齒輪傳動

1 特點

　　齒輪傳動是利用兩齒輪的輪齒相互嚙合傳遞動力和運動的機械傳動。按齒輪軸線的相對位置分平行軸圓柱齒輪傳動、相交軸圓錐齒輪傳動和交錯軸螺旋齒輪傳動。具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、壽命長等特點。

　　齒輪傳動是指用主、從動輪輪齒直接傳遞運動和動力的裝置。

　　在所有的機械傳動中，齒輪傳動應用最廣，可用來傳遞相對位置不遠的兩軸之間的運動和動力。

　　齒輪傳動的特點是：齒輪傳動平穩(wěn)，傳動比精確，工作可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、壽命長，使用的功率、速度和尺寸范圍大。例如傳遞功率可以從很小至幾十萬千瓦；速度最高可達300m/s；齒輪直徑可以從幾毫米至二十多米。但是制造齒輪需要有專門的設備，嚙合傳動會產(chǎn)生噪聲。

2 類型

　?、鸥鶕?jù)兩軸的相對位置和輪齒的方向，可分為以下類型：

　　<1>直齒圓柱齒輪傳動；

　　<2>斜齒圓柱齒輪傳動

　　<3>；人字齒輪傳動；

　　<4>；錐齒輪傳動；

　　<5>；交錯軸斜齒輪傳動。

　?、聘鶕?jù)齒輪的工作條件，可分為：

　　<1>；開式齒輪傳動式齒輪傳動，齒輪暴露在外，不能保證良好的潤滑。

　　<2>；半開式齒輪傳動，齒輪浸入油池，有護罩，但不封閉。

　　<3>；閉式齒輪傳動，齒輪、軸和軸承等都裝在封閉箱體內(nèi)，潤滑條件良好，灰沙不易進入，安裝精確，

　　齒輪傳動有良好的工作條件，是應用最廣泛的齒輪傳動。

　　齒輪傳動可按其軸線的相對位置分類。

　　齒輪傳動按齒輪的外形可分為圓柱齒輪傳動、錐齒輪傳動、非圓齒輪傳動、齒條傳動和蝸桿傳動。

　　按輪齒的齒廓曲線可分為漸開線齒輪傳動、擺線齒輪傳動和圓弧齒輪傳動等。由兩個以上的齒輪組成的傳動稱為輪系。根據(jù)輪系中是否有軸線運動的齒輪可將齒輪傳動分為普通齒輪傳動和行星齒輪傳動，輪系中有軸線運動的齒輪就稱為行星齒輪。齒輪傳動按其工作條件又可分為閉式、開式和半開式傳動。把傳動密封在剛性的箱殼內(nèi)，并保證良好的潤滑，稱為閉式傳動，較多采用，尤其是速度較高的齒輪傳動，必須采用閉式傳動。開式傳動是外露的、不能保證良好的潤滑，僅用于低速或不重要的傳動。半開式傳動介于二者之間。

　　嚙合定律齒輪傳動的平穩(wěn)性要求在輪齒嚙合過程中瞬時傳動比i=主動輪角速度/從動輪角速度=ω1/ω2=常數(shù)，這個要求靠齒廓來保證。圖2表示兩嚙合的齒廓E1和E2在任意點K接觸，過K點作兩齒廓的公法線N1N2，它與連心線O1O2交于C點。兩齒廓嚙合過程中保持接觸的條件是齒廓E1上的K點速度vK1和齒廓E2上的K點速度vK2在公法線N1N2方向的分速度相等，即vKn1=vKn2=vKn。由O1和O2分別向N1N2線作垂線交于N1和N2點。上式表明，兩輪齒廓必須符合下述條件："兩輪齒廓不論在任何位置接觸，過接觸點的公法線必須過連心線上的定點C──節(jié)點。"這就是圓形齒輪的齒廓嚙合基本定律。能滿足該定律的曲線有很多，實際上還要考慮制造、安裝和承載能力等方面的要求，一般只采用漸開線、擺線和圓弧等幾種曲線作齒輪的工作齒廓，其中大部分為漸開線齒廓。

　　對漸開線齒輪來說圖2中的分別是輪1和輪2的基圓半徑rb1、rb2。N1N2線是兩個基圓的內(nèi)公切線，即兩齒廓任意接觸點的公法線與其重合。因為兩基圓在一個方向只有一條內(nèi)公切線，所以任意接觸點的公法線都通過定點C，這表明用漸開線作齒廓符合齒廓嚙合基本定律。

　　以O1、O2為圓心過節(jié)點C所繪的兩個圓互稱節(jié)圓。輪1的節(jié)圓半徑，輪2的節(jié)圓半徑漸開線齒輪具有下述特性：①N1N2是兩齒廓接觸點的軌跡，稱為嚙合線，它是一條直線。②過節(jié)點C作

　　兩節(jié)圓的公切線tt，它與嚙合線N1N2間的夾角α′稱為嚙合角，它是常數(shù)。③齒面間的壓力總是沿著接觸點的公法線N1N2方向，所以漸開線齒輪在傳遞動力時齒面間的壓力方向不變。④傳動比與兩輪基圓半徑成反比。齒輪制成后，基圓是確定的，因此在運轉(zhuǎn)中即使中心距與設計的有點偏差，也不會影響傳動比，這一特性稱為傳動的可分性，它對齒輪的加工、裝配及維修十分有利。⑤兩齒廓僅在節(jié)點C接觸時齒面間無滑動，而在其他點接觸時齒面間皆有滑動，且距節(jié)點愈遠，滑動愈大。⑥由于漸開線齒輪可以和直線齒廓的齒條相嚙合，故它可以用直線齒廓的刀具展成加工，刀具容易制造，且加工精度可以高。

　　重合度重合度是影響齒輪能否連續(xù)傳動的重要參數(shù)。如圖2所示，輪齒嚙合是由主動輪的齒根與從動輪的齒頂接觸開始的，即從動輪的齒頂圓與嚙合線的交點A是嚙合的開始點。隨著輪1的轉(zhuǎn)動，推動著輪2旋轉(zhuǎn)，接觸點沿著嚙合線移動，當接觸點移到輪1的齒頂圓與嚙合線的交點E時（圖中虛線位置），這時齒廓嚙合終止，兩齒廓開始分離，E點是嚙合終止點，是實際嚙合線長。如果前一對齒還在E點以前的D點接觸，后一對齒已于A點接觸，這時傳動是連續(xù)的；如果前一對齒已于E點離開，而后一對齒尚未進入嚙合，這時傳動就出現(xiàn)中斷。考慮齒輪的制造、安裝誤差及變形的影響，實際中常要求ε≥1.1～1.4。重合度愈大，傳動愈平穩(wěn)。以上所述是指的圓柱齒輪的端面重合度，對斜齒圓柱齒輪尚有縱向重合度。

　　一對齒輪能夠正確的嚙合的條件是二者必須模數(shù)相等、壓力角相等。

3 設計準則

　　針對齒輪五種失效形式，應分別確立相應的設計準則。但是對于齒面磨損、塑性變形等，由于尚未建立起廣為工程實際使用而且行之有效的計算方法及設計數(shù)據(jù)，所以設計齒輪傳動時，通常只按保證齒根彎曲疲勞強度及保證齒面接觸疲勞強度兩準則進行計算。對于高速大功率的齒輪傳動（如航空發(fā)動機主傳動、汽輪發(fā)電機組傳動等），還要按保證齒面抗膠合能力的準則進行計算（參閱GB6413－1986）。至于抵抗其它失效能力，雖然一般不進行計算，但應采取的措施，以增強輪齒抵抗這些失效的能力。

　　1、閉式齒輪傳動

　　由實踐得知，在閉式齒輪傳動中，通常以保證齒面接觸疲勞強度為主。但對于齒面硬度很高、齒芯強度又低的齒輪（如用20、20Cr鋼經(jīng)滲碳后淬火的齒輪）或材質(zhì)較脆的齒輪，通常則以保證齒根彎曲疲勞強度為主。如果兩齒輪均為硬齒面且齒面硬度一樣高時，則視具體情況而定。

　　功率較大的傳動，例如輸入功率超過75kW的閉式齒輪傳動，發(fā)熱量大，易于導致潤滑不良及輪齒膠合損傷等，為了控制溫升，還應作散熱能力計算。

　　2、開式齒輪傳動

　　開式（半開式）齒輪傳動，按理應根據(jù)保證齒面抗磨損及齒根抗折斷能力兩準則進行計算，但如前所述，對齒面抗磨損能力的計算方法迄今尚不夠完善，故對開式（半開式）齒輪傳動，僅以保證齒根彎曲疲勞強度作為設計準則。為了延長開式（半開式）齒輪傳動的壽命，可視具體需要而將所求得的模數(shù)適當增大。

　　前已述之，對于齒輪的輪圈、輪輻、輪轂等部位的尺寸，通常僅作結(jié)構(gòu)設計，不進行強度計算。

4 齒輪傳動類型

　　1.圓柱齒輪傳動

　　用于平行軸間的傳動，一般傳動比單級可到8，最大20，兩級可到45，最大60，三級可到200，最大300。傳遞功率可到10萬千瓦，轉(zhuǎn)速可到10萬轉(zhuǎn)/分，圓周速度可到300米/秒。單級效率為0.96～0.99。直齒輪傳動適用于中、低速傳動。斜齒輪傳動運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，適用于中、高速傳動。人字齒輪傳動適用于傳遞大功率和大轉(zhuǎn)矩的傳動。圓柱齒輪傳動的嚙合形式有3種：外嚙合齒輪傳動，由兩個外齒輪相嚙合，兩輪的轉(zhuǎn)向相反；內(nèi)嚙合齒輪傳動，由一個內(nèi)齒輪和一個小的外齒輪相嚙合，兩輪的轉(zhuǎn)向相同；齒輪齒條傳動，可將齒輪的轉(zhuǎn)動變?yōu)辇X條的直線移動，或者相反。

　　2.錐齒輪傳動

　　用于相交軸間的傳動。單級傳動比可到6，最大到8，傳動效率一般為0.94～0.98。直齒錐齒輪傳動傳遞功率可到370千瓦，圓周速度5米/秒。斜齒錐齒輪傳動運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，齒輪承載能力較高，但制造較難，應用較少。曲線齒錐齒輪傳動運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，傳遞功率可到3700千瓦，圓周速度可到40米/秒以上。

　　3.雙曲面齒輪傳動

　　用于交錯軸間的傳動。單級傳動比可到10，最大到100，傳遞功率可到750千瓦，傳動效率一般為0.9～0.98，圓周速度可到30米/秒。由于有軸線偏置距，可以避免小齒輪懸臂安裝。廣泛應用于汽車和拖拉機的傳動中。

　　4.螺旋齒輪傳動

　　用于交錯間的傳動，傳動比可到5，承載能力較低，磨損嚴重，應用很少。

　　5.蝸桿傳動

　　交錯軸傳動的主要形式，軸線交錯角一般為90°。蝸桿傳動可獲得很大的傳動比，通常單級為8～80，用于傳遞運動時可達1500；傳遞功率可達4500千瓦；蝸桿的轉(zhuǎn)速可到3萬轉(zhuǎn)/分；圓周速度可到70米/秒。蝸桿傳動工作平穩(wěn)，傳動比準確，可以自鎖，但自鎖時傳動效率低于0.5。蝸桿傳動齒面間滑動較大，發(fā)熱量較多，傳動效率低，通常為0.45～0.97。

　　6.圓弧齒輪傳動

　　用凸凹圓弧做齒廓的齒輪傳動。空載時兩齒廓是點接觸，嚙合過程中接觸點沿軸線方向移動，靠縱向重合度大于1來獲得連續(xù)傳動。特點是接觸強度和承載能力高，易于形成油膜，無根切現(xiàn)象，齒面磨損較均勻，跑合性能好；但對中心距、切齒深和螺旋角的誤差敏感性很大，故對制造和安裝精度要求高。

　　7.擺線齒輪傳動

　　用擺線作齒廓的齒輪傳動。這種傳動齒面間接觸應力較小，耐磨性好，無根切現(xiàn)象，但制造精度要求高，對中心距誤差十分敏感。僅用于鐘表及儀表中。

　　8.行星齒輪傳動

　　具有動軸線的齒輪傳動。行星齒輪傳動類型很多，不同類型的性能相差很大，根據(jù)工作條件合理地選擇類型是非常重要的。常用的是由太陽輪、行星輪、內(nèi)齒輪和行星架組成的普通行星傳動，少齒差行星齒輪傳動，擺線針輪傳動和諧波傳動等。行星齒輪傳動一般是由平行軸齒輪組合而成，具有尺寸小、重量輕的特點，輸入軸和輸出軸可在同一直線上。其應用愈來愈廣泛。