锻造齿轮的参数(齿轮强度计算)

一、齿轮参数中的模数是什么意思

齿顶圆直径=（齿数+2ha*）*模数。

齿轮精度是指对齿轮形状的综合误差所划分的一个等级，其中包括齿形、齿向、径跳等一些重要的参数，其中齿形是指齿的径向形状，齿向是指齿的纵向形状，径跳是指相邻两齿间距离的误差，一般我们汽车用的齿轮可由滚齿机加工完成。

6~7级便可使用，而一些印刷机由于需要高速运转和批量印刷，故需要高精度齿轮以减小齿轮累计所造成的误差而使印刷效果下降，而国内生产的磨齿机可加工至4~5级，国外进口的高精度磨齿机可加工至3,~4级，更有一些可以加工至2级。而日本标准DIN 0级相当于中国评判的4级，一般误差以μm为单位，1μm=0.001mm。

扩展资料：

齿轮铸造

齿轮铸件也被称为铸钢齿轮。这是因为大多数的齿轮都是由铸钢制造的。在此，我分享一些有关生产齿轮铸件和相关的热处理信息。齿轮铸件的重量通常从几公斤到数吨不等。

齿轮铸件的材料通常使用高碳铸钢，也有些使用含铬、镍、钼的合金钢，以达到很高的抗拉强度。通常大齿轮比小齿轮的物理需求低。

关于铸造工艺，通常地板成型工艺就适用并能满足正常需求。至于铸钢齿轮，如从动齿轮，齿轮和惰轮，使用石英砂的地板成型工艺是不错的选择。为什么呢，因为齿轮的大多数的部位都需要加工。所以，你不需要使用更高的铸造工艺。此外，关于中、大型钢铸件，使用石英砂的地板成型工艺几乎是唯一的选择。

关于热处理，当然，所有钢铸件都必须标准化以消除内部压力。齿轮铸件的某些部位可以焊接。如果铸造厂焊接铸件，必须对焊接位置退火。如果滚齿后硬度极高，你可以再次退火以降低硬度并消除内部硬点。在加工和滚齿后，齿轮淬火或称之为硬化处理，以提高齿轮齿的表面硬度。对于小齿轮，你可以做渗碳处理。对于大型从动齿轮，你可以做表面淬火处理。没有经过硬化处理的齿轮寿命很短，仅几个星期到几个月。

由于齿轮铸件对材料、缺陷、加工及热处理的要求更高。而且，齿轮铸件的订单量相对较少。因此，许多钢铁铸造厂不愿意制造。

一些齿轮由锻造工艺制造。锻造齿轮内部组织密度更好、强度更高。锻造齿轮可以用于更严格的工作条件。铸造齿轮强度低，但广泛应用于一般工作条件。锻造齿轮的成本高，而铸造齿轮的成本相对较低。买方应根据成本和使用条件选择合适的制造工艺。

参考资料来源：百度百科-齿轮

二、锻造齿轮与铸造齿轮有什么不同

随着锻造工艺和汽车的轻量化要求的增强,铸造齿轮开始逐渐被齿轮企业所淘汰，汽车齿轮制造业开始更多地应用锻造成型技术。齿轮精密锻造成形是一种优质、高效、低消耗的先进制造技术，近年来被广泛地应用于汽车齿形零件的大批量生产中。

下面介绍一下锻造齿轮与铸造齿轮的区别

锻造齿轮的内部组织致密，强度高，寿命长，使用性能优良，不仅外型美观，工作硬度也大大提高，含杂质极少，防爆性能更可靠，级别更高。可以用于严格的工作条件。

铸造的内部组织差一些，强度低，容易出现砂眼，缩松，易断裂变形，一般的工作条件下可以应用，防爆级别低于锻造工艺工具，目前国家倡导绿色环保，铸造件已经渐渐被列为淘汰系列。

相较之下，锻造齿轮在未来发展中更受关注，电动螺旋压力机由于制品均一精确，冲压能量高在近年来在齿轮锻造方面有很大的发展，越来越多的锻造厂家和用户重视齿轮锻造，尤其是锻造齿轮后获得了很好的成果后，而且电动螺旋压力机相比较更容易实现自动化生产。

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三、齿轮强度计算

（一）齿轮的损坏形式

齿轮传动的失效通常是指轮齿的损坏。回转器齿轮的损坏形式主要是轮齿折断、齿面疲劳点蚀和齿面磨损。

齿轮传动时，轮齿相当于受载的悬臂梁，轮齿在重复载荷作用下，齿根产生疲劳裂纹，裂纹扩展深度逐渐增大，然后出现弯曲折断。用淬火钢制成的齿轮，当受到过载或冲击载荷时，可能引起轮齿突然折断。

轮齿工作时，一对齿轮相互啮合，齿面相互挤压，这时存在于齿面细小裂缝中的润滑油压升高，并导致裂缝扩展，然后齿面表层的金属微粒剥落下来形成斑坑，即疲劳点蚀。它使齿廓表面遭到破坏，引起动载和噪声，同时也加剧磨损，并可能导致轮齿折断。疲劳点蚀产生在润滑良好的闭式传动中。

齿面磨损是当齿轮箱中落入泥浆、岩粉、金属屑末、污物等磨料性物质时，齿面将逐渐磨损，磨损后齿廓失去正确形状，使其在运转中产生冲击和噪声，此外轮齿磨损变薄后就会折断。

（二）齿轮的材料

1.锻钢

钢制齿轮的毛坯一般用锻造方法获得。锻钢金属内部组织细密，按齿面硬度不同可分为两类：

（1）软齿面齿轮（齿面硬度≤350HBS），这类齿轮常用35、45、40Cr、35SiMn等中碳钢或中碳合金钢，经调质或正火后再进行切削精加工。由于小齿轮转速高于大齿轮，即小齿轮轮齿的啮合次数较大齿轮多，并且在标准齿轮传动中，小齿轮齿根厚度较小，所以小齿轮的齿面硬度最好比大齿轮齿面硬度高出30～50HBS。这类齿轮制造工艺简单，多用于对强度、硬度和精度没有过高要求的一般机械中。

（2）硬齿面齿轮（齿面硬度＞350HBS）这类齿轮常用20Cr、20CrMnTi等低碳合金钢经表面渗碳淬火，或45、40Cr等中碳钢、中碳合金钢经表面淬火，齿面硬度通常为40～65HRC，而齿心韧性较好。因为齿面硬度高，所以要在切齿加工后再进行最终热处理。为了消除热处理引起的轮齿变形，还需对轮齿进行磨削或研磨。这类齿轮制造工艺复杂，多用于高速、重载和质量较重的机械中，如钻机、汽车及拖拉机等。

2.铸钢

当齿轮结构很复杂，或直径大于400mm以上，轮坯不易锻造时，可采用铸钢，如ZG270-500、ZG310-570、ZG340-640等。因为铸钢件铸造收缩率大，内应力大，所以需要进行正火或回火处理，以消除其内应力。

表2-3列出了几种常用的齿轮材料。

表2-3几种常用的齿轮材料表

注：1.本表是根据 GB10063-88按 MQ级（中等质量要求）编制的；

2.计算式中 HBS和 HRC分别表示布氏硬度和洛氏硬度值，其余为硬度单位。

（三）直齿圆柱齿轮传动的强度计算

1.齿面接触疲劳强度校核式

液压动力头岩心钻机设计与使用

引入齿宽系数ψd＝b/d1，可得齿面接触疲劳强度设计式：

液压动力头岩心钻机设计与使用

式中：T1为作用在主动小齿轮上的转矩，N·mm；d1为小齿轮分度圆直径，mm；K为载荷系数，一般K＝1.2～2。当载荷平稳，齿宽系数ψd＝b/d1较小，齿轮相对轴承对称布置、轴的刚性较大、齿轮精度较高以及软齿面时，取较小值，反之取较大值；ZE为弹性系数（槡MPa），其值与两个齿轮的材料有关，见表2-4；ZH为节点区域系数，对于标准直齿圆柱齿轮传动，ZH＝2.5；b为齿轮的有效接触宽度（mm），通常取b2＝b，b1＝b＋（5～10）mm，b1、b2分别为小齿轮和大齿轮的齿宽；［σ］H为许用接触应力（MPa），设计时，应取两轮中较小的值代入式（2-2）。

表2-4弹性系数ZE（）

2.齿根弯曲疲劳强度校核式

液压动力头岩心钻机设计与使用

引入齿宽系数ψd＝b/d1，并将d1＝mZ1代入上式整理，可得齿根弯曲疲劳强度设计式：

液压动力头岩心钻机设计与使用

式中：YFS为复合齿形系数，见表2-5；m为齿轮的模数，mm；［σ］F为许用齿根应力，MPa；

表2-5复合齿形系数YFS

注：本表根据GB10063-88编制。

其余各参数的意义与量纲同前。

设计时，应以中较大者代入式（2-4），并将求得的模数圆整为标准值。

3.许用应力

（1）许用接触应力：

液压动力头岩心钻机设计与使用

式中：σHlim为试验齿轮的接触疲劳极限，MPa，见表2-3；SH为接触强度安全系数，简化计算时可取SH＝1.1。

（2）许用齿根应力：

液压动力头岩心钻机设计与使用

式中：σFlim为试验齿轮的弯曲疲劳极限（MPa），单齿侧受载时按见表2-3查取，双齿侧受载时，应将表2-3中数值乘以0.7；SF为弯曲强度安全系数，简化计算时可取SF＝1.4。

4.参数的选择

（1）齿数和模数：对于闭式软齿面齿轮传动，传动的尺寸主要取决于齿面接触疲劳强度。因此，在保持分度圆直径不变并满足弯曲疲劳强度要求的前提下，可选用较多的齿数。这样有利于增大重合度，使传动平稳。同时由于模数的减小，又可减少轮坯的金属切削量，降低齿轮制造成本。通常取Z1＝20～40。

对于闭式硬齿面和开式齿轮传动，传动的尺寸主要取决于齿轮的弯曲疲劳强度，故可采用较少的齿数以增加模数。但对于标准齿轮，为了避免切齿干涉，通常取Z1＝17～20。

对于传递动力的齿轮，一般应取模数m≥1.5～2mm。

（2）齿宽系数：增大齿宽能缩小齿轮的径向尺寸，但齿宽愈大，载荷沿齿宽分布愈不均匀。通常齿宽系数ψd可按表2-6选取。

表2-6齿宽系数ψd＝b/d1

（3）传动比：一对齿轮的传动比i不宜过大，否则将增加传动装置的结构尺寸，并使两齿轮的应力循环次数差别太大。一般取直齿圆柱齿轮的传动比i≤5。

（4）齿轮变位系数的选择原则：齿轮的变位是齿轮设计中一个非常重要的环节。采用变位齿轮，除为了避免齿轮产生根切和配凑中心距外，它还影响齿轮的强度、使用平稳性、耐磨损、抗胶合能力及齿轮的啮合噪声。

变位齿轮主要有两类：高度变位和角度变位。高度变位齿轮副的一对啮合齿轮的变位系数之和等于零。高度变位可增加小齿轮的齿根强度，使它达到和大齿轮强度相近的程度。高度变位齿轮副的缺点是不能同时增加一对齿轮的强度，也很难降低噪声。角度变位齿轮副的变位系数之和不等于零。角度变位既有高度变位的优点，又避免了其缺点。

在回转器设计中，由于齿轮传动受力较大，有时还有冲击、振动，小齿轮齿根强度较低，可能出现齿根弯曲断齿现象。为提高小齿轮的抗弯强度，应根据危险断面齿厚相等的条件来选择大、小齿轮的变位系数，此时小齿轮的变位系数大于零。有时为了加大传动比，减小尺寸，把小齿轮的齿数取得少会造成根切。这不仅削弱了轮齿的抗弯强度，而且使重合度减小。此时应对齿轮进行正变位，以消除根切现象。

总变位系数（X＝X1＋X2）越小，一对齿轮齿根总的厚度越薄，齿根越弱，抗弯强度越低。根据上述理由，设计回转器齿轮副时，X值可以选用1.0以上，以获得高强度齿轮副。

（5）齿轮传动的设计准则：齿轮传动的设计准则以其失效形式而定。对于一般用途的齿轮传动，通常只按齿根弯曲疲劳强度及齿面接触疲劳强度进行设计计算。

在闭式齿轮传动中，齿面点蚀和轮齿折断两种失效形式均可能发生，所以需计算两种强度。对于闭式软齿面齿轮传动，其抗点蚀能力比较低，所以一般先按接触疲劳强度进行设计，再校核其弯曲疲劳强度；对于闭式硬齿面齿轮传动，其抗点蚀能力较强，所以一般先按弯曲疲劳强度进行设计，再校核其接触疲劳强度。

在开式齿轮传动中，主要失效形式是齿面磨粒磨损和轮齿折断。因为目前齿面磨损尚无可靠计算方法，所以一般只计算齿根弯曲疲劳强度。考虑磨损会降低轮齿的弯曲强度，一般将计算出的模数增大10％～15％，然后再取标准值。

（四）斜齿圆柱齿轮传动的强度计算

1.螺旋角

将斜齿圆柱齿轮的分度圆柱展开，该圆柱上的螺旋线便成为一条斜直线，它与齿轮轴线间的夹角就是分度圆柱上的螺旋角，简称螺旋角，用β表示，通常取β＝8°～20°。斜齿圆柱齿轮有左旋和右旋之分，其判别方法与螺纹相同。

2.模数和压力角

对于斜齿圆柱齿轮，垂直于齿轮轴线的平面称为端平面，垂直于分度圆柱上螺旋线的平面称为法平面。用铣刀或滚刀加工斜齿圆柱齿轮时，刀具的进刀方向是齿轮分度圆柱上螺旋线的方向，因此斜齿圆柱齿轮的法向模数mn和法向压力角αn分别与刀具的模数和齿形角相同，均为标准值。法向压力角αn的标准值为20°。但斜齿圆柱齿轮的直径和传动中心距等几何尺寸计算，是在端平面内进行的，因此要注意法向参数与端面参数之间的换算关系。

3.齿面接触疲劳强度计算

一对斜齿圆柱齿轮传动的强度与其当量直齿圆柱齿轮传动的强度相近。因此斜齿圆柱齿轮传动的齿面接触疲劳强度计算，仍然可以采用直齿圆柱齿轮传动的计算公式（2-1）和式（2-2）。式中的节点区域系数ZH按表2-7查取；载荷系数K的取值，随着螺旋角的增大，应取小值。

表2-7节点区域系数ZH

4.齿根弯曲疲劳强度计算

斜齿圆柱齿轮传动的齿根弯曲疲劳强度校核也可采用式（2-3），只需将模数m改为法向模数mn，即：

液压动力头岩心钻机设计与使用

因为强度计算是按法向齿形进行的，所以复合齿形系数YFS应按当量齿数Zv＝Z/cos3β由表2-5查取。载荷系数K的取值，亦应随螺旋角的增大而取小值。

（五）直齿锥齿轮传动的强度计算

直齿锥齿轮传动的强度计算比较复杂，通常是把直齿锥齿轮传动转化为齿宽中点处的一对当量直齿圆柱齿轮传动作近似计算。将齿宽中点处当量直齿圆柱齿轮的有关参数代入式（2-1）和（2-3），经过适当变换，即可得到下述相应的计算公式。

齿面接触疲劳强度校核式和设计式分别为：

液压动力头岩心钻机设计与使用

齿根弯曲疲劳强度校核式和设计式分别为：

液压动力头岩心钻机设计与使用

式中：ZE、ZH、K、［σ］H、［σ］F的取值和计算与直齿圆柱齿轮传动相同，YFS按当量齿数Zv＝Z/cosδ由表2-4查取。δ为节锥角。ψR—齿宽系数，是齿宽与锥距之比，即ψR＝b/R。为保证锥齿轮轮齿小端所必需的刚度并便于加工，齿宽b不应大于0.35R，通常取齿宽系数ψR＝0.25～0.3。