资源简介

【课题】齿轮传动及其在汽车中
【教学目标】
1．了解齿轮机构的类型和在汽车中的应用。
2．掌握标准直齿圆柱齿轮传动的基本参数和几何尺寸的计算方法。
3．掌握渐开线齿轮的啮合特点、正确啮合条件和正确安装中心矩。
4．熟悉标准直齿圆柱齿轮的强度计算方法。
5．了解标准斜齿圆柱齿轮的特点和应用，并能计算标准斜齿圆柱齿轮的几何尺寸。
6．了解标准直齿圆锥齿轮传动的特点及其几何尺寸的计算方法。
【教学重点、难点】
教学重点：标准直齿圆柱齿轮传动。
教学难点：渐开线齿轮的啮合特点、正确啮合条件、强度计算。
【教学媒体及教学方法】
本课主要通过讲授与投影仪相结合的方法进行讲学。
使用的图片及表格：
表20-1 渐开线圆柱齿轮模数摘录（GB 1357－87） mm
第一系列 1 1.25 1.5 2 2.5 3 4 5 6 8
10 12 16 20 25 32 40 50 　
　
第二系列 (1.75) (2.25) (2.75) (3.25) (3.5) (3.75) (4.5) (5.5) (6.5) (7)
(9) (11) (14) (18) (22) (28) (36) (45) 　
注：1.对斜齿圆柱齿轮是指法向模数。
2.优先采用第一系列，括号中的数值尽可能不用。
3.m=1 mm属于小模数齿轮的模数。
表 20-2 渐开线标准直齿圆柱齿轮主要参数和几何尺寸计算公式
名 称 符 号 公 式
齿 数 z 选定z1≥zmin，z2=iz1
模 数 m 根据强度或结构确定，选用标准值
压 力 角 α 选用标准值，α=20°
分度圆直径 d d=mz
齿 顶 高 ha ha=ha*m，对正常齿取ha*=1
齿 根 高 hf hf=(ha*+c*)m，对正常齿取c*=0.25
齿 高 h h=ha+hf
齿顶圆直径 da da=(z+2ha*)m
齿根圆直径 df df=(z－2ha*－2c*)m
基圆直径 db db=dcosα
齿 距 p p=πm
齿 厚 s
齿 槽 宽 e
中心距离 a
顶 隙 c c=c*m
表 20-3 常用的齿轮材料、轮齿硬度和应用举例
材料 牌号 热处理方法 硬度 应用举例
齿芯HB 齿面HRC
优质碳素钢 35 正火 150～180 低速轻载的齿轮或中速中载的大齿轮
45 162～217
50 180～220
35 调质 180～210 中、低速、中载的齿轮。如通用减速器和机床中一般传动的齿轮
45 217～255
合金钢 35SiMn 217～269
35SiMnMo 217～269
40Cr 241～286
优质碳素钢 35 表面淬火 180～210 40～45 高速中载、无剧烈冲击的齿轮。如机床变速箱中的齿轮
45 217～255 40～50
合金钢 40Cr 241～286 48～55
20Cr 渗碳淬火回火 　 56～62 高速中载、承受冲击载荷的齿轮。如汽车、拖拉机中的重要齿轮
20CrMnMo HRC28～33 56～62
20CrMnTi 　 56～62
38CrMoAlA 氮化 229 大于65 载荷平稳、润滑良好的齿轮
铸钢 ZG45 正火 163～197 重型机械中的低速齿轮
ZG55 179～207
ZG35SiMn 163～217
ZG35SiMn 调质 197～248 标准系列减速器的大齿
球墨铸铁 QT500-5 　 147～241 可用来代替铸钢
QT600-2 229～302
灰铸铁 HT250 170～241 低速中载、不受冲击的齿轮。如机床操纵机构的齿轮
HT300 187～255
注 v<25m/s为低速，v=25～40m/s为中速，v>40m/s为高速。
表 20-4 载荷系数
原动机工作情况 工作机械的载荷特性
工作平稳 中等冲击 较大冲击
工作平稳（如电动机、汽轮机和内燃机） 1.0～1.2 1.2～1.6 1.6～1.8
轻度冲击（如多缸内燃机） 1.2～1.6 1.6～1.8 1.9～2.1
中等冲击（如单缸内燃机） 1.6～1.8 1.8～2.0 2.2～2.4
注：⒈斜齿圆柱齿轮、圆周速度较低、齿宽系数小时取小值；齿轮在两轴承中间，并对称于支座布置时取小值；齿轮在两轴承之间不对称于支座布置或悬臂布置时取大值。
⒉常用 机械的载荷特性：
工作平稳机械：发电机、带式输送机、板式输送机、螺旋输送机、轻型升降机、电葫芦、机床进给齿轮、通风机、透平鼓风机、匀密材料搅拌机等。
中等冲击机械：机床主传动、重型升降机、起重机的回转机构、矿井通风机、给水泵、多缸复式压缩机、球磨机、非匀密材料搅拌机等。
较大冲击机械：剪切机、轧钢机、挖掘机、钻机、重型离心分离机、重型给水泵、矿石破碎机、压球成型机、捣泥机、单缸往复式压缩机等。
表20-5 齿宽系数ψd
齿轮相对于轴承的位置 齿面硬度
软齿面 硬齿面
大轮或大、小轮硬度≤350HBS 大、小轮硬度＞350HBS
对称布置 0.8～1.4 0.4～0.9
非对称布置 0.6～1.2 0.3～0.6
悬挂布置 0.3～0.4 0.2～0.25
　　注：直齿圆柱齿轮宜取较小值，斜齿可取较大值；载荷稳定，轴刚性大时取较大值；变载荷，轴刚性较小时，宜取较小值。
表 20-6 试验齿轮的接触疲劳极限应力σHlim和弯曲疲劳极限应力σFlim
材料及热处理 硬度 σHlim σFlim 　 材料及热处理 硬度 σHlim σFlim
灰铸铁 180HBS 300 40 调质钢经火焰或感应淬火 50～55HRC 1000～1230 齿根不淬火140～200
220HBS 330 55
黑心可锻铸铁 150HBS 350 130 齿根淬火225～370
220HBS 440 155 调质钢和表面硬化钢（经长期气体氮化） 48～55HRC 780～1000 300～370
球墨铸铁 180HBS 390～470 140～190
250HBS 490～570 165～220
350HBS 700 520
铸钢 160HBS 280 110 氮化钢（经长期气体氮化） 60～63HRC m＜16mm，1000 270～420
180HBS 310 120
结构钢 120HBS 320 125 m＜10mm，1100
160HBS 360 140 调质钢和表面硬化钢（经快速气体氮化、液体氮化或碳氮共渗） 42～45HRC 650～760 220～300
190HBS 380 150
调质钢（合金铸钢比右示值 σHlim降低40MPa，σFlim降低40MPa使用） 190HBS 470～530 155～200 42～45HRC 650～800 220～320
270HBS 630～710 220～290
300HBS 680～760 225～310 55～60HRC 1200～1350 400～450
310HBS 680～770 225～315 渗碳钢（经渗碳淬火） 58～62HRC 1300～1500 315～500
320HBS 700～780 230～320
350HBS 750～830 240～325
注：当硬度为不同值时，可作线性插值。
表 20-7 齿轮强度安全系数SH、SF
安全系数 软齿面(≤350HBS) 硬齿面(≥350HBS) 重要传动、渗碳淬火齿轮或铸造齿轮
SHSF 1.0～1.11.3～1.4 1.1～1.21.4～1.6 1.31.6～2.2
表 20-8 齿形系数YFa及应力修正系数Ysa
z(zv) 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29
Yfa 2.97 2.91 2.85 2.80 2.76 2.72 2.69 2.65 2.62 2.60 2.57 2.55 2.53
Ysa 1.52 1.53 1.54 1.55 1.56 1.57 1.575 1.58 1.59 1.595 1.60 1.61 1.62
　
z(zv) 30 35 40 45 50 60 70 80 90 100 150 200 ∞
Yfa 2.52 2.54 2.40 2.35 2.32 2.28 2.24 2.22 2.20 2.18 2.14 2.12 2.06
Ysa 1.625 1.65 1.67 1.68 1.70 1.73 1.75 1.77 1.78 1.79 1.83 1.865 1.97
注：⒈基准齿形参数为α=20°、ha*=1、C*=0.25、ρ=0.38m(m为模数)。
⒉内齿轮的齿形系数及应力集中修正系数可近似取z=∞的齿形系数和应力集中修正系数。
表20-9 标准斜齿轮几何尺寸计算公式
基本参数 名称 符号 计算公式
法向模数 mn　 按强度决定，选取标准值　
法向压力角 αn　 选标准值αn=20°　
齿数 z z1≥zmin　，z2=iz1
齿顶高系数 　 选标准值=1
顶隙系数 　 选标准值=0.25　
分度圆柱螺旋角 β　 一般取β=8°～20°　
几何尺寸 端面模数 mt　 　
分度圆直径 d　 　
齿顶高 ha　 ha=mn
齿根高 hf　 　hf=(+)mn
齿高 h　 　h=ha+hf=(2+)mn
齿顶圆直径 da　 　da=d+2ha
齿根圆直径 df　 df=d-2hf　
中心距 a　 　
表 20-10 锥齿轮模数摘录
1 1.125 1.25 1.375 1.5 1.75 2 2.25 2.5 2.75 3 3.25 3.5
3.75 4 4.5 5 5.5 6 6.3 6.5 7 8 9 10 11
12 14 16 18 20 22 25 28 30 32 36 40 45
注 ⒈本表摘自GB12368－90。
⒉表中模数是指锥齿轮大端面模数。
⒊该标准适用于直齿、斜齿及曲线齿（齿线为圆弧线、长幅外摆线及准渐开线等）锥齿轮。
表20-11 直齿圆锥齿轮机构的参数和尺寸计算公式（Σ=90°）
名称 符号 小齿轮 大齿轮
齿数 z z1　　 z2　　
传动比 i i=z2/z1=cotδ1=tanδ2　
分度圆锥角 δ δ1=arc cot(z2/z1) δ2=90°-δ1　
齿顶高 ha ha=ha*m=m
齿根高 hf hf=(ha*+c*)m=1.2m
齿全高 h h=ha+hf=2.2m
分度圆直径 d 　d1=mz1 d2=mz2
齿顶圆直径 da da1=d1+2hacosδ1=m(z1+2cosδ1) da2=d2+2hacosδ2=m(z2+2cosδ2)
齿根圆直径 df 　df1=d1-2hfcosδ1=m(z1-2.4cosδ1)　 　df2=d2-2hfcosδ2=m(z2-2.4cosδ2)　
锥距 R R=0.5d1
齿顶角 θa 不等顶隙沿齿宽不等时 θa=arc tan等顶隙沿齿宽相等时 θa=arc tan
齿根角 θf θf=arc tan
顶锥角 δa δa1=δ1+θa δa2=δ2+θa　
根锥角 δf δf1=δ1-θf δf2=δ2-θf
齿宽 b 0.3R≥bmax≤10m Bmin≥4m
表20-12 直齿圆锥齿轮机构的参数和尺寸计算公式（Σ≠90°）
名称 符号 小齿轮 大齿轮
传动比 i 　
分度圆锥角 δ 　 　
锥距 R 　
使用的动画：
【课时安排】
4课时
【教学建议】
授课过程中，结合多媒体及实物图片进行，理论性的内容不必过分要求。
【教学过程】
导入
齿轮传动是机械传动中最为广泛的传动形式，各种机械中几乎都用到。本节主要介绍渐开线齿轮传动。
新授
第二十章 齿轮传动和蜗杆传动
第一节 齿轮传动及其在汽车中
一、概述
1．齿轮机构的特点和应用
2．齿轮机构的分类
3．汽车中常用齿轮机构
二、渐开线直齿圆柱齿轮各部分的名称、主要参数和几何尺寸
1．渐开线的形成及其性质
2．齿轮各部分的名称
3．齿轮的主要参数
1）模数
2）压力角
4．标准直齿圆柱齿轮的几何尺寸
三、渐开线齿轮的啮合特点、正确啮合条件和正确安装中心距
1．渐开线齿轮的啮合特点
2．正确啮合条件
3．正确安装中心距
四、齿轮传动的失效形式及常用材料
1．齿轮传动的失效形式
1）齿根折断
2）齿面点蚀
3）齿面胶合
4）齿面磨损
5）齿面塑性变形
2．齿轮的常用材料
五、标准直齿圆柱齿轮的强度计算
1．齿面接触疲劳强度计算
2．轮齿的弯曲疲劳强度计算
六、标准斜齿圆柱齿轮传动和标准直齿圆锥齿轮传动简介
1．斜齿圆柱齿轮的传动特点及应用
2．斜齿圆柱齿轮的主要参数及几何尺寸
1）螺旋角β
2）模数
3）压力角
3．斜齿轮传动的正确啮合条件
4．直齿圆锥齿轮的传动特点、应用和分类
5．圆锥齿轮的正确啮合条件
6．圆锥齿轮机构的传动比
7．直齿圆锥齿轮机构的几何尺寸计算
七、齿轮结构
八、齿轮传动的润滑
小结
本节内容较多，作总结时，除注意各种齿轮间的比较外，还要注意条理性。
作业：
见《汽车机械基础学习指导与练习》134、135页：（四）简答题、（五）计算题。

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