background image

 

 

CHAPTER 2 

Gears 

 
2.1 Introduction:
 

Toothed gears are used in machines to transmit 

  Rotary motion (various speed, multi-outputs in different directions) 

  Torques or power (gears resist higher against torque) 

 

Teeth need to be specially shaped to allow smooth engagement, Figure 1. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Figure 1: Spur gears. 

 

 
2.2 Types of Gears: 

It is conventional to classify gears as follows, Figure 2: 

a.  Spur  gears:  This  is  the  simplest  form  of  gear  for  transmitting  motion  between  two 

parallel shafts. 

b.  Helical  gears:  These  gears  are  similar  to  spur  gears  except  that  the  teeth  are  helical 

rather  than  straight.  The  disadvantage  is  that  an  undesirable  side  thrust  is  introduced. 

Herringbone gears have the smooth action of helical gears without their undesirable side 

thrust, but they are expensive to produce. 

c.  Bevel gears: These gears are conical rather than cylindrical in form. Their main function 

is to transmit motion around corners. They are in several forms (straight, spiral, skew,). 

d.  Worm gears:  

 

n  Large speed reduction in a relatively small space 

n  Have a self-looking 


background image

 

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 

 

Figure 2: Gear types.  

 

(a) 


background image

 

 

2.3 Spur Gear 

 

2.3.1 Wheel (Gear) and Pinion 

 

when two gears are in mesh (mating), then the larger one called the wheel or gear, and the 

smaller are called the pinion. Capital and small letters respectively denote the quantities related 

to gear and pinion. The pinion generally is the driver. 

 

  Pitch Circle or Diameter (D, d): It is an imaginary circle which by pure rolling action, 

would give the same motion as the actual gear. The pitch diameter is the diameter of the 

pitch circle (p.c), Figure 3. The size of the gear is usually specified by the p.c diameter.  

 

 

 

 

 

 

 

Figure 3: Pitch circle diameter 

 

  Number of Teeth (T, t): Must be an integer value 

Let T and t are the number of teeth of gear and pinion respectively.  

 

 

 

where 

 and 

ω

 are the angular speed of the gear and pinion respectively. The pitch circle radii 

are denoted by R and r for the gear and pinion respectively. 

  Pitch point: If two gears are in mesh, then there is a point which is located on the line 

joining the centers, and has the same velocity relative to each center. 

 

 

 

 

 

T

t

D

d

=

=

ω

Vp 

Pinion 

Gear 

O

1

 

O

2

 

 

ω

 

Vp = 

*(O

2

P) = 

ω

*(O

1

P) 


background image

 

 

  Circular Pitch p: It is the distance between a point on one tooth and the corresponding 

point on an adjacent tooth, measured along p.c 

 

 

  Diametral Pitch (P

d

): or simply pitch, of a gear is an expression of tooth size. It is the 

number of teeth per (mm) or inch of pitch diameter. Therefore the larger numerical value 

of P

d

, the smaller the teeth, Figure 4. 

 

 

• 

Pressure Angle (

φ)

:

  It is the  angle 

between  the  common  normal  to 

two  gear  teeth  at  the  point  of 

contact  and  the  common  tangent 

at  the  pitch  point,  Figure  5.  The 

common 

normal 

called 

the 

pressure line which is always pass 

through pitch point.  

 

 

 

 

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

p = 

π*D/T = π*d/t 

P

d

 = T/D = t/d 

Figure 4: Standard gear-teeth size (diametral pitch).

 

Figure 5: Pressure angle. 

(Common tangent) 

(Common normal) 


background image

 

The Standard values of the pressure angles are, Figure 6: 

φ = 14½°, 20°, 25° 

 

 

 

 
 
 
 
 
 

Figure 6: Standard values of the pressure angles 

 
Mating gears must have same pressure angle and 
diametral pitch. 
 
 

  Module m: The module is the index of tooth size in SI and it is the reciprocal of the 

diametral pitch, that is  

 

 

 
The mating gears must have the same module m. 
 

  Distance between gear centers:  

m = 2R/T = 2R/t ; 

 R = m*T/2; and r = m*t/2   

 

For external mating: 

 

 

 

 

For internal mating: 

 

 

 

Example 1: 

Two mating external 4-pitch, spur gears have 14 and 42 teeth. Determine the center distance. 

 

 Base circle: The involute curves forming the tooth profiles are drawing from the 

base circle. It is always tangent to the pressure line, Figure 7.  

 

 

  Addendum circles: They are the outer circles of radius R

a

 and r

a

, Figure 7. 

 
 
 

  Dedendum circles: They are the root circles of radius R

d

, and r

d

 

 

m = D/T = d/t = 2R/T = 2r/t = 1/P

d

 = p/

π

 

O

1

O

2

 = c = (R + r) = m*(T+t)/2 

O

1

O

2

 = c = (R - r) = m*(T-t)/2 

R

b

 = R *cos 

φ

;    r

b

 = r * cos 

φ

  

Addenda (a) = R

a

 – R = r

a

 - r 


background image

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  
 

 

 

 

 

 

 

 

 
 
 
 
 
 
 

Figure 7: Spur gear terminology 

 
 

I

1

 

I

2

 

r

b

 

 

I  

R

φ 

φ 

Pressure Angle 

φ 

Addendum 

Addendum Circle 


background image

 

 

 

  Working depth:  is the summation of the addenda for the mating gears. 

 

 

 

  Gear ratio (e): is the driven speed to driving speed 

 
If the pinion is the driver 

 e = 

/

ω

 = r/R = d/D = t/T 

 1 

If the gear is the driver  

 e = 

ω

/

 = R/r = D/d = T/t 

 1 

  Standard proportions: 

  m = 1/ P

d

 = a 

  b  = 1.25/ P

d

 = 1.25*m 

  W.D = 2/ P

d

 = 2*m = 2*a 

 

φ

 = 20° 

  Standard modules (mm) 

q  0.5 

 6.5   step 0.5 

q  7.0 

 16.0  step 1 

q  18, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50. 
 

  Face Width: 

  
 

 
Example 2: 
A 20°, full-depth, involute spur gear with 18 teeth has a diametral pitch of 12. Determine: 
ü Outside (addendum) diameter. 
ü Root (dedendum) diameter. 
ü Standard face width. 
ü Base circle diameter. 
ü Circular pitch. 
 

Solution: 

P

d

= 12 = T/D 

D = 1.5 in;  R = D/2 = 0.75 in 
a = 1/P

d

 = 1/12 in 

  

R

a

= R + a = 10/12 = 0.8333 in 

  

D

a

= 2*R

a

 = 1.6667 in 

R

d

 = R – a = 0.666 in 

  

D

d

 = 2*R

d

 = 1.333 in 

F = 12/P

d

 = 1 in 

R

b

 = R*cos

φ

 = 0.7047 in 

 

D

b

 = 2*R

b

 = 1.4094 in 

p = 

π

*D/T = 0.2618 in/teeth 

 

W.D = 2*a

 

= 12/P

d

 


background image

 

 

common line 

C

on

tac

t li

ne

ϖ

ς

r

R

O

2

O

1

φ

φ

addendum 
circle

pitch 

circle

Base 
circle

Base 
circle

pitch 

circle

B

I

1

A

I

2

r

a

r

b

R

a

R

b

gear driven

Pinion driver

addendum 
circle

P

φ

2.3.2 Contact specifications: 

2.3.2.1 Path of contact (AB): 

A- Beginning of contact (intersection of contact line with the addendum circle of driven). 

B- End of contact (intersection of contact line with the addendum circle of driver). 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Figure 8: Path of contact in spur gear. 

 
When the pinion is the driver: 

 

  Path of approach AP: 

 

 

 

 

  Path of recess PB: 

 

 

 
 

  Path of contact 

 

 

 

(

)

φ

φ

sin

cos

2

2

2

R

R

R

AP

a

=

(

)

φ

φ

sin

cos

2

2

2

r

r

r

PB

a

=

(

) (

)

φ

φ

φ

sin

)

(

cos

cos

2

2

2

2

2

2

r

R

r

r

R

R

AB

a

a

+

+

=


background image

 

 

2.3.2.2 Length of arc of contact and contact ratio: 

  Arc of contact: It is the distance along the p.c from the teeth at the first point of contact 

to the teeth at the last point of contact. 

 

 

 

 

 

 

 

  Contact ratio: is a ratio of arc of contact to the circular pitch, it represents the number of 

pairs of teeth in contact  

 
 
 
 
 
2.3.2.3 Velocity of sliding: 

It is the velocity of one tooth relative to its mating tooth along the common tangent at the point 

of contact. Assume C is a point of contact between A and B. 

 

 

Note  that  at  pitch  point,  V

s

  is  zero  and  the  maximum  or  minimum  velocity  of  sliding  is  at 

maximum or minimum path of approach or path of recess. 

 
Example 3: Two gear of 4.5 module have 24 and 33 teeth respectively. The pressure angle is 

20° and each gear has a standard addendum of 1 module. Find the length of the arc of contact 

and the maximum sliding velocity if the speed of the smaller gear is 120 rpm.  

 

Solution: 

m = 1/P

d

 = D/T = d/t 

 r = (4.5 *24)/2 = 54 mm  and R = (4.5 * 33)/2 = 74.25 mm 

Addendum = 4.5 mm 

 

 r

a

 = 54 + 4.5 + 58.5 mm and R

a

 = 74.75 + 4.5 = 78.75 mm 

Assuming the pinion to be the driver; 

φ

cos

AB

contact

of

Arc

=

φ

cos

PB

recess

of

Arc

=

φ

cos

AP

approach

of

Arc

=

p

contact

of

Arc

ratio

Contact

=

(

)

PC

V

sliding

of

Velocity

s

*

)

(

ω

+

=


background image

 

 

Path of approach = 

(

)

φ

φ

sin

R

cos

R

R

AP

2

2

2

a

=

= 11.14 mm 

Path of recess = 

(

)

φ

φ

sin

cos

2

2

2

r

r

r

PB

a

=

= 10.67 mm 

∴   Path of contact = AP = AP + PB = 11.14 + 10.67 = 21.81 mm 

  

Arc of contact = path of contact / cos

φ

 = 21.81/ cos 20° = 23.18 mm 

 

Velocity of sliding = (

 + 

ω

) * PC 

The maximum value of PC is the path of approach, i.e. 11.14 mm 

ω

 = 2

π

*120/60 = 12.57 rad/s 

 = 12.57*24/33 = 9.14 rad/s 

  

Maximum velocity of sliding = (12.57 + 9.14) *11.14 = 242 mm/s 

 

Example 4

Two mating external 4-pitch, spur gears have 18 and 42 teeth. Determine the contact ratio. 

 

• 

Interference 

ü Gears with too few teeth. 
ü Top of one gear digs into base of the other. 
ü Use table 10.4 to check.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Example: 
Two mating 20°, 4-pitch, spur gears have 12 and 42 teeth. Will they interfere? 
 
 


background image

 

 

Gears Examples: 
 
1. Two mating spur gears have external center distance must be 7.5 in, and it is desired that the 

follower  (driven  or  gear)  rotate  as  close  to  720  RPM  as  possible  when  the  driver  (pinion) 

rotates at 1850 RPM. Find the pitch diameters, numbers of teeth, and diametral pitch for these 

two gears. 

 

Solution: 

Gear ratio or velocity ratio or speed ratio is: 

e = 

/

ω

 = 720/1850 = 1/2.565 

also   

e = d/D = 1/2.565 

 

 

R + r = C 

 D + d = 2C = 15 

 

 

  

d = 15/3.565 in 

and       

D = 38.475/3.565 in 

 

     

D = T/P

d

  

and d = t/P

d

 

Let    

T = 38.48 teeth 

      

 

 t = 15 teeth 

and    

P

d

 = 3.565 teeth/in 

 

Such a solution is not practical for it involves fractions of teeth on a gear (impossible) and it 

involves a decimal diametral pitch (must undesirable). 

Then multiply all of these values by a number that will make P

d

 an integer. Let P

d

 = 4. 

  

T = P

d

*d = 4*38.475/3.565 = 43.169 

 43 teeth 

      

 

t = 4*15/3.565 = 16.83 

 17 teeth 

then    

D = T/P

d

 = 10.75 in 

          

d = t/P

d

 = 4.25 in 

To check 

 

 

C = (D + d)/2 = 7.5 in 

or 

 

C =  (T + t)/2 = 7.5 in 

 

 

e = t/T = d/D = 

/

ω

 = 17/43 = 1/2.53 

 

 = 731 rpm 


background image

 

 

2.  Two  external  spur  gears  are  to  be  mounted  5.25  in  apart  and  have  a  gear  ration  (velocity 

ratio) of 1/6. Find the data (T, t, P

d

, D, and d) for the two mentioned gears. Neither gear is to 

have fewer than 15 teeth, and if  

ω

 = 1000 rpm, find 

.  

 

Solution: 

 

 

C = (D + d)/2 = 10.5 in 

  

D + d = 10.5 in 

 

 

e = 1/6 = d/D = 

/

ω

 = t/T 

 

  

D = 6*d 

Therefore,   d = 10.5/7 = 1.5 in 

and    

D = 9 in 

Let    

t = 15 teeth 

  

T = 6*15 = 90 teeth 

and    

D = T/P

d

  

 P

d

 = T/D = t/d = 10 teeth/in 

      

 

/

ω

 = d/D = 1/6 

 

 = 

ω

 /6 

If  

 

ω

 = 1000 rpm (for example) 

 

 = 1000/6 = 167 rpm 

 

3. A gear wheel has involutes teeth, the pressure angle being 20°. There are 18 teeth, module 

12, and the wheel rotates at 250 rpm. If this wheel meshes with one having 30 teeth, find (a) the 

length  of  the  line  contact,  and  (b)  the  maximum  rubbing  velocity.  The  addendum  for  each 

wheel is equal to the module. 

 

Solution

(a) line of contact = path of contact = path of approach + path of recess  

m = D/T = d/t ; a = m = 12 mm 

 

D = m*T = 12*30 = 360 mm 

 

R = 180 mm 

d = m*t = 12*18 = 216 mm 

r = 108 mm 


background image

 

 

R

a

 = a + R = 12 + 180 = 192 mm 

r

a

 = a + r = 12 + 108 = 120 mm 

  

Path of approach = 

(R

a

2

- R

2

*cos

2

φ

) – R*sin

φ

 = 29.288 mm 

Path of recess = 

(r

a

2

- r

2

*cos

2

φ

) – r*sin

φ

 = 27.095 mm 

  

Line of contact = 29.288 + 27.095 = 56.38838 mm 

(b)  Max. rubbing velocity = ( 

 + 

ω

 ) *Path of approach 

e = 

/

ω

 = t/T 

ω

 = 2

π

*250/60 = 26.18 rad/s 

 

 = 

ω

 * t/T = 15.708 rad/s 

  

Max. rubbing velocity = (26.18 + 15.708) * 29.288 = 1226.8 mm/s = 1.2268 m/s

 

 

4. A pinion of 100 mm P.C.D drives a wheel (gear) of 250 mm P.C.D. The teeth are of involute 

form, pressure angle is 20°. If the addendum on each wheel is 5 mm, the pinion speed is 2000 

rpm. Find for the first point of contact the sliding velocity between the teeth. 

 

Solution: 

r = 50 mm; r

a

 = 55 mm; R = 125 mm; R

a

 = 130 mm 

At the first point of contact; means along the path of approach. Since the pinion is the driver 

Path of approach = 

(R

a

2

- R

2

*cos

2

φ

) – R*sin

φ

 = 12.63 mm 

ω

 = 2

π

*2000/60 = 209.439 rad/s 

 

 = 

ω

 * d/D = 83.7756 rad/s 

 

Sliding  velocity  =  (

  +

ω

)  *Path  of  approach  =  (209.439  +  83.7756)  *  12.63  =                

3700 mm/s = 3.7 m/s 

 

Gears Problems: 

1.  A spur gear set has a module of 4 mm and a velocity ratio of 2.8. The pinion has 20 teeth. 

Find the number of teeth on the driven gear, the pitch diameters and the center-to-center 

distance. 

2.  A 21 tooth spur pinion mates with a 28-tooth gear. The diametral pitch is 3 teeth/in and 

the pressure angle is 20°. Find the following results: the Addendum, Dedendum, circular 

pitch, base circle diameter, the length of the arc of approach, recess and the contact ratio. 


background image

 

 

3.  A 15-tooth  spur  pinion  has  a  module  of  3  mm  and  runs  at  a  speed  of  1600  RPM.  The 

driven  gear  has  60  teeth.  Find  the  speed  of  the  driven  gear,  the  circular  pitch,  and  the 

theoretical center-to-center distance.  

4.  A 17-tooth spur pinion has a diametral pitch of 8 teeth /in, runs at 1120 r/min, and drives 

a  gear  at  a  speed  of  544  RPM.  Find  the  number  of  teeth  on  the  gear  and  the  center-to 

center distance. 

5.  Two  mating  spur  gears  are  required  that  will  have  a  velocity  ratio  of  3:8.  Specify  the 

numbers  of  teeth,  pitch  diameters,  diametral  pitch,  and  center  distance  for  two  such 

gears. 

6.  A pinion having 20 involutes teeth of 6 module rotates at 200 rev/min and transmits 1.5 

kW to a gear wheel having 50 teeth; the addendum on both wheels is 1/4 of the circular 

pitch and the pressure angle is 20°. Find the length of the path of approach and of the arc 

of approach. 

7.  Two gears have teeth of 5 module, pressure angle of 20°, the number of teeth being 15 

and 20. The addendum is same in each gear. Find (a) the length of the addendum; (b) the 

contact ratio; (c) the sliding velocity at the first point of contact when the smaller wheel 

is driving at 3500 rev/min. 

8.  Two spur wheels with involutes teeth gear together externally. The pitch circle diameters 

(P.C.D) are 100 and 250 mm and the smaller wheel has 16 teeth. The pressure angle is 

20° and the addendum is 0.3 of the circular pitch. Determine: (a) the length of the arc of 

approach if the smaller wheel is the driver, (b) the maximum velocity of sliding between 

the teeth when driver rotates at 150 RPM. 




رفعت المحاضرة من قبل: ضرغام العزاوي
المشاهدات: لقد قام عضوان و 319 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل