适的润滑方式和冷却通道，确保齿轮系统的稳定性和寿命。
7. 齿轮安装和对中设计：齿轮的安装和对中对于传动系统的正常运行至关重要。
设计时要考虑合适的轴向间隙、法兰设计和轴向定位等，以确保齿轮的正确配合和传动效果。
上述只是齿轮结构设计的一些基本要点，实际设计时还需要根据具体应用和需求进行更详细的设计和分析。
在进行齿轮结构设计时，可以借助计算机辅助设计软件和相关标准进行辅助和验证。