機械設計經典課件-齒輪傳動.pptx（免費下載）

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在機械傳動領域，齒輪傳動以其傳動比準確、效率高、功率范圍廣等優勢，成為各類機械設備的核心傳動形式。從汽車變速箱到工業機器人，從航空發動機到精密儀器，齒輪的身影無處不在。

掌握齒輪傳動的核心知識點，是機械設計從業者的必備能力。本文機械知網將從基礎認知、分類特性、核心原理、設計要點幾個維度，系統歸納齒輪傳動的關鍵內容。

一、齒輪傳動的本質與核心參數

齒輪傳動的本質是通過兩個或多個齒輪的嚙合，將主動軸的運動和動力傳遞給從動軸，實現轉速、轉矩的調節。其核心優勢在于傳動比恒定，這是鏈傳動、帶傳動等無法比擬的關鍵特性。理解齒輪傳動，首先需掌握其核心參數。

模數（m）是齒輪尺寸計算的基礎，它反映了齒輪輪齒的大小，模數越大，輪齒強度越高。模數與齒距（p）的關系為p=πm，我國規定模數為標準值，設計時需優先選用。齒數（z）直接影響傳動比，傳動比i12=z2/z1=n1/n2（z1、z2為主動輪、從動輪齒數；n1、n2為其轉速）。壓力角（α）則決定了輪齒的受力方向，標準壓力角為20°，壓力角過大易導致齒根強度不足，過小則會降低傳動效率。此外，齒頂高系數（ha*）和頂隙系數（c*）為標準值，共同決定齒輪的齒頂高、齒根高及頂隙尺寸，保障齒輪嚙合時的平穩性。

二、按結構與用途的劃分

齒輪傳動的分類方式多樣，不同類型的齒輪適配不同的工作場景，其結構特性直接決定了傳動性能。按兩軸軸線相對位置，可分為三大類：平行軸齒輪傳動、相交軸齒輪傳動和交錯軸齒輪傳動。

平行軸傳動中，直齒圓柱齒輪結構簡單、加工方便，但嚙合時齒面接觸為線接觸，沖擊振動大，適用于低速、輕載場景；斜齒圓柱齒輪采用螺旋齒結構，嚙合時齒面接觸為面接觸，重合度高，傳動平穩、承載能力強，廣泛應用于中高速傳動系統，但會產生軸向力，需配套推力軸承平衡；人字齒圓柱齒輪則通過對稱的螺旋齒抵消軸向力，適用于大功率傳動，如軋鋼機、船舶推進系統。

相交軸傳動以錐齒輪為代表，按齒形可分為直齒、斜齒和曲齒錐齒輪。直齒錐齒輪加工簡便，用于低速、輕載的相交軸傳動；曲齒錐齒輪（如弧齒錐齒輪）傳動平穩、承載能力強，是汽車后橋傳動的核心部件。交錯軸傳動主要包括蝸桿傳動和交錯軸斜齒輪傳動，蝸桿傳動具有大傳動比、結構緊湊的優勢，但效率較低，適用于分度機構和自鎖場景；交錯軸斜齒輪傳動則用于兩軸交錯且不適宜采用蝸桿傳動的場合。

三、核心原理

齒輪傳動的平穩性與可靠性，依賴于嚴格的嚙合規律和精準的受力分析。齒輪嚙合的基本定律是：兩齒輪瞬時傳動比等于其連心線被嚙合點公法線所截兩段的反比。要實現恒定傳動比，齒輪齒廓必須滿足共軛齒廓條件，漸開線是最常用的共軛齒廓曲線，因其具有可分性（中心距微小變化不影響傳動比）和加工簡便的特點。

受力分析是齒輪強度設計的基礎。以直齒圓柱齒輪為例，輪齒嚙合時，主動輪受到從動輪的法向力Fn，可分解為圓周力Ft（驅動或阻礙齒輪轉動）和徑向力Fr（使齒輪有分離趨勢）。Ft=2T/d1（T為轉矩，d1為主動輪分度圓直徑），Fr=Ft·tanα。斜齒圓柱齒輪則額外產生軸向力Fa=Ft·tanβ（β為螺旋角），需通過齒輪旋向和轉向判斷軸向力方向，采用“左右手定則”即可快速判定。錐齒輪受力與直齒圓柱齒輪類似，但法向力需分解為圓周力、徑向力和軸向力，軸向力的平衡設計尤為關鍵。

四、設計要點

齒輪設計的核心目標是保證足夠的強度和壽命，避免輪齒折斷、齒面磨損、點蝕、膠合等失效形式。強度計算需針對兩類核心失效模式：齒根彎曲疲勞強度和齒面接觸疲勞強度。

齒根彎曲強度計算基于懸臂梁理論，輪齒受力時齒根產生最大彎曲應力，需滿足σF≤[σF]（許用彎曲應力）。計算中需考慮齒形系數（與齒數、變位系數相關）和應力修正系數，齒數越少、變位系數越小，齒形系數越大，彎曲強度越低。齒面接觸強度計算則基于赫茲接觸理論，齒面接觸應力與載荷、分度圓直徑及齒寬相關，需滿足σH≤[σH]（許用接觸應力），材料硬度越高，許用接觸應力越大。

材料選擇需匹配工作載荷與環境，高速輕載的精密傳動優先選用20CrMnTi等合金滲碳鋼，經滲碳淬火處理后齒面硬度達58-62HRC，兼顧表面耐磨性與心部韌性；中速中載的通用傳動可采用45鋼或40Cr，調質處理后硬度220-250HB，成本低廉且加工性好；低速重載場景則適用20CrNiMo等高強度合金鋼，通過滲氮處理提升表面硬度與疲勞壽命。對于腐蝕環境下的傳動，還可選用不銹鋼或在普通鋼材表面進行磷化、噴涂等防腐處理。

齒輪傳動作為機械設計的核心技術，其知識點覆蓋理論與實踐的多個層面。從模數、壓力角等基礎參數的理解，到不同類型齒輪的特性匹配，從強度計算與材料選擇的設計核心，到潤滑維護的全生命周期管理，每個環節都直接影響傳動系統的性能。機械設計從業者需系統掌握這些知識點，結合實際工況靈活應用，才能設計出高效、可靠的齒輪傳動系統，為機械設備的穩定運行提供核心保障。

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