齒輪傳動

1 特點(diǎn)

　　齒輪傳動是利用兩齒輪的輪齒相互嚙合傳遞動力和運(yùn)動的機(jī)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(cuò)軸螺旋齒輪傳動。具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、壽命長等特點(diǎn)。

　　齒輪傳動是指用主、從動輪輪齒直接傳遞運(yùn)動和動力的裝置。

　　在所有的機(jī)械傳動中，齒輪傳動應(yīng)用最廣，可用來傳遞相對位置不遠(yuǎn)的兩軸之間的運(yùn)動和動力。

　　齒輪傳動的特點(diǎn)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(dá)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(shè)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(cuò)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(hù)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(jìn)入，安裝精確，

　　齒輪傳動有良好的工作條件，是應(yīng)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(gè)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(yùn)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(yùn)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(shí)傳動比i=主動輪角速度/從動輪角速度=ω1/ω2=常數(shù)，這個(gè)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(diǎn)K接觸，過K點(diǎn)作兩齒廓的公法線N1N2，它與連心線O1O2交于C點(diǎn)。兩齒廓嚙合過程中保持接觸的條件是齒廓E1上的K點(diǎn)速度vK1和齒廓E2上的K點(diǎn)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(diǎn)。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(diǎn)的公法線必須過連心線上的定點(diǎn)C──節(jié)點(diǎn)。"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(shí)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(gè)基圓的內(nèi)公切線，即兩齒廓任意接觸點(diǎn)的公法線與其重合。因?yàn)閮苫鶊A在一個(gè)方向只有一條內(nèi)公切線，所以任意接觸點(diǎn)的公法線都通過定點(diǎn)C，這表明用漸開線作齒廓符合齒廓嚙合基本定律。

　　以O(shè)1、O2為圓心過節(jié)點(diǎn)C所繪的兩個(gè)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(diǎn)的軌跡，稱為嚙合線，它是一條直線。②過節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的公法線N1N2方向，所以漸開線齒輪在傳遞動力時(shí)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(yùn)轉(zhuǎn)中即使中心距與設(shè)計(jì)的有點(diǎn)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(diǎn)C接觸時(shí)齒面間無滑動，而在其他點(diǎn)接觸時(shí)齒面間皆有滑動，且距節(jié)點(diǎn)愈遠(yuǎn)，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(diǎn)A是嚙合的開始點(diǎn)。隨著輪1的轉(zhuǎn)動，推動著輪2旋轉(zhuǎn)，接觸點(diǎn)沿著嚙合線移動，當(dāng)接觸點(diǎn)移到輪1的齒頂圓與嚙合線的交點(diǎn)E時(shí)（圖中虛線位置），這時(shí)齒廓嚙合終止，兩齒廓開始分離，E點(diǎn)是嚙合終止點(diǎn)，是實(shí)際嚙合線長。如果前一對齒還在E點(diǎn)以前的D點(diǎn)接觸，后一對齒已于A點(diǎn)接觸，這時(shí)傳動是連續(xù)的；如果前一對齒已于E點(diǎn)離開，而后一對齒尚未進(jìn)入嚙合，這時(shí)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(shí)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(shè)計(jì)準(zhǔn)則

　　針對齒輪五種失效形式，應(yīng)分別確立相應(yīng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)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(shí)際使用而且行之有效的計(jì)算方法及設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，所以設(shè)計(jì)齒輪傳動時(shí)，通常只按保證齒根彎曲疲勞強(qiáng)度及保證齒面接觸疲勞強(qiáng)度兩準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算。對于高速大功率的齒輪傳動（如航空發(fā)動機(jī)主傳動、汽輪發(fā)電機(jī)組傳動等），還要按保證齒面抗膠合能力的準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算（參閱GB6413－1986）。至于抵抗其它失效能力，雖然一般不進(jìn)行計(jì)算，但應(yīng)采取的措施，以增強(qiáng)輪齒抵抗這些失效的能力。

　　1、閉式齒輪傳動

　　由實(shí)踐得知，在閉式齒輪傳動中，通常以保證齒面接觸疲勞強(qiáng)度為主。但對于齒面硬度很高、齒芯強(qiáng)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(qiáng)度為主。如果兩齒輪均為硬齒面且齒面硬度一樣高時(shí)，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(dǎo)致潤滑不良及輪齒膠合損傷等，為了控制溫升，還應(yīng)作散熱能力計(jì)算。

　　2、開式齒輪傳動

　　開式（半開式）齒輪傳動，按理應(yīng)根據(jù)保證齒面抗磨損及齒根抗折斷能力兩準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算，但如前所述，對齒面抗磨損能力的計(jì)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(qiáng)度作為設(shè)計(jì)準(zhǔn)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(dāng)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(shè)計(jì)，不進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)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(yùn)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(gè)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(gè)內(nèi)齒輪和一個(gè)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(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，齒輪承載能力較高，但制造較難，應(yīng)用較少。曲線齒錐齒輪傳動運(yùn)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(cuò)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(yīng)用于汽車和拖拉機(jī)的傳動中。

　　4.螺旋齒輪傳動

　　用于交錯(cuò)間的傳動，傳動比可到5，承載能力較低，磨損嚴(yán)重，應(yīng)用很少。

　　5.蝸桿傳動

　　交錯(cuò)軸傳動的主要形式，軸線交錯(cuò)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(yùn)動時(shí)可達(dá)1500；傳遞功率可達(dá)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(zhǔn)確，可以自鎖，但自鎖時(shí)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?？蛰d時(shí)兩齒廓是點(diǎn)接觸，嚙合過程中接觸點(diǎn)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(diǎn)是接觸強(qiáng)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(yīng)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(diǎn)，輸入軸和輸出軸可在同一直線上。其應(yīng)用愈來愈廣泛。