任务描述

齿轮传动用于传动任意两轴之间的运动和动力，是现代机械中应用最广泛的传动形式之一，目前在机床和汽车变速器等机械中已普遍使用。

相关知识

一、齿轮传动的特点、应用及分类

齿轮传动是指用主、从动轮轮齿直接啮合，传递运动和动力的装置。在所有机械传动中，齿轮传动应用最广，可用来传递任意位置的两轴之间的运动和动力。齿轮传动平稳，传动比精确，工作可靠、效率高、寿命长，适用的功率、速度和尺寸范围大。传递功率可以从很小至十几万千瓦；速度最高可达300m/s；齿轮直径可以从几毫米至二十多米。但是制造齿轮需要有专门的设备，啮合传动会产生噪声。

齿轮传动的类型很多，根据两轴的相对位置和轮齿方向，可分为以下类型（如图7-1）：①圆柱齿轮传动；

图7-1　齿轮传动的类型

②圆锥齿轮传动；

③交错轴的蜗杆蜗轮传动。

根据齿轮传动的工作条件，可分为：

①开式齿轮传动，齿轮暴露在外，不能保证良好润滑；

②半开式齿轮传动，齿轮浸入油池，有护罩但不封闭。

③闭式齿轮传动，齿轮、轴和轴承等都装在封闭箱体内，润滑条件良好，灰沙不易进入，安装精确，齿轮传动有良好的工作条件，是应用最广泛的齿轮传动。

二、渐开线齿轮各部分名称、主要参数

在一个齿轮上，齿数、压力角和模数是几何尺寸计算的主要参数。

1.齿数（z）

一个齿轮的轮齿数目即齿数，是齿轮的最基本参数之一。当模数一定时，齿数愈多，齿轮的几何尺寸愈大，轮齿渐开线的曲率半径也愈大，齿廓曲线趋于平直。

2.压力角（α）

压力角是齿轮运动方向与受力方向所夹的锐角。通常所说的压力角是指分度圆上的压力角。压力角不同，轮齿的形状也不同。压力角已标准化，我国规定标准压力角是20°。

3.模数（m）

模数直接影响轮齿的大小、齿形和强度的大小。对于相同齿数的齿轮，模数愈大，齿轮的几何尺寸愈大，轮齿也大，承载能力也愈大，如图7-2所示。

图7-2　不同模数齿轮大小

国家对模数值规定了标准模数系列，如表7-1所示。

表7-1　标准模数系列表（GB/T1357—1987）（单位：mm）

注：选用模数时，应优先采用第一系列，其次是第二系列，括号内的模数尽量不用。

三、标准直齿圆柱齿轮的基本尺寸、计算

外啮合标准直齿圆柱齿轮各部分的名称和符号如图7-3所示。

图7-3　标准直齿圆柱齿轮各部分的符号

常用外啮合标准直齿圆柱齿轮几何尺寸的计算公式见表7-2。标准直齿圆柱齿轮压力角α=20°，齿顶高系数，顶隙系数c*=0.25；而短齿制的齿轮齿顶高系数，顶隙系数c*=0.3。

表7-2　外啮合标准直齿圆柱齿轮计算公式（单位：mm）

【例7-1】相啮合的一对标准直齿圆柱齿轮（压力角α=20°，齿顶高系数1，项隙系数c*=0.25），齿数z18=20，z2=32，模数m=10mm，试计算其分度圆直径d，顶圆直径da，根圆直径df，齿厚s，基圆直径db和中心距a。计算结果列于表7-3。

表7-3　计算结果（单位：mm）

四、渐开线齿轮的啮合传动、安装

图7-4为一对啮合的齿轮。设主动轮轮齿1推动从动轮轮齿2转动，其受力方向根据渐开线性质是沿两轮齿接触点（或称啮合点）P所做公法线并指向轮齿2。轮齿在啮合点P的运动方向是沿P点垂直于两齿轮中心连线的方向，这个受力方向与运动方向所夹的锐角α叫作啮合角。以两齿轮中心O1、O2为圆心，过两齿轮啮合点（也叫节点）P所作的两个相切的圆，叫作两齿轮的节圆。齿轮传动就相当于两个节圆柱做成的摩擦轮滚动。只有当两齿轮分度圆相切时啮合角才等于压力角。节圆与分度圆才会重合。否则分度圆、压力角就只是标准的，而节圆、啮合角是实际形成的。

图7-4　啮合的齿轮

为保证齿轮的正确安装，从理论上讲就是两齿轮在啮合线上齿距相等才能啮合，如图7-5所示。从渐开线的性质推理，可以证明必须模数和压力角相等，这样才能互不干涉，平稳传动。

图7-5　两齿轮的啮合(www.daowen.com)

一对渐开线直齿圆柱齿轮的正确啮合条件为：

①两齿轮的模数必须相等；

②两齿轮分度圆上的压力角必须相等，即

根据正确啮合条件，可以得到传动比的计算公式为

五、其他齿轮传动

1.斜齿圆柱齿轮传动的特点、应用和主要参数

斜齿圆柱齿轮传动和直齿圆柱齿轮传动一样，仅限于传递两平行轴之间的运动。直齿圆柱齿轮传动过程中，齿面总是沿平行于齿轮轴线的直线接触。这样，齿轮的啮合就是沿整个齿宽同时接触、同时分离，要求齿轮精度很高。斜齿圆柱齿轮齿面接触线是由齿轮一端齿顶开始，逐渐由短而长，再由长而短至另一端齿根为止，如图7-6所示。载荷的分配也是由小而大，由大而小，但同时啮合的齿数多。

图7-6　斜齿圆柱齿轮

斜齿轮传动有如下特点：

①传动平稳，冲击、噪声和振动小，适于高速传动；

②承载能力强，适于在重载情况下工作；

③不能作为变速滑移齿轮使用；

④传动时产生轴向力。

斜齿圆柱齿轮的主要参数：

斜齿圆柱齿轮的轮齿是倾斜的，但加工时与直齿圆柱齿轮一样，使用的是同一套标准刀具，所以它的参数就产生了垂直于齿轮端面与垂直于轮齿法面的两套参数，而以法面参数为标准值（如图7-7）。通常用Pn、mn、αn代表法向周节、法向模数、法向压力角；用Pt、mt、αt。代表端面周节、端面模数、端面压力角；在分度圆柱面展开图［图7-8（a）］中轮齿与轴线的夹角即为螺旋角β，则

图7-7　斜齿圆柱齿轮的主要参数

图7-8　斜齿轮分度圆柱面、法向和端面压力角

Pn=Ptcosβ，mn=mtcosβ

标准斜齿圆柱齿轮的压力角αn=20°，齿顶高系数，顶隙系数。

2.直齿圆锥齿轮传动的特点、应用和主要参数

锥齿轮传动应用于两轴线相交的场合，通常采用两轴交角∑=90°，如图7-9所示。它的轮齿是沿着圆锥表面的素线切出的。工作时相当于用两齿轮的节圆锥做成的摩擦轮进行滚动。两节圆锥锥顶必须重合，才能保证两节圆锥传动比一致。这样就增加了制造、安装的困难，并降低了圆锥齿轮传动的精度和承载能力，因此圆锥齿轮传动一般用于轻载、低速场合。

图7-9　直齿圆锥齿轮及主要参数

直齿锥齿轮的轮齿是均匀分布在锥体上的，它的齿形一端大，另一端小。为了测量和计算方便，以大端模数m作为标准模数，各部分尺寸计算以它为基本参数。标准直齿圆锥齿轮压力角α=20°，齿顶高系数，顶隙系数C*=0.2。

二、齿轮材料、结构、齿轮传动失效形式及维护

1.齿轮材料和结构

（1）齿轮材料的选择。

①一般齿轮采用锻钢。尺寸大，结构比较复杂的齿轮采用铸钢或球墨铸铁。开式装置中不重要的低速齿轮可采用铸铁，参见表7-7。

表7-7　齿轮常用材料

②配对齿轮的小齿轮受力及磨损较大，对其硬度要求高于大齿轮20～50HBS。

③一般中、低速齿轮可采用45钢、45Mn2等，调质后加工、使用，齿面硬度HBS＜350。

④一般中、高速、重载齿轮，齿面硬度HBS＞350，可用中碳钢、中碳合金钢经调质、表面淬火；或低碳钢、低碳合金钢经渗碳、淬火、低温回火。最终热处理可在加工后进行。

（2）常用的齿轮结构

常见的圆柱齿轮结构如图7-10所示。图7-10（a）为齿轮轴；图7-10（b）为腹板式齿轮；图7-10（c）为轮辐式齿轮。

图7-10　常见的圆柱齿轮结构

2.齿轮的失效形式及维护

齿轮失效是指齿轮在传动过程中，由于载荷的作用使轮齿发生折断、齿面损坏等，而使齿轮过早地失去正常工作能力的情况。由于齿轮传动的工作条件和应用范围各不相同，影响失效的原因很多。齿轮传动出现失效的主要形式是齿根折断、齿面磨损、点蚀、胶合及塑性变形等。

开式齿轮失效常因为是沙尘落入齿面，加快了轮齿磨损；闭式齿轮失效多为由于轮齿强度、韧性不足，或是齿面硬度、接触强度不够所造成。在设计时应予以充分注意，材料选择是否恰当也十分重要。