本章目的：了解齿轮设计常用知识

1.齿轮定义

齿轮是指轮缘上有齿的连续啮合传递运动和动力的机械元件。

2.齿轮轮系的作用

 在实际机械中，少有使用单个齿轮，往往要采用一系列相互啮合的齿轮来满足工作要求。这种由一系列的齿轮组成的传动系统称为轮系。

齿轮轮系的作用一般有：

2.1 改变扭矩（一般用于增大电机扭矩）

电机的扭矩是有限的，在尺寸重量规定的情况下，我们就算选用最大扭矩的电机也常常不符而设计要求。所以轮系的最大作用就是大幅度增加电机的扭矩。

2.2 改变转速（一般用于降低电机转速）

同理，电机的转速通常非常快，轮系的另一个作用就是大幅度减少电机的转速。

当然，降低电机转速的方法不只是一种，比如步进电机的细分驱动器就能提供降低转速作用，还有改变电机控制电流等。

2.3 改变转动方向（一般用于垂直于电机旋转方向）

如果设计中电机的方向位置是固定且设计要求改变转动方向，则需要用到蜗轮蜗杆等齿轮。反之，可以直接更改电机位置。

3.齿轮的分类

齿轮可按齿形、齿轮外形、齿线形状、轮齿所在的表面和制造方法等分类。

3.1 齿轮齿形分类

现代工业中应用的齿形主要分为三大类：渐开线齿形、圆弧齿形 和 摆线齿形。其中，渐开线齿形占据了绝对主导地位。

结论：
对于绝大多数应用，尤其是注塑齿轮，渐开线齿形是唯一的选择。因为它完美平衡了性能、制造成本和装配要求，特别适合批量生产。圆弧和摆线齿形仅用于非常特殊和苛刻的工况。

3.2 齿轮外形分类

另外，齿轮还可按其外形分为圆柱齿轮、锥齿轮、非圆齿轮、齿条、蜗杆蜗轮；

3.3 齿线形状分类

按齿线形状分为直齿轮、斜齿轮、人字齿轮、曲线齿轮；

3.4 轮齿所在的表面分类

按轮齿所在的表面分为外齿轮、内齿轮；

3.5 齿轮制造方法分类

按制造方法可分为铸造齿轮、切制齿轮、轧制齿轮、烧结齿轮、注塑齿轮等。

3.6 按硬度分类

齿轮的制造材料和热处理过程对齿轮的承载能力和尺寸重量有很大的影响。20世纪50年代前，齿轮多用碳钢，60年代改用合金钢，而70年代多用表面硬化钢。按硬度 ，齿面可区分为软齿面和硬齿面两种。

通常一对啮合齿轮的齿面硬度均大于350HBW，称为硬齿面齿轮，否则即称为软齿面齿轮。

软齿面的齿轮承载能力较低，但制造比较容易，跑合性好， 多用于传动尺寸和重量无严格限制，以及小量生产的一般机械中。因为配对的齿轮中，小轮负担较重，因此为使大小齿轮工作寿命大致相等，小轮齿面硬度一般要比大轮的高。

硬齿面齿轮的承载能力高，它是在齿轮精切之后 ，再进行淬火、表面淬火或渗碳淬火处理，以提高硬度。但在热处理中，齿轮不可避免地会产生变形，因此在热处理之后须进行磨削、研磨或精切 ，以消除因变形产生的误差，提高齿轮的精度。

4.齿轮设计常用流程参数

 4.1 齿轮设计常用流程

确定要求→确定哪种齿轮→确定齿轮的标准→确定齿轮设计参数→制造工艺和修正；

常用的方法是：用3d软件直接生产成对的轮系，满足结构要求后，再计算强度是否合格。

 4.2 齿轮设计常用参数

基本齿轮确定少数几项原始数据即可计算出来。

 其中：

齿数 (z)：一个齿轮上有多少个齿。

模数 (m)：齿轮的“尺码”。

• 模数越大，齿轮的牙齿就越粗、越大、越结实，能传递的力量也就越大。

• 模数越小，牙齿就越细、越小、越精密，常用于传递精密的运动。

• 最关键的一点：两个齿轮要能咬在一起正常工作，它们的模数必须相等。 就像螺丝和螺丝刀必须型号匹配一样。

齿轮模数是否越高越好？——不是。在齿轮直径一定的情况下，模数越大齿数越少，齿数越少，齿轮啮合时重合系数就小，就是同时参与啮合的齿数少，这是不利于齿轮传动的。
设计齿轮的原则：只要模数满足强度要求即可，通过增加齿数，提高重合系数，改善轮齿的工作条件。

齿数选择原则：在满足弯曲强度条件下，尽可能选得多一些，闭式传动中齿数＝20~40，开式传动17~20，小齿轮齿数应避免根切，相啮合的齿数最好互为质数，且还要考虑凑配圆整中心距的需要。

模数选择原则：在满足弯曲强度的条件下选择较小的模数。

齿轮模数一般都是通过计算、比对得到的，下面是两种齿轮模数选择方法：

（1）硬齿面齿轮

要按弯曲疲劳强度设计，计算公式就是计算模数，只是要把计算值与标准模数表对照，取一个离计算值最近但又比它大的标准模数值。

（2）软齿面齿轮

要按接触疲劳强度设计，计算公式是计算小齿轮的分度圆直径，然后自己确定齿数，小齿轮齿数一般取20~40齿，用公式m=d/z计算模数，再重复（1）的过程-取一个离计算值最近的但又比它大的标准模数值。