《機械基礎》教案 第12課 齒輪傳動

課題機械傳動裝置(三)一齒輪傳動

課時2課時(90min)

知識技能目標：

(1)掌握齒輪傳動的基本參數和工作原理

(2)了解齒輪的結構形式和材料

(3)掌握齒輪傳動的維護

教學目標

(4)能夠計算齒輪傳動的基本參數

思政育人目標：

(1)養(yǎng)成實事求是的科學精神和求真務實的辯證思維

(2)提升遵守標準規(guī)范的職業(yè)意識和學以致用的職業(yè)素養(yǎng)

教學重點：齒輪傳動的工作原理；齒輪的結構形式和材料；計算齒輪傳動的基本參數；

教學重難點

教學難點：計算齒輪傳動的基本參數

教學方法案例分析法、問答法、討論法、講授法

教學用具電腦、投影儀、多媒體課件'教材

第1節(jié)課：考勤(2min)一問題導入(5min)一傳授新知(13min)一例題講解(10min)一課堂訓練(10min)

教學設計一傳授新知(5min)

第2節(jié)課：傳授新知(25min)一任務實施(15min)一課堂小結(3min)一作業(yè)布置(2min)

教學過程主要教學內容及步驟設計意圖

第一節(jié)課

■【教師】布置課前任務，和學生負責人取得聯系，組織學生下載“任務工單4.2",

并根據任務工單進行組內分工。同時，提醒同學通過APP或其他學習軟件預習本節(jié)

課知識，了解齒輪傳動的類型、特點及應用，齒輪傳動的基本參數，齒輪傳動的維

護等，并思考以下問題：

(1)齒輪傳動的類型有哪些？請舉例說明，并簡述其特點及應用。

(2)漸開線齒輪的工作原理是什么？漸開線齒輪的基本參數有哪些？并簡述其計算方通過課前任務，使

法。學生了解所學課程的

課前任務

重要性，增加學生的

(3)斜齒圓柱齒輪傳動的特點是什么？斜齒圓柱齒輪的基本參數有哪些？并簡述其計

學習興趣

算方法。

(4)直齒圓錐齒輪的基本參數有哪些？并簡述其計算方法。

(5)齒輪傳動的失效形式有哪些？請舉例說明，并簡述其預防措施。

(6)齒輪的潤滑方式有哪些？請舉例說明，并簡述其特點及應用。

■【學生】完成課前任務

■【教師】使用行簽到培養(yǎng)學生的組織紀

考勤APPifi

律性，掌握學生的出

(2min)

■【學生】按照老師要求簽到勤情況

■【教師】提出以下問題：

上節(jié)課我們學習了鏈傳動，知道了鏈傳動的特點，我們先來回顧一下。

■【學生】思考、舉手回答通過問題導入的方

問題導入法，引導學生主動思

■【教師】總結學生回答，引入新的課題：

(5min)考，激發(fā)學生的學習

鏈傳動的特點是傳動效率高，能保證平均傳動比恒定，適用于中心距較大的場合并能在興趣

同一平面內傳遞運動和動力。

那么我們來想一下有沒有一種機械傳動是在不同平面內傳遞運動和動力的呢？今天我

們就來學習這樣的傳動。

-.齒輪傳動的類型、特點及應用

■【教師】新知講解

1.齒輪的類型

根據齒輪軸線位置的不同，齒輪傳動可分為平行軸齒輪傳動、相交軸齒輪傳動和交錯軸

齒輪傳動。

(1)平行軸齒輪傳動

直齒圓柱齒輪傳動：齒輪的齒向與齒輪軸線方向相同，如圖所示。

工修

通過教師講解、課

堂互動、舉例分析等

教學方式，幫助學生

掌握齒輪傳動的類

【多媒體教學】型、特點及應用，漸

傳授新知

+【教師】要求學生通過""APP掃描二維碼“直齒圓柱齒輪傳動”，觀看微課視頻，開線齒廓的形成和性

(13min)

了解直齒圓柱齒輪傳動的特點質，漸開線齒輪的幾

何尺寸和基本參數，

+【學生】掃碼觀看、思考

漸開線便準直齒圓柱

斜齒圓柱齒輪傳動：齒輪的齒向與齒輪軸線方向傾斜了一個角度，如圖所示。

齒輪幾何尺寸的計算

等相關知識

【多媒體教學】

+【教師】要求學生通過""APP掃描二維碼"斜齒圓柱齒輪傳動”，觀看微課視頻，

了解斜齒圓柱齒輪傳動的特點

+【學生】掃碼觀看、思考

人字形圓柱齒輪傳動：它可看作由兩個輪齒齒向傾斜方向相反的斜齒圓柱齒輪組合而

成，如圖所示。

【多媒體教學】

+【教師】要求學生通過""APP掃描二維碼”人字形圓柱齒輪傳動“，觀看微課視

頻，了解人字形圓柱齒輪傳動的特點

+【學生】掃碼觀看、思考

(2)相交軸齒輪傳動

直齒圓錐齒輪傳動：如圖所示。

【多媒體教學】

+【教師】要求學生通過APP掃描二維碼“直齒圓錐齒輪傳動”，觀看微課視頻,

了解直齒圓錐齒輪傳動的特點

+【學生】掃碼觀看、思考

斜齒圓錐齒輪傳動：如圖所示。

【多媒體教學】

+【教師】要求學生通過""APP掃描二維碼"斜齒圓錐齒輪傳動”，觀看微課視頻,

了解斜齒圓錐齒輪傳動的特點

+【學生】掃碼觀看、思考

(3)交錯軸齒輪傳動

交錯軸斜齒輪傳動：如圖所示。

【多媒體教學】

+【教師】要求學生通過""APP掃描二維碼”交錯軸斜齒輪傳動”，觀看微課視頻,

了解交錯軸斜齒輪傳動的特點

+【學生】掃碼觀看、思考

蝸桿傳動：如圖所示。

【多媒體教學】

+【教師】要求學生通過""APP掃描二維碼"蝸桿傳動"，觀看微課視頻，了解蝸

桿傳動的特點

+【學生】掃碼觀看、思考

【課堂互動】

+【教師】提出問題讓學生思考、討論，并隨機抽取學生回答

根據工作條件的不同，齒輪傳動裝置還可分為開始、半開式和閉式三種。

請同學們思考，上述不同的方式的齒輪傳動裝置都有哪些特點及應用場合？

+【學生】聆聽、思考、討論、回答

+【教師】總結學生回答

開式齒輪傳動裝置沒有防塵罩或機殼，齒輪完全暴露在外，外界雜物容易侵入且潤滑不

良，多用于低速、非重要傳動場合；

半開式齒輪傳動裝置有簡單的防護裝置，但不能嚴格防止外界雜物的侵入，潤滑條件一

股，多用于農業(yè)機械、建筑機械及簡單機械；

閉式齒輪傳動裝置的齒輪經過精密加工，安裝于密閉的箱體內，潤滑條件良好，多用于

汽車、機床等高速、精密和重要的傳動場合。

2.齒輪傳動的特點及應用

優(yōu)點：①傳動比準確，工作可靠；②傳動效率高，使用壽命長；③結構緊湊，所占

空間位置小，可在空間任意兩軸之間傳遞運動和動力；④傳遞的功率、速度和尺寸范圍大。

缺點：①制造齒輪需要專用設備，制造成本較高；②安裝精度要求較高，否則會出現

較大的振動和噪聲；③不適用于兩軸中心距較大的傳動。

應用：齒輪傳動廣泛應用于汽車、飛機、船舶、機床、起重機械、礦山機械、輕工機械

和儀器儀表等行業(yè)，是應用最為廣泛的機械傳動之一。

■【學生】聆聽、思考、理解

二.漸開線齒輪

■【教師】新知講解

【多媒體教學】

+【教師】要求學生通過APP掃描二維碼”漸開線齒廓的形成“，觀看微課視頻,

學習漸開線齒廓的形成

+【學生】掃碼觀看、思考

1.漸開線齒廓的形成和性質

如圖4-25(a)所示，當一直線BK沿圓周從位置I做純滾動到位置II時，直線上任一點

K的軌跡形成一條曲線AK,則曲線AK稱為該圓的漸開線，該圓稱為漸開線的基圓，直線

BK稱為漸開線的發(fā)生線■漸開線齒輪的輪齒就是由以同一基圓形成的兩條反向漸開線組成

的，如圖4-25(b)所示。

(1)發(fā)生線上沿基圓滾過的線段長度等于基圓上被滾過的相應弧長，即=

(2)發(fā)生線5K即為漸開線在/G點的法線。由于發(fā)生線恒切于基圓，因此漸開線上任

意點的法線必恒切于基圓。

(3)漸開線齒廓上/G點的法線方向與該點速度方向所夾的銳角稱為該點的壓力角，用

aK表示，則有COS^K=03/OK=“/小。由此可見，齒廓上各點的壓力角是變化的，K

點離基圓圓心越遠，壓力角?K越大.

(4)發(fā)生線與基圓的切點3也是漸開線在《點處的曲率中心，線段8K即是漸開線在K

點處的曲率半徑。因此，漸開線上越接近基圓的部分曲率半徑越小，在基圓上其曲率半徑為

零。

(5)漸開線的形狀取決于基圓半徑的大小。如圖4-25(c)所示，基圓半徑越小，漸

開線越彎曲；基圓半徑越大，漸開線越平直。當基圓半徑趨于無窮大時，漸開線將成為一條

直線。

(6)基圓內無漸開線。

■【學生】聆聽、思考、理解

■【教師】黑板上畫出“漸開線齒輪的幾何尺寸”圖形，使學生對漸開線齒輪各部分的

名稱認識更直觀，切入新知講解

2.漸開線齒輪的幾何尺寸

圖4-26漸開線齒輪的幾何尺寸

(1)齒寬：輪齒沿齒輪軸線方向的寬度稱為齒寬，用b表示。

(2)齒厚：在齒輪任意圓周上，一個輪齒兩側齒廓間的弧長稱為該圓上的齒厚，用Sk

表示；

(3)齒槽寬：一個齒槽兩側齒廓間的弧長稱為該圓上的齒槽寬，用，女表示；

(4)齒距：相鄰兩齒同側齒廓之間的弧長稱為該圓上的齒距，用pk表示。

(5)齒頂圓：過齒輪各齒頂所作的圓稱為齒頂圓，其半徑用《表示。

(6)齒根圓：過齒輪各齒槽底部所作的圓稱為齒根圓，其半徑用不表示。

(7)分度圓：為了便于計算齒輪各部分的尺寸，在齒輪上選擇一個圓作為尺寸計算基

準，這個圓稱為分度圓，其半徑、齒厚、齒槽寬和齒距分別以r、s、e和p表示。其中齒距、

齒厚和齒槽寬之間的關系為p=s+e

(8)齒頂高：輪齒上介于齒頂圓與分度圓之間的部分稱為齒頂，其徑向高度稱為齒頂

高，用用表示；

(9)齒根高：介于分度圓與齒根圓之間的部分稱為齒根，其徑向高度稱為齒根高，用4

表示；

(10)齒全高：輪齒在齒頂圓和齒根圓之間的徑向高度稱為齒全高，用符號h表示。齒

全高與齒根高、齒頂高之間的關系為/?=4+%

■【學生】聆聽、思考、理解

■【教師】新知講解

3.漸開線齒輪的基本參數

(1)齒數：齒輪圓周上輪齒的總數量稱為齒數，用z表示。

(2膜數齒輪分度圓的周長等于齒數z與齒距p的乘積，則分度圓的直徑為d='z,

71

工程中，為了便于齒輪的設計、計算、制造和檢驗等，通常將p/兀規(guī)定為標準值，稱為齒

輪的模數，用m表示，即根=p/兀。齒數相同的齒輪，模數m越大，齒距越大，輪齒也越

大，齒輪的承載能力也就越強。

(3)壓力角：壓力角是指漸開線齒廓在分度圓上的壓力角，用a表示，GB/T

1356—2001中規(guī)定分度圓上的壓力角為標準值，＜z=20°.

(4)齒頂高系數：齒頂高小與模數m比值稱為齒頂高系數，用符號從表示。

(5)頂隙系數：一對齒輪嚙合時，一個齒輪的齒頂與另一個齒輪的齒根之間沿半徑方

向的間隙稱為頂隙，用c表示。頂隙與模數之間的比值稱為頂隙系數，用符號c*表示。

4.漸開線標準直齒圓柱齒輪幾何尺寸的計算

當齒輪的模數m、壓力角a、齒頂高系數瓦和頂隙系數c*都取標準值，且分度圓上的

齒厚s與齒槽寬e相等時，該齒輪稱為標準齒輪。對于標準齒輪，有

s=e=p/2=nm/2(4-9)

漸開線標準直齒圓柱齒輪的幾何尺寸計算公式如表所示。

名稱符號計算公式

模數m計算后從表4-3中選取

壓力角a。=20。

齒頂高系數h：正常齒取1.0

頂隙系數c正常齒取0.25

分度圓直徑dd=mz

齒頂圓直徑4d&=m(z+2優(yōu))=d+271a

齒頂高K丸a=Km

齒根高44=m(匕+c)

齒全高hh=m(27i*+c)

齒距Pp=Tim

齒厚ss=TUTL/2

齒槽寬ee=Ttm/2

_m(Z[+z2)_dx+d2

標準中心距a(t2-2

■【學生】聆聽、思考、理解

■【教師】講解以下例題

通過例題講解，加

【例4-1］已知減速器中一對標準直齒圓柱齒輪，其參數為4=2。，z2=32,

例題講解深學生對知識的理

(10min)%=10mm,(z=20°,1=1,c*=0.25，試計算其分度圓、齒頂圓、齒根圓直徑，解，幫助學生強化知

分度圓齒厚、齒槽寬和中心距。識點的記憶

【解】計算過程及結果如表所示。

計算項

計算過程計算結果

目

分度圓4=mzx=10x20=200(mm)4=200mm

直徑d2=mz2=10x32=320(mm)d2=320mm

Jal=m(z14-2/^)=10x(20+2x1)=220(mm)=220mm

齒頂圓

(^2=340mm

直徑=m(z2+2/z；)=10x(32+2x1)=340(mm)

dfi=根(4一2%-2c*)=10x(20—2x1—2x0.25)=175(mm)

4i=175mm

齒根圓

直徑dn=mJ-2%-2c*)=lOx(32-2x1-2x0.25)=295(mm)

dn=295mm

齒厚和purn3.14x10<「r,、s=e=15.7mm

s=e=—=----=-----------=15.7(mm)

齒槽寬222

d,+d,200+320_.

中心距a=——!=------------=260(mm)a=260mm

22

■【學生】聆聽、思考、理解

■教【師】PPT展示以下例題，要求學生進行課堂練習，并請一位同學在黑板上演算，

最后教師講解。

通過課堂練習，檢

(1)已知一標準直齒圓柱齒輪，模數m=4mm,齒數外嚙合標準直徑z=40,試求各部

查學生掌握知識的情

課堂訓練分尺寸？圓柱齒輪的幾何尺寸的計算公式。

況，加深學生對計算

(10min)(2)已知一標準直齒圓柱齒輪，齒數z=30,齒根圓習，直徑df等于192.5mm。試求齒

公式的理解和靈活運

距P、齒頂圓直徑da、分度圓直徑d和齒高h?

用。

■【學生】聆聽.思考、演算

■教【師】公布正確答案，并進行分析

■【教師】新知講解

5.漸開線齒輪的嚙合傳動

(1)漸開線齒輪正確嚙合條件

兩齒輪的模數和壓力角分別相等，即町=m,=m,at=a2=a

通過教師講解、課

(2)漸開線齒輪的傳動比

堂互動、舉例分析等

傳授新知

漸開線齒輪傳動的傳動比，=叼/例=42/41。教學方式，幫助學生

(5min)

(3)漸開線齒輪傳動的中心距掌握漸開線齒輪的嚙

標準安裝時齒輪的中心距稱為標準中心距，其大小為合傳動等相關知識

q=u'±{'=4±4=m(z2±Z])/2

(4)漸開線齒輪連續(xù)傳動的條件

齒輪傳動通常用重合度來描述任意瞬間處于嚙合狀態(tài)的輪齒對數，其符號為￡o重合度

￡越大，表示同時參與嚙合的齒數越多，則傳動越平穩(wěn)。漸開線齒輪連續(xù)傳動的條件為重合

度￡?.1。

■【學生】聆聽、思考、理解

第二節(jié)課

三、斜齒圓柱齒輪傳動

【多媒體教學】

+【教師】要求學生通過APP掃描二維碼”斜齒圓柱齒輪傳動的特點”，觀看微

課視頻，學習斜齒圓柱齒輪傳動的特點

+【學生】觀看、思考

■【教師】新知講解

1.斜齒圓柱齒輪傳動的特點

斜齒圓柱齒輪齒廓曲面的形成方法與直齒輪相同，但由于斜齒圓柱齒輪的齒向與齒輪軸

線不平行，因此生成的齒廓曲面與基圓柱的交線是一條螺旋曲線，如圖4-29(b)所示。

通過教師講解、課

堂互動、舉例分析等

教學方式，幫助學生

掌握斜齒圓柱齒輪傳

動的特點，斜齒圓柱

(a)直齒圓柱齒輪的齒廓曲面(b)斜齒圓柱齒輪的齒廓曲面齒輪的基本參數，標

由于斜齒圓柱齒輪存在螺旋角，其嚙合傳動的齒面接觸線與直齒圓柱齒輪傳動不同：直準斜齒圓柱齒輪幾何

傳授新知

齒圓柱齒輪傳動的齒面接觸線是等長的，如圖4-30(a)所示；斜齒圓柱齒輪傳動的齒面接尺寸的計算，直齒圓

(25min)

觸線不是等長的，而是由短變長，又由長變短，如圖4-30(b)所示。這表明工作時斜齒圓錐齒輪的基本參數和

柱齒輪的輪齒承受的載荷逐漸增大后再逐漸減小，因此斜齒圓柱齒輪傳動承載能力強、傳動幾何尺寸計算，齒輪

平穩(wěn)、沖擊及工作噪聲小，適用于大功率、高速齒輪傳動。的結構形式和材料，

齒輪傳動的維護等相

關知識

(a)直齒圓柱齒輪傳動的齒面接觸線(b)斜齒圓柱齒輪傳動的齒面接觸線

■【學生】聆聽、思考、理解

■【教師】新知講解

2.斜齒圓柱齒輪的基本參數

1)螺旋角

斜直線與齒輪軸線所夾的銳角稱為螺旋角，用表示，它的大小表示輪齒的傾斜程度。

一般情況下，。值越大，傳動的平穩(wěn)性越高，但傳動時產生的軸向力也越大，故螺旋角￡不

能過大，一般取夕=8°?20。。

旋向判別方法：將齒輪軸線垂直放置，輪齒自左至右上升者為右旋，反之為左旋。

2）模數

斜齒圓柱齒輪的模數分為端面模數叫和法面模數機「如圖4-31所示，根據幾何關系

可知，端面齒距pt與法面齒距p?之間存在關系:Pn=Ptcos/3,由此可知a=mtcos/

3）壓力角

斜齒圓柱齒輪的分度圓在端面內的壓力角稱為端面壓力角，用火表示；

在法面內的壓力角稱為法面壓力角，用明表示。

根據幾何關系推導可得tanan=cos尸tanq

4）齒頂高系數和頂隙系數

斜齒圓柱齒輪的端面、法面齒頂高系數/、*，端面、法面頂隙系數c：、《之間的

關系分別為第=町cos0,C：=C：cos夕

■【學生】聆聽、思考、理解

■【教師】新知講解

3.標準斜齒圓柱齒輪幾何尺寸的計算

幾何尺寸符號計算公式

d=mz=mz/cosf3

分度圓直徑dtn

4=d+2/z

齒頂圓直徑颼a

齒根圓直徑4df=d—2l^

齒頂IWJ%%=/綜

4=1.25m

齒根高4n

全齒高hh=ha=2.25%

頂隙Cc=0.25%

標準中心距aa=mn(z1+Z2)/2COSp

【學生】聆聽、思考、理解

四、直齒圓錐齒輪傳動

【教師】新知講解

1,直齒圓錐齒輪的基本參數

直齒圓錐齒輪的嚙合過程可看作是兩個錐頂共點的圓錐體做相對純滾動，而輪齒均勻分

布在圓錐體的表面上，如圖所示。與直齒圓柱齒輪相對應，直齒圓錐齒輪中有分度圓錐面、

齒頂圓錐面和齒根圓錐面等。

1）模數

直齒圓錐齒輪的模數，"同樣已由國家標準規(guī)定，一般根據齒輪強度和結構的要求進行選

2）分度圓錐角

直齒圓錐齒輪軸線與分度圓錐面所夾的銳角稱為分度圓錐角，用6表示，如圖4-34所

3）軸交角

相互嚙合時兩直齒圓錐齒輪軸線之間的夾角稱為軸交角，用》表示。一般機械中，通常

采用90。軸交角的直齒圓錐齒輪傳動，即N=g+&=90。。

4）壓力角、齒頂高系數及頂隙系數

國家標準規(guī)定，標準直齒圓錐齒輪的壓力角?=20°,正常齒的齒頂高系數〃=1,

頂隙系數c*=0.2。

【學生】聆聽.思考、理解

【教師】新知講解

2.直齒圓錐齒輪幾何尺寸的計算

幾何尺寸符號計算公式

根據國家標準選取

大端模數m

傳動比Z=cot^=tan優(yōu)

2、R、用

和錐角

兒=砒

齒頂高%

齒根高44=m(J\+c*)=1.2m

齒全高hh=ha+%

4=mzx

分度圓直徑4d2

d2=mz2

%=4-24cosa

齒根圓直徑

dn=d2—24cos32

da1=4+2用cosa

齒頂圓直徑41、"a2

%=4+2"cos今

根據齒輪強度或結

齒寬b

構要求確定

■【學生】聆聽、思考、理解

五、齒輪的結構形式與材料

■【教師】新知講解

1.齒輪的結構形式

一般都由輪緣、輪輻和輪轂等組成。齒輪常見的結構形式有齒輪軸、實心式、腹板式和

輪輻式，它們的特點及適用范圍（詳見教材表4-8）。

■【學生】聆聽、思考、理解

■【教師】新知講解

2.齒輪的材料

齒輪的材料應滿足以下要求：

①齒面具有較高的硬度，以抵抗齒面的磨損、膠合及塑性變形；

②齒心部位具有足夠的韌性，以抵抗沖擊載荷；

③具有良好的加工工藝性，以獲得良好的表面質量和加工精度。

齒輪常用的材料有鍛鋼、鑄鋼、鑄鐵以及非金屬材料等。為提高齒輪材料的力學性能，

還需要對齒輪進行適當的熱處理。

1）鍛鋼

鍛鋼具有強度高、韌性好、便于制造等特點，還可通過多種熱處理方法來改善力學性能,

因此大多數齒輪都采用鍛鋼制造。

軟齒面齒輪：常用的材料有中碳鋼（如45鋼、40鋼等）和合金調質鋼（如40Cr、35SiMn

等）.這類齒輪制造工藝簡單、成本低廉，廣泛應用于一般的機械傳動。

硬齒面齒輪：常用的材料有合金滲碳鋼（如20Cr、20CrMnTi等）和合金調質鋼（如40Cr、

35SiMn等）。這類齒輪制造工藝復雜、成本較高，常用于精密、高速、重載的機械傳動。

2）鑄鋼

對于直徑大于400mm、結構復雜且受力較大的齒輪，可采用ZG270-500,ZG340-640

等鑄鋼材料。鑄鋼制造的齒輪內應力較大，在精加工前需要進行正火或回火熱處理。

3）鑄鐵

鑄鐵齒輪常用的材料有HT200、QT600-3等，其內部的石墨具有自潤滑作用，但抗彎強

度和抗沖擊能力較差，常用于低速輕載、沖擊小和不重要的齒輪傳動。

4）非金屬材料

對于高速、輕載及精度不高的齒輪傳動，為了減少噪聲，常用塑料、尼龍、夾布膠木等

非金屬材料制造。

■【學生】聆聽、思考、理解

六、齒輪的傳動維護

■【教師】新知講解

1,齒輪的失效形式

齒輪在工作時，其輪齒既要承受法向的壓力，又要承受切向的摩擦力，因此齒輪的失效

主要是指輪齒的失效。常見的齒輪失效形式有輪齒折斷和齒面損傷，其中齒面損傷又可分為

齒面點蝕、齒面磨損、齒面膠合和齒面塑性變形等。

■【學生】聆聽、思考、理解

【課堂互動】

+【教師】提出問題讓學生思考、討論，并隨機抽取學生回答

齒輪傳動的失效形式有哪些？這些失效形式有何區(qū)別？