齿轮传动的设计

齿轮传动的设计
齿轮传动的设计包括齿形设计、齿轮设计、系统设计和结构设计。
（1）齿形设计。齿轮的核心是轮齿，轮齿是由具有一定齿形的刀具创成的曲面构成。齿形设计基础是啮合理论，而啮合理论又是以几何学和刚体运动学为依据的专门学科。
（2）齿轮设计。齿轮设计的主要内容是强度设计或可靠性设计，而其中心也是轮齿。
（3）系统设计。系统设计是在齿形设计、齿轮设计的基础上发展起来的齿轮传动系统的宏观设计，其目的是为了得到长寿命（高承载能力）、高性能、低公害的齿轮传动。研究齿轮传动系统特性（噪声、振动、效率、动载荷损伤等）的齿轮动力学乃是系统设计的基础。
（4）结构设计。结构设计是确定齿轮各部分尺寸、形状、加工工艺要求、材料热处理方法等，完成加工齿轮所需的图纸。齿轮结构取决于齿轮的尺寸、材料、制造方法和齿轮与其它零件联接的方式。

可靠性设计
应用概率和统计理论对系统、机器或零件，在规定时间（寿命）内和规定使用条件下，能稳定工作的程度或性质进行评定，称为可靠性设计。
在常规机构设计中，有关寿命和强度的评定，是以设计数据的均值为准则的。但由于材料、工艺、结构和使用等很多随机因素的影响，不论机械零件的强度和寿命，还是载荷和应力均呈一定统计分布状态。应用概率和统计理论进行可靠性设计，较常规设计更符合实际情况。所以可靠性设计得到广泛应用和发展。
在设计齿轮时，不同的使用场合，对齿轮的可靠性有不同的要求。齿轮工作的可靠性要求是根据其重要程度、工作要求和维修难易等方面的因素综合考虑决定的。
目前，可靠性理论已开始用于机械设计，并且表明只用安全系数不能反映可靠性水平。但将各种设计参数作为随机变量处理，尚缺乏必要的资料。因此，齿轮承载能力的计算还是将设计参数作为确定值处理，仍然用安全系数或温度作为判据，而在选择安全系数时，应考虑可靠性要求。

优化设计
从多种设计方案中选出最优方案的设计方法。机械优化设计是在某项机械设计规定的各种设计限制条件下，优选设计参数，使某项或几项设计指标获得最优值。亦即，机械优化设计是解决设计方案参数的最佳选择问题。
齿轮传动的优化设计主要讨论各种齿轮减速箱、齿轮增速箱和齿轮变速箱的优化设计。目前研究的内容大体可分为如下三个方面：关于一对齿轮传动的优化设计问题；减速箱、增速箱和变速箱的优化设计问题；齿轮副和齿轮系统的动态性能的优化设计问题。

计算机辅助设计
利用计算帮助设计人员有效地进行设计的方法称为计算机辅助设计，英文简称CAD。CAD是一门年轻、发展迅速的技术。一个CAD系统应包括：1）零件的结构设计程序；2）零件的特性计算程序；3）图形显示和自动绘制程序。
齿轮强度计算过程极其麻烦，如果利用CAD技术，编制电算程序（EDP）就可大大加快设计速度，并能取得相当高的计算精度。GB3480—83已有编好的电算程序可供使用。

有限单元法
有限单元法（FEM）是连续介质力学的一种数值解法。它起源于土木工程，是从结构的“矩阵解法”引伸出来的。它不仅适用于应力分析，而且能应用于一切被称为“场”的问题。
齿轮轮齿的形状和受载情况较复杂，用常规的材料力学或弹性力学方法进行应力分析，往往不能对其应力分布规律作出正确估计，这种过去认为难于解决的应力分析问题，用有限单元法能得到满意的结果。且具有计算迅速、可靠的优点，所以受到齿轮研究和设计人员的重视。

边界元法
边界元法（BEM）昌求解微分方程的一种数值解法，它利用格林公式或加权余数法建立积分方程，并利用基本解区域积分，使积分仅在解域边界进行，从而使问题的维数降低一维，减少了计算量，而且计算精度也较高。它比有限元法有更大的直接性，非常适合大应力梯度的边界应力问题。因此，边界元法目前在许多领域中得到广泛应用。
由于在弹性力学和传热学中边界元法的应用相当成功，所以在齿轮弹性流体动压润滑问题中，边界元法将得到应用。齿面接触应力和齿根弯曲应力，均为大应力梯度的边界应力问题。用边界元求解能获得准确可靠的解答。

断裂力学
断裂力学是研究带有裂纹的固体力学。它主要研究裂纹尖端应力场处，在循环载荷作用下的裂纹发展规律。可分为线性断裂力学和弹性断裂力学。
轮齿的断裂和点蚀是齿轮的两种普通的失效形式。轮齿的断裂可表现为疲劳折断、过载折断和随机折断等多种形式。点蚀和剥落实质上是裂纹发展的结果，在某种意义上说，也是一种断裂现象。将断裂力学应用于齿轮的强度分析，国内外一些学者作了大量工作，但这仅仅是个开始。由于材料力学在分析高强度齿轮承载能力时表现得明显不足，因此可以期望在不久的将来，断裂力学在分析大尺寸、高强度齿轮方面将首先有所突破。

诺模图
根据一定的几何条件，将一个数学方程式的几个变量之间的函数关系，画成相应具有刻度的直线或曲线表示的计算图表。它使用方便，求解迅速，可避免大量重复计算，因此在机械设计中得到广泛应用。诺模图又名快速计算图。它在齿轮传动几何尺寸计算和强度计算中得到广泛应用。青岛机械研究所刘光启绘制的《齿轮快速计算图》，包括齿轮一般计算、圆柱齿轮、圆锥齿轮、蜗杆传动、齿轮变位等五类诺模图，可供齿轮设计人员使用。