齿轮基础知识

齿轮综合知识

直齿圆柱齿轮各部分的名称和尺寸代号

1、齿顶圆--齿轮齿顶所在的圆。其直径（或半径）用da（或ra ）表示。

2、齿根圆--齿轮齿槽底所在的圆。其直径（或半径）用df（或rf）表示。

3、分度圆--用来分度（分齿）的圆，该圆位于齿厚和槽宽相等的地方。其直径（或半径）用d（或r表示）。

4、齿顶高--齿顶圆与分度圆之间的径向距离，用ha表示。

5、齿根高--齿根圆与分度圆之间的径向距离，用hf表示。

6、全齿高--齿顶圆与齿根圆之间的径向距离，用h表示。显然有：

h = ha + hf

7、齿厚--一个齿的两侧齿廓之间的分度圆弧长，用s表示。

8、槽宽--一个齿槽的两侧齿廓之间的分度圆弧长，用e表示。

9、齿距--相邻两齿的同侧齿廓之间的分度圆弧长，用p表示。显然有：

p = s + e

10、齿宽--齿轮轮齿的宽度（沿齿轮轴线方向度量），用b表示。

直齿圆柱齿轮的基本参数和尺寸关系

齿数z 一个齿轮的轮齿总数。

模数m 以z表示齿轮的齿数，那么齿轮的分度圆周长=πd = z p。因此分度圆直径为：d=(p/p)?z,

式中：p/p称为齿轮的模数，用m表示，即

要使两个齿轮能啮合，它们的齿距必须相等。因此互相啮合的两齿轮的模数m必须相等。从d = mz中可见，模数m越大，轮齿就越大；模数m越小，轮齿就越小。

模数m是设计、制造齿轮时的重要参数。不同模数的齿轮，要用不同模数的刀具来加工制造。为了便于设计和减少加工齿轮的刀具数量，GBI357一78对齿轮的模数m已系列化，如下表所示。

在选用模数时，应优先采用第一系列的模数，其次是第二系列，括号内的尽可能不用。

压力角a (啮合角、齿形角）在节点P处，两齿廓曲线的公法线与两节圆的公切线所夹的锐角称啮合角，也称压力角。我国采用的压力角a一般为20°，加工齿轮的原始基本齿条的法向压力角称齿形角。因此，压力角a=啮合角=齿形角。

当标准直齿圆柱齿轮的模数m确定后，按照与m的比例关系可算出轮齿的各基本尺寸。

1 齿轮传动机构的特点及分类

齿轮传动机构的特点：

a. 齿轮机构是现代机械中应用最广泛的传动机构，用于传递空间任意两轴或多轴之间的运动和动力。

b. 齿轮传动主要优点：传动效率高，结构紧凑，工作可靠、寿命长，传动比准确。

c. 齿轮机构主要缺点：制造及安装精度要求高，价格较贵，不宜用于两轴间距离较大的场合。

齿轮传动机构的分类

按轴的相对位置平行轴齿轮传动机构①

相交轴齿轮传动机构、交错轴齿轮传动机构②

按齿线相对齿轮体母线相对位置直齿、斜齿、人字齿、曲线齿

按齿廓曲线渐开线齿、摆线齿、圆弧齿

按齿轮传动机构的工作条件闭式传动、开式传动、半开式传动③

按齿面硬度软齿面（≤350HB）、硬齿面（>350HB）

说明：

①平行轴齿轮传动机构又称为平面齿轮传动机构.

②相交轴齿轮传动机构和交错轴齿轮传动机构统称为空间齿轮传动机构.

③闭式传动的齿轮封闭在箱体内，润滑良好；开式传动的齿轮是完全外露的，不能保证良好润滑；半开式传动的齿轮浸在油池内，装有防护罩，不封闭。

平行轴齿轮传动机构

（圆柱齿轮传动机构）直齿

斜齿

曲齿

人字齿

齿轮齿条

内齿轮

相交轴齿轮传动机构

（圆锥齿轮传动机构）直齿

斜齿

曲线齿

交错轴齿轮传动机构斜齿

蜗杆蜗轮

准双曲面

齿轮

2传动的基本要求：

在齿轮传动机构的研究、设计和生产中，一般要满足以下两个基本要求：

1.传动平稳--在传动中保持瞬时传动比不变，冲击、振动及噪音尽量小。

2.承载能力大--在尺寸小、重量轻的前提下，要求轮齿的强度高、耐磨性好及寿命长。

国内外齿轮精度标准简介

渐开线圆柱齿轮是机械传动中量大面广的基础零部件，广泛在汽车、机床、电力、冶金、矿山、工程、起重运输、船舶、机车、农机、轻工、建工和军工等领域中应用。齿轮和齿轮箱在国内外都已以商品进行贸易。齿轮的质量以工作可靠、寿命长、振动噪声低为准则。除材料热处理硬度因素外，机械制造精度非常关键。据德国G尼曼,H温特尔齿轮专家资料介绍，制造精度等级相差一级，其承载能力强度相差20—30% ,噪声相差2.5—3dB，制造成本相差60—80% 。齿轮的设计、工艺、制造、检验以及销售和采购都以齿轮精度标准为重要依据。通过对国内外齿轮精度标准的分析对比，有助于我们了解掌握国际、国外先进标准的情况，找出自己的不足之处，这对我们做好采标工作，进一步提高产品质量，将起到积极的作用。

1 国内外齿轮精度标准的发展及现状

齿轮精度标准是齿轮所有标准中最重要的一个基础性标准，世界各国都十分重视该项标准的制修订工作。在20世纪40年代，齿轮精度标准有英国BS436-1940,美国齿轮制造协会AGMA231.02-1941、德国企业工程师协会ADS提案、前苏联ROOT 1643-46、法国NF E 23-006 (1948)等，这期间齿轮标准特点是，规定的精度等级较少(4—6个级)，从几何学观点规定齿轮参数项目，按极其简单的模式来确定各项公差值。

五十年代由十齿轮制造技术、测量仪器和使用经验的积累，对齿轮啮合原理及精度理论的研究，世界各国都进行了齿轮精度标准的修订，以德国DIN396—3967(1952-1957)和前苏联ROCT 1643-1956标准为代表，齿轮精度等级和误差项目增多，规定了切向和径向综合误差、建立了综合误差与单项误差的关系，独立规定侧隙配合制度，并根据误差产生的原因和各误差对传动性能的影响，提出了精度等级及误差允许分类组合的概念。这对评定齿轮精度、减少废品、降低制造费用等极为有利。

七十年代随着各国经济的发展，各国间科学技术和贸易往来日趋频繁，制定一项能为各国都能接受的国际标准的呼声愈来愈高。1951年法国、前苏联、德国、英国、比利时和瑞士六国组成ISO/TC 60/WG2（齿轮技术委员会第二工作组)，负责制定齿轮精度ISO标准，法国为秘书国，经过十余年的磋商、讨论和验证，最后十1975年通过为正式标准ISO1328-1975。此国际标准除了德国、美国、日本外世界各国都以等同或等效采用ISO 1328-1975标准修订各自国家标准。由于工业先进国家德国、美国、日本没有采用ISO 1328-1975标准，形成世界齿轮精度标准事实上不统一。

八十年代ISO/TC60/WG2(齿轮技术委员会第二工作组)由德国、美国等国家参加对ISO 1328-1975标准进行修订工作。ISO于1992年一1998年陆续正式颁布ISO 1328-1:1995，ISO 1328-2 :1997两个标准，ISO/TR 10064-1:1992 , ISO/TR 10064 -2：1996，ISO/TR 11064-3:1996，ISO/TR 10064 -4: 1998 四个技术报告组成成套系统替代和废除ISO1328-1975标准。此ISO 1328九十年代齿轮精度标准体系的特点，是在ISO 1328—1975标准基础上进一步发展而修订，吸收了德国DIN ,美国AGMA标准成熟技术，使标准更科学合理，从齿轮传动动态性能和承载能力出发，结合齿轮制造规律综合在标准本文和技术报告中，一一明确。该标准与ISO 1328-1975标准相比，可使相同精度等级下的圆柱齿轮，有进一步提高传动性能和承载能力及降低制造成本的效果。

我国1960年以前没有圆柱齿轮精度标准，直接应用前苏联rOCT 1643-46标准，1958年起原第一机械工业部组织力量着手研究，经过分析、研究和验证前苏联ROCT 1643-56标准，

制订和颁布了JB179-60《圆柱齿轮传动公差》机械工业部部标准。对当时机械工业的发展起到积极推动作用，很快达到世界五十年代水平。七十年代末机械工业部对JB179一60标准进行了修订，以等效采用ISO 1328-1975标准，颁布JB 179-81和JB 179-83渐开线圆柱齿轮精度机械工业部部标准。由十对标准进行了大力的宣贯，促进了圆柱齿轮精度质量明显的提高。同时带动国内齿轮机床、刀具和量仪的发展。于1988年国家技术监督局颁布了GB 10095-88渐开线圆柱齿轮精度国家标准。GB10095-88标准是等效采用ISO 1328-1975国际标准的，现在国际上已将ISO 1328-1975标准作废，由ISO 1328九十年代成套标准代替。1997年由国家技术监督局下达任务对GB 10095-88标准进行修订，经过几年的努力，于2001年完成了对该标准的修订工作。新修订的国家标准等同采用了ISO 1328九十年代成套国际标准，并于2001年12月发布实施。

2 国内外齿轮精度标准的对比分析

目前我国最新的齿轮精度标准为GB/T 10095-2001，该标准等同十ISO 1328最新标准，在技术内容上与ISO 1328标准完全一致。但GB/T 10095 -2001标准发布后，并没有及时出版发行，直至今年年初才拿到正式的标准文本，因此，该标准并没有得到及时的贯彻执行。目前各单位在加工齿轮时，绝大多数仍然按照原先规定的精度等级要求组织生产，即按GB 10095-88规定的精度等级要求加工齿轮。为了比较客观地反映目前齿轮的精度状况，本文对国内外标准对比分析时，主要把GB10095-88标准与国际、国外先进标准进行对比分析，而GB/T10095-2001标准的情况与国际标准基本一致。

2.1标准的结构和组成

国标GB10095-88结构非常简单，仅由标准的正文和标准的附录两部分构成，整个标准都具法定约束力。

ISO 1328标准结构相对比较复杂，整个标准有两个分标准和四个技术报告组成成套的系统标准:

ISO 1328-1:1995圆柱齿轮—ISO精度制—第1部分:轮齿同侧齿面偏差的定义和允许值

ISO 1328-2:1997圆柱齿轮—ISO精度制—第2部分:径向综合偏差与径向跳动的定义和允许值

ISO/TR 10064-1:1992圆柱齿轮-检验实施规范—第1部分:轮齿同侧齿面的检验

ISO/TR 10064-2:1996圆柱齿轮—检验实施规范—第2部分:径向综合偏差、径向跳动、齿厚和侧隙的检验

ISO/TR 11064-3:1996圆柱齿轮—检验实施规范—第3部分:齿轮坯、轴中心距和轴线平行度的推荐评文件

ISO/TR 10064-4:1998圆柱齿轮—检验实施规范—第4部分:表面结构和轮齿接触斑点检验的推荐文件

每个分标准，如ISO 1328-1，又有三部分组成，除标准的正文外，还有两种类型的附录，即标准的附录和提示的附录。提示的附录仅是参考资料，不具法定约束力。

美国现行的标准ANSI/AGMA 2000-A88，该标准与国标一样，结构比较简单，仅有标准的正文和附录两部分。不同之处是该标准的附录为提示的附录，不具法定约束力。

德国齿轮精度标准有DIN3960-3967共8个标准组成，每个标准都非常简洁、具体，实用性较强。

从标准内容看，国标GB10095-88内容最少，主要由齿轮精度的参数项目术语定义及公差表组成，而ISO ,AGMA和DIN标准除了上述内容外，还提供了指导性文件，为确定齿轮精度等级和齿轮参数的测量原则及实际操作方法提供了较为详细的指导，同时还为制造厂和用户列出了合同要求条款、过程控制、检查项目和方法等，尤其是美国AGMA标准特别强调齿轮制造的过程控制。所谓过程控制，就是控制齿轮制造过程中的每一个工序来保证齿轮的制

造精度。采用过程控制时，只要对任意一个齿轮做较少的测量即可，如测量公法线长度等。AGMA标准对不同精度等级的所有误差项目的检测控制作了推荐，具有较强的实用性。从内容上分析，IS01328的内容非常接近美国AGMA和德国DIN标准的内容，它吸收了德国DIN ,美国AGMA标准的成熟技术，使标准更科学合理，并从齿轮传动动态性能和承载能力出发，结合齿轮制造规律综合在标准本文和技术报告中一一明确。可以说，修订后的IS01328标准向美国AGMA和德国DIN标准更靠近了一大步。

因此，从标准结构和内容上分析，可以看出，ISO 1328标准的结构更为合理，层次清楚，内容全面和科学合理，操用性强。

2.2精度等级

GB 10095-88标准的精度等级为1-12级共12个等级，1级为最高级，12级为最低级。

ISO 1328-1:1995标准所有项目及ISO 1328-21997标准，1，的Fr的精度等级为0-12级共13个等级，0级为最高级，12级为最低级，0级为新增加的等级。IS01328-2 :1997标准中Fi''，和fi''，的精度等级为4-12级，4级为最高，12级为最低共计9个等级。

美国AGMA标准的精度等级为3-15级共13个等级，3级为最低级，15级为最高级。

德国DIN标准的精度等级为1-12级共12个等级，1级为最高级，12级为最低级。

由十各国编制标准所遵循的基本原则、公差计算式及关系式以及尺寸(mn,d,b)分段的不同，因此，很难精确给出GBISO,AGMA ,DIN标准的精度等级的对应关系，表1只是大致地给出了各项公差精度的对应关系，供参考。

齿轮常用材料和许用应力

MATERIAL FOR GEARS

一、常用的齿轮材料

是钢、铸铁和非金属材料。

1、锻钢

钢材的韧性好，耐冲击，还可以通过热处理或化学热处理改善其力学性能及提高齿面硬度，故最适应于用来制造齿轮。除尺寸过大（da＞400~600mm）或者是结构形状复杂只宜铸造者外，一般都用锻钢制造齿轮，常用的是含碳量在(0.15～0.6)%的碳钢或合金钢。制造齿轮的锻钢可分为：

软齿面（硬度≤350HBS）：经热处理后切齿的齿轮所用的锻钢对于强度、速度及精度都要求不高的齿轮，应采用以便于切齿，并使刀具不致迅速磨损变钝。因此，应将齿轮毛坯经过正火（正火）或调质处理后切齿。切制后即为成品。其精度一般为8级，精切时可达7级。这类齿轮制造简便、经济、生产效率高。

硬齿面（硬度＞350HBS）：需进行精加工的齿轮所用的锻钢高速、重载及精密机器（如精密机床、航空发动机）所用的主要齿轮传动，除要求材料性能优良，轮齿具有高强度及齿面具有高硬度（如58～65HRC）外，还应进行磨齿等精加工。需精加工的齿轮目前多是先切齿，再做表面硬化处理，最后进行精加工，精度可达5级或4级。这类齿轮精度高，价格较贵，所以热处理方法有表面淬火、滲碳、氮化、软氮化及氰化等。所以材料视具体要求及热处理方法而定。

合金钢根据所含金属的成分及性能，可分别使材料的韧性、耐冲击、耐磨及抗胶合的性

能等获得提高，也可通过热处理或化学热处理改善材料的力学性能及提高齿面的硬度。所以对于既是高速、重载又要求尺寸小、质量小的航空用齿轮，就都用性能优良的合金钢（如20CrMnTi，20Cr2Ni4A等）来制造。

2、铸钢

铸钢的耐磨性及强度均较好，但应经退火及正火处理，必要时也可进行调质。铸钢常用于尺寸较大的齿轮。

3．铸铁

灰铸铁性质较脆，抗冲击及耐磨性都较差，但抗胶合及抗点蚀的能力较好。灰铸铁齿轮常用于工作平稳、速度较低、功率不大的场合。

4．非金属材料

对高速轻载及精度不高的齿轮传动，为了降低噪声，常用非金属材料（如夹布胶木、尼龙等）做小齿轮，大齿轮仍用钢或铸铁制造。为使大齿轮具有足够的抗磨损及抗点蚀的能力，齿面的硬度应为250～350HBS。

常用的齿轮材料及其力学性能列于设计用表。

二、齿轮许用应力

齿轮的许用应力[σ]按下式计算：

式中：

S—疲劳强度安全系数。对接触疲劳强度计算，由于点蚀破坏发生后引起噪声、振动增大，并不立即导致不能继续工作的后果，故可取S＝SH＝1。但是，如果一旦发生断齿，就会引起严重的故事，因此在进行齿根弯曲疲劳强度计算时取S＝SF＝1.25～1.5。

KN—考虑应力循环次数影响的系数，称为寿命系数。弯曲疲劳寿命系数和接触疲劳寿命系数分别见图2。设n为齿轮的转速，r/min；j为齿轮每转一圈时，同一齿面啮合的次数；Lh 为齿轮的工作寿命，h，则齿轮的工作应力循环次数N按下式计算：N＝60njLh。

σlim—齿轮的疲劳极限。弯曲疲劳强度极限值用σFE代入，查设计线图，图中的σFE＝σFlim?YST，YST为试验齿轮的应力校正系数；接触疲劳强度极限值σHlim查图4。

注：1、图中极限应力值，一般选取其中间偏下值，即在MQ及ML中间选值。

2、若齿面硬度超出图中荐用的范围，可大体按外插法查取相应的极限应力值。

3、所示σFE为脉动循环应力的极限应力。对称循环应力的极限应力值仅为脉动循环应力的70%。

4、夹布塑料的弯曲疲劳许用应力=50MPa,接触疲劳许用应力=110MPa。

齿轮传动失效形式和设计准则

齿轮传动的失效主要是轮齿的失效，而轮齿的失效形式又多种多样，较为常见的是下面叙述的五种失效形式。齿轮的其它部分（如齿圈、轮辐、轮毂等），除了对齿轮的质量大小需加

严格限制外，通常只需按经验设计，所定的尺寸对强度及刚度均较富裕，实践中也极少失效。

1、轮齿折断

轮齿折断有多种形式，在正常情况下，主要是齿根弯曲疲劳折断，因为在轮齿受载时，齿根处产生的弯曲应力最大，再加上齿根过渡部分的截面突变及加工刀痕等引起的应力集中作用，当轮齿重复受载后，齿根处就会产生疲劳裂纹，并逐步扩展，致使轮齿疲劳折断。此外，在轮齿受到突然过载时，也可能出现过载折断或剪断；在轮齿受到严重磨损后齿厚过分减薄时，也会在正常载荷作用下发生折断。

在斜齿圆柱齿轮传动中，轮齿工作面上的接触线为一斜线（参看图例），轮齿受载后，如有载荷集中时，就会发生局部折断。若制造或安装不良或轴的弯曲变形过大，轮齿局部受载过大时，即使是直齿圆柱齿轮，也会发生局部折断。

为了提高齿轮的抗折断能力，可采取下列措施：1）用增加齿根过渡圆角半径及消除加工刀痕的方法来减小齿根应力集中；2）增大轴及支承的刚性，使轮齿接触线上受载较为均匀；3）采用合适的热处理方法使齿芯材料具有足够的韧性；4）采用喷丸、滚压等工艺措施对齿根表层进行强化处理。

2、齿面磨损

在齿轮传动中，齿面随着工作条件的不同会出现不同的磨损形式。例如当啮合齿面间落入磨料性物质（如砂粒、铁屑等）时，齿面即被逐渐磨损而至报废。这种磨损称为磨粒磨损。它是开式齿轮传动的主要形式之一。改用闭式齿轮传动是避免齿面磨粒磨损最有效的方法。

3、齿面点蚀

点蚀是齿面疲劳损伤的现象之一。在润滑良好的闭式齿轮传动中，常见的齿面失效形式多为点蚀。所谓点蚀就是齿面材料变化着的接触应力作用下，由于疲劳而产生的麻点状损伤现象。齿面上最初出现的点蚀仅为针尖大小的麻点，如工作条件未加改善，麻点就会逐渐扩大，甚至数点连成一片，最后形成了明显的齿面损伤。齿轮在啮合过程中，齿面间的相对滑动起着形成润滑油膜的作用，而且相对滑动速度愈高，愈易在齿面间形成油膜，润滑也就愈好。当轮齿在靠近节线处啮合时，由于相对滑动速度低，形成油膜的条件差，润滑不良，摩擦力较大，特别是直齿轮传动，通常这时只有一对齿啮合，轮齿受力也最大，因此，点蚀也就首先出现在靠近节线的齿根面上，然后再向其它部位扩展。从相对意义上说，也就是靠近节线处的齿根面抵抗点蚀的能力最差（即接触疲劳强度最低）。

提高齿轮材料的硬度，可以增强齿轮抗点蚀的能力。在啮合的轮齿间加注润滑油可以减小摩擦，减缓点蚀，延长齿轮的工作寿命。并且在合理的限度内，润滑油的粘度越高，上述效果也愈好。因为当齿面上出现疲劳裂纹后，润滑油就会侵入裂纹，而且粘度愈低的油，愈易侵入裂纹。润滑油侵入裂纹后，在轮齿啮合时，就有可能在裂纹内受到挤胀，从而加快裂纹的扩展，这是不利之处。所以对速度不高的齿轮传动，以用粘度高一点的油来润滑为宜；对速

度较高的齿轮传动（如圆周速度v>12m/s），要用喷油润滑（同时还起散热的作用），此时只宜用粘度低的油。

开式齿轮传动，由于齿面磨损较快，很少出现点蚀。

4、齿面胶合

对于高速重载的齿轮传动（如航空发动机减速器的主传动齿轮），齿面间的压力大，瞬间温度高，润滑效果差，当瞬时温度过高时，相啮合的两齿面就会发生粘在一起的现象，由于此时两齿面又在作相对滑动，相粘结的部位即被撕破，于是在齿面上沿相对滑动的方向形成伤痕，称为胶合。传动时齿面瞬时温度愈高、相对滑动速度愈大的地方，愈易发生胶合。

有些低速重载的重型齿轮传动，由于齿面间的油膜遭到破坏，也会产生胶合失效。此时，齿面的瞬时温度并无明显增高，故称为冷胶合。加强润滑措施，采用抗胶合能力强的润滑油（如硫化油），在润滑油中加入极压添加剂等，均可防止或减轻齿面的胶合。

5、齿面塑性变形

塑性变形属于轮齿永久变形一大类的失效形式，它是由于在过大的应力作用下，轮齿材料处于屈服状态而产生的齿面或齿体塑性流动所形成的。塑性变形一般发生在硬度低的齿轮上；但在重载作用下，硬度高的齿轮上也会出现。塑性变形又分为滚压塑变和锤击塑变。滚压塑变是由于啮合轮齿的相互滚压与滑动而引起的材料塑性流动所形成的。由于材料的塑性流动方向和齿面上所受的摩擦力方向一致，所以在主动轮的轮齿上沿相对滑动速度为零的节线处被碾出沟槽,而在从动轮的轮齿上则在节线处被挤出脊棱。这种现象称为滚压塑变形。锤击塑变则是伴有过大的冲击而产生的塑性变形，它的特征是在齿面上出现浅的沟槽，且沟槽的取向与啮合轮齿的接触线相一致。提高轮齿齿面硬度，采用高粘度的或加有极压添加剂的润滑油均有助于减缓或防止轮齿产生塑性变形。

齿轮传动常用的润滑剂

名称牌号运动粘度υ/(mm/s)(40℃) 应用

全损耗系统用油

（GB443-89） L-AN46

L-AN68

L-AN100 41.4～50.6

61.2～74.8

90.0～110.0 适用于对润滑油无特殊要求的锭子、轴承、齿轮和其它低负荷机械等部件的润滑

工业齿轮油

（SY1172-88） 68

100

150

220

320 61.2～74.8

90～110

135～165

198～242

288～352 适用于工业设备齿轮的润滑

工业闭式齿轮油

(GB/T5903-1995) 68

100

150

220

320

460 61.2～74.8

90～110

135～165

198～242

288～352

414～506 适用于煤炭、水泥和冶金等工业部门的大型闭式齿轮传动装置的润滑

普通开式齿轮油

(SY1232-85) 68

100

150 100℃

主要适用于开式齿轮、链条和钢丝绳的润滑

60～75

90～110

135～165

硫－磷型极压工业

齿轮油 120

150

200

250

300

350 50℃

适用于经常处于边界润滑的重载、高冲击的直、斜齿轮和蜗轮装置轧钢机齿轮装置110～130

130～170

180～220

230～270

280～320

330～370

钙钠基润滑脂

(ZBE86001-88) ZGN-2

ZGN-3 适用于80～100℃，有水分或较潮湿的环境中工作的齿轮传动，但不适于低温工作情况。

石墨钙基润滑脂

(ZBE36002-88) ZG-S 适用起重机底盘的齿轮传动、开式齿轮传动、需耐潮湿处。

注：①表中所列仅为齿轮油的一部分，必要时可参阅有关资料

圆柱齿轮的齿宽系数φd

表7 圆柱齿轮的齿宽系数φd

装置状况两支承相对小齿轮作对称布置两支承相对小齿轮作不对称布置小齿轮作悬臂布置

φd 0.9～1.4(1.2～1.9) 0.7～1.15(1.1～1.65) 0.4～0.6

注: 1)大、小齿轮皆为硬齿面时，φd取偏下限的数值；若皆为软齿面或仅大齿轮为软齿面时，φd取偏上限的数值；

2）括号内的数值用于人字齿轮，此时b为人字齿轮的总宽度；

3）金属切削机床的齿轮传动，若传递的功率不大时，φd可小到0.2；

4）非金属齿轮可取φd≈0.5～1.2。

齿轮齿面硬度组合举例

齿轮齿面硬度组合举例

齿面类型齿轮种类热处理两轮工作齿面硬度差工作齿面硬度举例备注

小齿轮大齿轮小齿轮大齿轮

软齿面（≤350HBS）直齿调质正火 0<(HBS1)min-(HBS2)max ≤20～25 240～270HBS 180～220HBS 用于重载中低速固定式传动装置

调质260～290HBS 220～240HBS

调质280～310HBS 240～260HBS

调质300～330HBS 260～280HBS

斜齿及人字齿调质正火 (HBS1)min-(HBS2)max ≥40～50 240～270HBS 160～190HBS

正火260～290HBS 180～210HBS

调质270～300HBS 200～230HBS

调质300～330HBS 230～260HBS

软硬组合齿面（>350HBS1,≤350HBS2）斜齿及人字齿表面淬火调质齿面硬度差很大 40～50HRC 200～230HBS 用于冲击及过载都不大的重载中低速固定式传动装置

230～260HBS

渗碳淬火调质56～62HRC 270～300HBS

300～330HBS

硬齿面（>350HBS）直齿、斜齿及人字齿表面淬火表面淬火齿面硬度差大致相同 45～50HBS 用在传动尺寸受结构条件限制的情形和运输机上的传动装置

渗碳淬火渗碳淬火56～62HRC

淬硬齿轮硬齿面刮削加工的关键技术

切削厚度：根据刮削余量确定。淬硬齿轮的单侧齿面刮削余量一般为0.3～0.6mm。可一次切除，但过大的切削用量将降低刀具的耐用度。推荐值见表,。刮削方式：机床蜗轮副存在间隙时，采用顺刮比逆刮要好，可消除间隙带来的振动和误差，减小崩刃。切削液硬齿面

刮削可采用干式切削。如果采用湿式切削，则所用切削油必须为低粘度切削油，因为硬齿面刮削使用切削油的主要目的是冷却而不是润滑。若使用高粘度油，工件与滚刀就会发生让刀打滑，引起滚刀崩刃。用作冷却剂的油在40℃时粘度应在10～20cst。含钼添加剂的低粘度油比较适于硬齿面刮削。3 结束语当今齿轮制造业对齿轮质量及运动精度的要求越来越高，精加工淬硬齿轮已显得日益重要。硬齿面刮削在发达国家已得到广泛应用，我国也有不少单位对这一工艺进行了比较深入的研究。近年来，随着机床结构的不断改进，机床及工件夹具刚性的提高，新的刀具材料的成功研制，特别是涂层技术的发展，硬齿面刮削的加工质量及稳定性都日益提高，这一工艺已越来越受到众多齿轮制造商的青睐。虽然目前消除齿轮热处理变形仍以磨齿加工为主要手段，但是，随着硬齿面刮削技术的日渐成熟，这一工艺必将得到更加广泛的应用。

齿轮(Gears)国际标准

渐开线圆柱齿轮(Gears)是机械传动量大面广的基础零部件，广泛在汽车(Automobile )、拖拉机(TRACTORS)、机床、电力、冶金、矿山、工程、起重运输、船舶、机车、农机、轻工、建工、建材和军工等领域中应用。齿轮(Gears)和齿轮(Gears)箱在国内外都已以商品进行贸易。齿轮(Gears)的质量以工作可靠、寿命长、振动噪声低为准则。除材料热处理硬度因素外，机械制造精度很为关键。据德国G尼曼、H温特尔齿轮(Gears)专家资料介绍，制造精度等级相差一级，其承载能力强度相差20~30%，噪声相差2.5-3分贝，制造成本相差60~80%。齿轮(Gears)的设计、工艺、制造、检验以及销售和采购都以齿轮(Gears)精度标准为重要的依据。

1 国际齿轮(Gears)精度标准的发展

在本世纪四十年代，齿轮(Gears)精度标准有英国BS 436—1940、美国齿轮(Gears)制造协会AGMA 231.02—1941、德国企业工程师协会ADS提案、苏联TOCT 1643—46、法国NFE 23—006（1948）等，这期间齿轮(Gears)标准特点是，规定的精度等级较少（4~6个级），从几何学观点规定齿轮(Gears)参数项目，按极其简单的模式来确定各项公差值。

五十年代由于齿轮(Gears)制造技术、测量仪器和使用经验的积累，对齿轮(Gears)啮合原理及精度理论的研究，世界各国都进行了齿轮(Gears)精度标准的修订，以德国DIN 3960~3967（1952—1957）和苏联TOCT 1643—1956标准为代表，齿轮(Gears)精度等级和误差项目增多，规定了切向和径向综合误差、建立了综合误差与单项误差的关系，独立规定侧隙配合制度，并根据误差产生的原因和各误差对传对性能的影响，提出了精度等级及误差允许分类组合的概念。这对评定精度、减少废品、降低制造费用等极为有利。

七十年代国际贸易发展，齿轮(Gears)精度标准向国际间的统一，表现在误差的符号、定义和公差值的一致，1951年法国、苏联、英国、比利时和瑞士六国组成ISO/TC 60/WG2（齿轮(Gears)技术委员会第二工作组），负责制订齿轮(Gears)精度ISO标准，法国为秘书国，经过十余年的磋商、讨论和验证，于1967年提出了ISO/DR 1328《平行轴渐开线圆柱齿轮(Gears)—ISO精度制》（推荐草案）。1970年3月20日在ISO/TC 60的第六次全体会议上以20票赞成，5票反对，5票保留讨论通过了“标准草案”，WG2根据各国所提意见又进行部分修改，最后于1975年通过为正式标准ISO 1328—1975。此国际标准除了德国、美国、日本外世界各国都以等同或等效采用ISO 1329—1975标准修订各自国家标准。同、由于工业先进国家德国、美国、日本没有采用ISO 1328—1975标准，形成世界齿轮(Gears)精度标准事实上不统一。

八十年代ISO/TC60/WG2（齿轮(Gears)技术委员会第二工作组）由德国、美国等国家参加对ISO 1328—1975标准进行修订工作。ISO于1992年~1998年陆续正式颁布ISO 1328—1:1995，

ISO 1328—2:1997两个标准，ISO/TR 10064—1:1992，ISO/TR 10064—2:1996，ISO/TR 10064—3:1996，ISO/TR 10064—4:1998四个技术报告组成成套系统替代和废除ISO1328—1975标准。此ISO 1328九十年代齿轮(Gears)精度标准体系的特点，是在ISO1328—1975标准基础上进一步发展而修订，吸收了德国DIN美国AGMA标准成熟技术，使标准更科学合理，从齿轮(Gears)传动动态性能和承载能力出发，结合齿轮(Gears)制造规律综合在标准本文和技术报告中，一一明确。凡企业已认真贯彻ISO 1328—1975标准，再熟悉和掌握贯彻ISO 1328九十年代标准，在相同精度等级的圆住齿轮(Gears)。可有提高传动性能和承载能力及降低制造成本的效果。

2 我国圆柱齿轮(Gears)精度标准的状况

我国1960 年以前没有圆柱齿轮(Gears)精度标准，直接应用苏联TOCT 1643—46标准，1958年起原第一机械工业部组织力量着手研究，经过分析、研究和验证苏联TOCT 1643—56标准，制订和颁布JB 179—60《圆柱齿轮(Gears)传动公差》机械工业部部标准。对当时机械工业的发展起到积极推动作用，很快达到世界五十年代水平，在七十年代末国家机械工业改革开放，要求迅速赶上世界齿轮(Gears)发展步伐，机械工业部领导下决心，直接以ISO 1328—1975国际基础修订JB 179—60标准，以等效采用ISO 1328—1975标准，颁布JB 179—81和JB 179—83渐开线圆柱齿精度机械工业部部标准。大力进行宣贯，促进圆柱齿轮(Gears)精度质量明显的提高。同时带动国内齿轮(Gears)机床、刀具和量仪的发展，于1998技术监督局颁布为GB 10095—88渐开线圆柱齿轮(Gears)精度国家标准。我国在改革开放，发展经济的政策指示下，。大量引进德国、日本等西方工业发达国家的工业机械产品，配件备需要国产化，JB 179—83和GB 10095—88标准不相适应，一方面鼓励直接采用德国、日本和美国标准，另一方面以宣贯行政文件形式进行补充。提出齿距偏差、齿距累计误差、齿向误差四个为必检项目评定齿轮(Gears)精度等级。宣贯中发现达到齿形误差精度最难。其齿形的齿端部规定不够合理，齿形精度达到要求其齿距精度尚有一定的富余而不相协调。部分贯标先进企业总结国内外技术经验，采取积极的技术措施，生产出与世界水平相当的齿轮(Gears)产品。以上这些与ISO 1328九十年代标准相对照，在很多关键地方是不谋而合。当前我国在重大机械装备中所需渐开线齿轮(Gears)都可以国产化。

现行GB 10095—88渐开线；圆住齿轮(Gears)精度国家标准是等效采用ISO 1328—1975国际标准的，现在国际上已将ISO 1328—1975标准作废由ISO 1328九十年代成套标准代替。1997年由国家技术监督局下任务对GB 10095—88标准进行修订，经过对ISO 1328九十年代成套标准翻译、消化和征求各方面意见，绝大多数认为我国齿轮(Gears)产品应与国际接轨，促进国际和国内齿轮(Gears)产品的贸易，发展齿轮(Gears)生产。修订GB 10095—88国家标准应等同采用ISO 1328九十年代成套国际标准。

目前国家技术监督局和国家机械工业局鼓励要求技术进步迫切和有条件的齿轮(Gears)制造企业，直接采用ISO 1328九十年代国际标准作为企业标准生产齿轮(Gears)先行一步，深入、充份发挥ISO 1328九十年代国际标准作用，为本企业真正提高齿轮(Gears)性能质量、降低制造成本提高经济效益，走入国际市场。

3 ISO1328九十年代成套国际标准与ISO 1328—1975国际标准、GB 10095—88国家标准的差别

4 结束语

国际ISO/TC60齿轮(Gears)技术委员会修订和ISO颁布了ISO 6336—1:1996，ISO 6336—2:1996，ISO 6336—3:1996，ISO 6336—5:1996组成正齿轮(Gears)和斜齿轮(Gears)承载能力计算国际标准，其标准中明确应用齿轮(Gears)精度等级必须是ISO 1328—1:1995国际标准，二者是齿轮(Gears)设计和制造的配套国际标准。齿轮(Gears)产品是国际贸易商品，保证齿轮(Gears)的性能质量和可靠性，国际标准有一定的权威性。

ISO 1328—1:1995等成套国际标准是成熟的最新标准。齿轮(Gears)产品新设计采用此标准可以明显提高齿轮(Gears)性能质量，使国内外用户认可和欢迎，齿轮(Gears)产品老设计改用新标准只要在制造图样上精度等级不变，期标题栏上相应项目及公差适当修改和齿轮(Gears)坯精度调整后就可以。这样可明显提高齿轮(Gears)性能，同时减少制造齿轮(Gears)难度而节省制造成本，增加经济效益。

GB 10095—88国家标准的修订正在审批过程中，在没有颁布前，根据国家经贸委、计委、科委、技术监督局联合发文和国家技术监督局令第35号的精神，引导和鼓励有识企业直接应用ISO 1328—1:1995等成套国际标准的原文和翻译本进行设计和制造齿轮(Gears)，这将有助于齿轮(Gears)的质量和经济效益的提高，促进机械工业齿轮(Gears)传动产品迅速与国际接轨和发展。

渗碳钢选材和渗碳技术指标专家咨询系统研究

张戈

【摘要】研制了热处理CAD中渗碳钢选材和渗碳技术指标专家咨询系统，在用户输入一定的零件信息后，能够推理出渗碳材料和渗碳技术指标并生成、打印和保存说明书。探讨了几个模块，特别是用户自定义设计模块的设计方法及各模块存在的不足，为子系统本身和热处理CAD系统的完善提供了思路。

关键词热处理CAD系统专家咨询系统渗碳材料渗碳技术指标

Reseach on Carburizing Material Choosing

and Carburization Technological Target Designing System

Zhang Ge

（The Public Laboratory of the Education Ministry of P.R. China

for High Temperature and High Temperature Tests,Shanghai Jiaotong University）

Abstract This paper studies carburizing material choosing and carburiztion technological target designing expert consulting subsystem in heat treatment CAD system.When certain material information is input,reasonable carburizing material and carburization technological target are inferred,and the corresponding files are made,printed and saved.Furthermore,the design method and disadvantages of each module,especially user selfdefine design module,are discussed,which supplies advisement for improving the system in the future.

Key words heat treatment CAD system,expert consulting system,carburizating material,carburization technological target

热处理是整个机械工业的重要环节之一，它直接影响到产品的内在质量和使用性能。热处理零件的选材，工艺的制定和工艺控制是保证热处理质量的重要因素。以往这一部分的工作完全由人工操作，不仅效率极低，而且由于选材、热处理指标及工艺设计的盲目性和不合理将影响零件的使用性能乃至整机性能。

国内热处理工艺设计(包括零件的选材)仍停留在手工作业阶段，设计水平的高低取决于设计人员的经验和水平。建立热处理CAD系统之后，不仅可以使设计人员从大量重复性劳动中解放出来，改变过去靠经验进行生产的状况，变事后检测分析为事前预测，定性处理为定量处理，大大提高了我国的热处理生产技术水平，同时提高了机械工业设计的整体水平。与国外发达国家相比，我国开发应用热处理CAD软件还有很大差距。为此我们进行了热处理CAD的开发。

渗碳钢选材和渗碳技术专家咨询系统

热处理CAD系统由若干子系统组成，其中包括一个渗碳钢选材和渗碳技术指标专家咨

询系统，其目的是利用计算机选择合理的渗碳材料和提出合理的渗碳技术指标(表面硬度、心部硬度、表面碳浓度、渗层深度)。合理的选择渗碳材料不仅可以充分地发挥材料潜力，还可以降低材料成本，提高经济效益。合理的渗碳技术指标不仅可以使材料达到最终的产品性能要求，保证零件的使用寿命，还能降低热处理生产成本。

1. 系统总体设计

系统由几个功能子模块组成，包括典型渗碳零件技术指标查询模块、渗碳零件技术指标模块、渗碳零件技术指标用户自定义模块、渗碳零件技术指标调用模块。系统的总体结构如图1所示。

图1系统的总体结构

各功能子模块实现目标如下：

1)典型渗碳零件技术指标查询模块

将典型的渗碳零件详细分类，以树型结构表示出来，通过对零件的逐级查找，查找到某一具体零件后，根据零件的特点，让用户选择相应的参数，如常用渗碳零件齿轮，需选择齿轮模数大小，系统可得到此类齿轮的一般情况下所用材料和渗碳技术指标要求，并给出材料和渗碳技术指标说明书，说明书可保存、打印。此系统内容可以增加。

2)渗碳零件技术指标设计模块

将渗碳零件分为齿轮、滚动件、活塞销、凸轮副和其他零件。根据各类零件的渗碳部位厚度、性能要求、工作条件和失效方式的选择情况，调用相应的推理机，得出材料和渗碳技术指标，并且给出材料和渗碳技术指标的设计说明书，说明书可以修改、保存和打印。

3)渗碳零件技术指标用户自定义模块

有时用户使用的零件不在可查找的零件范围之内，同时性能要求、工作条件和失效方式可能也比较特殊，找不到相应的推理机，也就无法得到渗碳材料和渗碳技术指标。为此，给用户开发一个设计平台，这个平台能实现如下功能：

a.用户可按自己的方式将自用零件任意分类。

b.添入此零件自定义性能要求、工作条件和失效方式。

c.确定本次设计时所选用的零件性能要求、工作条件和失效方式。完成后，会弹出一张空白的渗碳技术指标设计说明书，根据产品实际情况，输入渗碳零件的钢号和渗碳技术指标，并保存。

d.用户下一次再设计此零件技术指标时，如果选择与上次相同的性能要求、工作条件和失效方式，确认后，就会得到一张填写好的渗碳技术指标设计说明书，同时用户可将渗碳技术指标设计说明书修改并打印出来。如果需要重新选择零件的性能要求、工作条件和失效方式，确认后，就会得到一张空白的渗碳技术指标设计说明书，根据产品实际情况，输入新的渗碳零件的钢号和渗碳技术指标，并可修改、保存、打印。

4)渗碳技术指标调用模块

已完成的渗碳材料和渗碳技术指标设计说明书可通过零件图号、设计人员名称、零件名称、零件设计日期进行单一或复合查询、调用，并可保存、打印。

系统设计实现方法

1. 典型渗碳技术指标查询的实现方法

在此模块中，知识库用来存放各种典型渗碳零件在一般情况下所选材料和渗碳技术指标。为了提高系统的处理速度并有利于知识的组织与管理。一般情况下采用将知识分为若干层的子知识库来组成的方法，但这种方法管理起来不很方便。为此，我们使用二维关系型数据库来描述这种层次关系的知识，使得知识的管理和填充很方便。

图2表示以齿轮为例的知识层次关系。表1，2表示知识在二维数据库中的存放方式示意(篇幅有限，有些项未在表1，2中列出)。

图2齿轮知识层次关系

知识库中存放的内容表现形式不尽相同，有些是具体的内容，有些是系数，需要与外面的输入参数进行运算。如渗层深度一项，存入的就是系数，它与输入的模数值相乘，得到最后的渗层深度值。须指出的是，上面的项只是示意，实际项数比上面要多，如选材包括8项，渗层深度等要包括上、下限。我们为每一个层次树节点在数据库中定义了唯一索引号，每当选择一个节点，就通过计算得到这个节点索引号，再从数据库中检索这个索引，就能显示此节点下面子节点内容。如表1所示，如此节点再无子节点，就根据索引号调用数据库(结构如表2所示)，可方便地查询到所选渗碳零件的材料和渗碳技术指标。

表1知识在二维数据库中的存放方式

父结点名称子1结点名称子2结点名称子3结点名称

其他渗碳零件

其他渗碳零件

……

齿轮

……

汽车齿轮

……其他渗碳零件

小五金

汽车齿轮

汽车变速箱齿轮

齿轮

液压零件

……

动力机械零件

石油化工

拖拉机齿轮

汽车差速箱齿轮

表2知识在二维数据库中的存放方式

零件名称选材1 …渗层深表面硬度…心部硬度

汽车差速箱齿轮 20CrMnTi 0.35 58 32

2. 渗碳技术指标设计实现方法

零件信息根据零件类型(现分为齿轮、滚动、活塞销、凸轮副和其他零件5类)的不同，各有不同，但基本包括：零件图号，零件名称，零件型号，零件规格，形状，尺寸，性能要求(如心部强度要求)，服役条件(如动载、静载等)，失效方式(如摩擦、断裂、疲劳等)。当零件信息输入以后，内置的规则推理机将知识的前提条件和输入的零件信息相匹配，得出一个比较合理的渗碳材料和渗碳技术指标推荐值，渗碳零件技术指标设计工作原理图如图3所示，推理方法如图4所示。

图3渗碳零件技术指标设计工作原理图

图4推理方法示意图

3. 渗碳零件技术指标用户自定义设计方法

上面提到，有时用户使用的零件不在可查找的零件范围之内，同时性能要求、工作条件和失效方式可能也比较特殊，找不到相应的推理机，也就无法得到渗碳材料和渗碳技术指标。为此，应为用户准备一个自行设计平台，我们采用数据库技术来实现这个平台。其方法如下：

1)与典型渗碳零件技术指标查询的方法相类似，我们用二维关系型数据库来描述一个自定义零件树形层次关系，但与查询不同的是，这种关系开始是空白，完全交给用户填写，授权用户可以自行调整零件层次关系，可减少层次和增加层次。目前我们设定的最大层数为4层，非授权用户可浏览层次关系。为了实现这一目标，在程序中，我们设定用户授权标记布尔量，TRUE代表授权用户，FALSE代表非授权用户。我们在数据库字段中设置了一个布尔变量字段，层次关系标记字段，TRUE代表树形关系最后一层，FALSE代表非最后一层，只有树形关系最后一层才提供平台下一步的操作。

2)当你是授权用户时，会弹出一个此零件自定义性能要求、工作条件和失效方式设定窗口，下面为空白框，暂定为16个，每个空白框都可用鼠标点击删除，也可按“恢复”键恢复。用户确认了需填写的空白框的数目以后，在框中添入性能要求、工作条件和失效方式等。

3)选择目前此零件的性能要求、工作条件和失效方式，确认后可得到一个空白的渗碳技术指标设计说明书。说明书上有零件图号、零件名称、零件型号、零件规格、有效厚度、推荐钢号、表面硬度、心部硬度、渗层深度、表面碳量等内容，用户可自行填写。其他如性能要求、工作条件和失效方式由前面选择时得到。整个结果保存在库中，可供其他用户调用。

实现这一目标的难点在于如何保存零件设计时所填入的各种信息以及结果，以便其他用户有相同的性能要求、工作条件和失效方式时，能够对其设计提供帮助。为此，我们在数据库设定了两张表，一张表上存入空白框状态(被删除还是保留)和填写的性能要求、工作条件等内容；另一张表上存入所选的性能要求、工作条件和渗碳技术指标设计说明书的内容，可方便地实现上述功能。用户自定义设计流程如图5所示。

图5用户自定义设计流程图

结语

此系统的研制对渗碳零件选材和渗碳技术指标的选择提供了帮助，有些模块已在企业使用，不完善之处，需要在实际使用一段时间后加以丰富和改进。

齿轮

齿轮是能互相啮合的有齿的机械零件，它在机械传动及整个机械领域中的应用极其广泛。现代齿轮技术已达到：齿轮模数O.004～100毫米；齿轮直径由1毫米～150米；传递功率可达十万千瓦；转速可达十万转/分；最高的圆周速度达300米/秒。

齿轮在传动中的应用很早就出现了。公元前三百多年，古希腊哲学家亚里士多德在《机械问题》中，就阐述了用青铜或铸铁齿轮传递旋转运动的问题。中国古代发明的指南车中已应用了整套的轮系。不过，古代的齿轮是用木料制造或用金属铸成的，只能传递轴间的回转运动，不能保证传动的平稳性，齿轮的承载能力也很小。

随着生产的发展，齿轮运转的平稳性受到重视。1674年丹麦天文学家罗默首次提出用外摆线作齿廓曲线，以得到运转平稳的齿轮。

18世纪工业革命时期，齿轮技术得到高速发展，人们对齿轮进行了大量的研究。1733年法国数学家卡米发表了齿廓啮合基本定律；1765年瑞士数学家欧拉建议采用渐开线作齿廓曲线。

19世纪出现的滚齿机和插齿机，解决了大量生产高精度齿轮的问题。1900年,普福特为滚齿机装上差动装置，能在滚齿机上加工出斜齿轮，从此滚齿机滚切齿轮得到普及，展成法加工齿轮占了压倒优势，渐开线齿轮成为应用最广的齿轮。

1899年，拉舍最先实施了变位齿轮的方案。变位齿轮不仅能避免轮齿根切，还可以凑配中心距和提高齿轮的承载能力。1923年美国怀尔德哈伯最先提出圆弧齿廓的齿轮，1955年苏诺维科夫对圆弧齿轮进行了深入的研究，圆弧齿轮遂得以应用于生产。这种齿轮的承载能力和效率都较高，但尚不及渐开线齿轮那样易于制造，还有待进一步改进。

齿轮的组成结构一般有轮齿、齿槽、端面、法面、齿顶圆、齿根圆、基圆、分度圆。

轮齿简称齿，是齿轮上每一个用于啮合的凸起部分，这些凸起部分一般呈辐射状排列，配对齿轮上的轮齿互相接触，可使齿轮持续啮合运转；齿槽是齿轮上两相邻轮齿之间的空间；端面是圆柱齿轮或圆柱蜗杆上，垂直于齿轮或蜗杆轴线的平面；法面指的是垂直于轮齿齿线的平面；齿顶圆是指齿顶端所在的圆；齿根圆是指槽底所在的圆；基圆是形成渐开线的发生线作纯滚动的圆；分度圆是在端面内计算齿轮几何尺寸的基准圆。

齿轮可按齿形、齿轮外形、齿线形状、轮齿所在的表面和制造方法等分类。

齿轮的齿形包括齿廓曲线、压力角、齿高和变位。渐开线齿轮比较容易制造，因此现代使用的齿轮中，渐开线齿轮占绝对多数，而摆线齿轮和圆弧齿轮应用较少。

在压力角方面，小压力角齿轮的承载能力较小；而大压力角齿轮，虽然承载能力较高，但在传递转矩相同的情况下轴承的负荷增大，因此仅用于特殊情况。而齿轮的齿高已标准化，一般均采用标准齿高。变位齿轮的优点较多，已遍及各类机械设备中。

另外，齿轮还可按其外形分为圆柱齿轮、锥齿轮、非圆齿轮、齿条、蜗杆蜗轮；按齿线形状分为直齿轮、斜齿轮、人字齿轮、曲线齿轮；按轮齿所在的表面分为外齿轮、内齿轮；按制造方法可分为铸造齿轮、切制齿轮、轧制齿轮、烧结齿轮等。

齿轮的制造材料和热处理过程对齿轮的承载能力和尺寸重量有很大的影响。20世纪50年代前，齿轮多用碳钢，60年代改用合金钢，而70年代多用表面硬化钢。按硬度，齿面可区分为软齿面和硬齿面两种。

软齿面的齿轮承载能力较低，但制造比较容易，跑合性好，多用于传动尺寸和重量无严格限制，以及小量生产的一般机械中。因为配对的齿轮中，小轮负担较重，因此为使大小齿轮工作寿命大致相等，小轮齿面硬度一般要比大轮的高。

硬齿面齿轮的承载能力高，它是在齿轮精切之后，再进行淬火、表面淬火或渗碳淬火处理，以提高硬度。但在热处理中，齿轮不可避免地会产生变形，因此在热处理之后须进行磨

削、研磨或精切，以消除因变形产生的误差，提高齿轮的精度。

制造齿轮常用的钢有调质钢、淬火钢、渗碳淬火钢和渗氮钢。铸钢的强度比锻钢稍低，常用于尺寸较大的齿轮；灰铸铁的机械性能较差，可用于轻载的开式齿轮传动中；球墨铸铁可部分地代替钢制造齿轮；塑料齿轮多用于轻载和要求噪声低的地方，与其配对的齿轮一般用导热性好的钢齿轮。

未来齿轮正向重载、高速、高精度和高效率等方向发展，并力求尺寸小、重量轻、寿命长和经济可靠。

而齿轮理论和制造工艺的发展将是进一步研究轮齿损伤的机理，这是建立可靠的强度计算方法的依据，是提高齿轮承载能力，延长齿轮寿命的理论基础；发展以圆弧齿廓为代表的新齿形；研究新型的齿轮材料和制造齿轮的新工艺；研究齿轮的弹性变形、制造和安装误差以及温度场的分布，进行轮齿修形，以改善齿轮运转的平稳性，并在满载时增大轮齿的接触面积，从而提高齿轮的承载能力。

摩擦、润滑理论和润滑技术是齿轮研究中的基础性工作，研究弹性流体动压润滑理论，推广采用合成润滑油和在油中适当地加入极压添加剂，不仅可提高齿面的承载能力，而且也能提高传动效率。

齿轮加工

齿轮加工机床是加工各种圆柱齿轮、锥齿轮和其他带齿零件齿部的机床。齿轮加工机床的品种规格繁多，有加工几毫米直径齿轮的小型机床，加工十几米直径齿轮的大型机床，还有大量生产用的高效机床和加工精密齿轮的高精度机床。

齿轮加工机床广泛应用在汽车、拖拉机、机床、工程机械、矿山机械、冶金机械、石油、仪表、飞机和航天器等各种机械制造业中。

1953年出土的东汉人字齿轮

古代的齿轮是用手工修锉成形的。1540年，意大利的托里亚诺在制造钟表时，制成一台使用旋转锉刀的切齿装置；1783年，法国的勒内制成了使用铣刀的齿轮加工机床，并有切削齿条和内齿轮的附件；1820年前后，英国的怀特制造出第一台既能加工圆柱齿轮又能加工圆锥齿轮的机床。具有这一性能的机床到19世纪后半叶又有发展。

1835年，英国的惠特沃思获得蜗轮滚齿机的专利；1858年，席勒取得圆柱齿轮滚齿机的专利；以后经多次改进，至1897年德国的普福特制成带差动机构的滚齿机，才圆满解决了加工斜齿轮的问题。在制成齿轮形插齿刀后，美国的费洛斯于1897年制成了插齿机。

二十世纪初，由于汽车工业的需要，各种磨齿机相继问世。1930年左右在美国制成剃齿机；1956年制成珩齿机。60年代以后，现代技术在一些先进的圆柱齿轮加工机床上获得应用，比如在大型机床上采用数字显示指示移动量和切齿深度；在滚齿机、插齿机和磨齿机上采用电子伺服系统和数控系统代替机械传动链和交换齿轮；用设有故障诊断功能的可编程序控制器，控制工作循环和变换切削参数；发展了数字控制非圆齿轮插齿机和适应控制滚齿机；在滚齿机上用电子传感器检测传动链运动误差，并自动反馈补偿误差等。

1884年，美国的比尔格拉姆发明了采用单刨刀按展成法加工的直齿锥齿轮刨齿机；1900年，美国的比尔设计了双刀盘铣削直齿锥齿轮的机床。

由于汽车工业的需要，1905年在美国制造出带有两把刨刀的直齿锥齿轮刨齿机，又于1913年制成弧齿锥齿轮铣齿机；1923年，出现了准渐开线齿锥齿轮铣齿机；30年代研制成能把直齿锥齿轮一次拉削成形的拉齿机，主要用于汽车差动齿轮的制造。

40年代，为适应航空工业的需要，发展了弧齿锥齿轮磨齿机。1944年，瑞士厄利康公司制

成延长外摆线齿锥齿轮铣齿机；从50年代起，又发展了用双刀体组合式端面铣刀盘，加工延长外摆线齿锥齿轮的铣齿机。

插齿加工示意图

齿轮加工机床主要分为圆柱齿轮加工机床和锥齿轮加工机床两大类。圆柱齿轮加工机床主要用于加工各种圆柱齿轮、齿条、蜗轮。常用的有滚齿机，插齿机、铣齿机、剃齿机等。

滚齿机是用滚刀按展成法粗、精加工直齿、斜齿、人字齿轮和蜗轮等，加工范围广，可达到高精度或高生产率；插齿机是用插齿刀按展成法加工直齿、斜齿齿轮和其他齿形件，主要用于加工多联齿轮和内齿轮；铣齿机是用成形铣刀按分度法加工，主要用于加工特殊齿形的仪表齿轮；剃齿机是用齿轮式剃齿刀精加工齿轮的一种高效机床；磨齿机是用砂轮，精加工淬硬圆柱齿轮或齿轮刀具齿面的高精度机床；珩齿机是利用珩轮与被加工齿轮的自由啮合，消除淬硬齿轮毛刺和其他齿面缺陷的机床；挤齿机是利用高硬度无切削刃的挤轮与工件的自由啮合，将齿面上的微小不平碾光，以提高精度和光洁程度的机床；齿轮倒角机是对内外啮合的滑移齿轮的齿端部倒圆的机床，是生产齿轮变速箱和其他齿轮移换机构不可缺少的加工设备。圆柱齿轮加工机床还包括齿轮热轧机和齿轮冷轧机等。

直齿锥齿轮传动示意图

锥齿加工机床主要用于加工直齿、斜齿、弧齿和延长外摆线齿等锥齿轮的齿部。

直齿锥齿轮刨齿机是以成对刨齿刀按展成法粗、精加工直齿锥齿轮的机床，有的机床还能刨制斜齿锥齿轮，在中小批量生产中应用最广。

双刀盘直齿锥齿轮铣齿机使用两把刀齿交错的铣刀盘，按展成法铣削同一齿槽中的左右两齿面，生产效率较高，适用于成批生产。由于铣刀盘与工件无齿长方向的相对运动，铣出的齿槽底部呈圆弧形，加工模数和齿宽均受到限制。这种机床也可配以自动上下料装置，实现单机自动化。

直齿锥齿轮拉铣机是在一把大直径的拉铣刀盘的一转中，从实体轮坯上用成形法切出一个齿槽的机床。它是锥齿轮切削加工机床中生产率最高的机床，由于刀具复杂，价格昂贵，而且每种工件都需要专用刀盘，只适用于大批大量生产。机床一般都带有自动上下料装置。

弧齿锥齿轮铣齿机以弧齿锥齿轮铣刀盘，按展成法粗、精加工弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮的机床，有精切机、粗切机和拉齿机等变型。

弧齿锥齿轮磨齿机是用于磨削淬硬的弧齿锥齿轮，以提高精度和光洁程度的机床，其结构与弧齿锥齿轮铣齿机相似，但以砂轮代替铣刀盘，并装有砂轮修整器，也可磨削准双曲面齿轮。延长外摆线齿锥齿轮铣齿机是利用延长外摆线齿锥齿轮铣刀盘，或双刀体组合式端面铣刀盘，按展成法连续分度切齿的机床。切齿时，摇台铣刀盘和工件均作连续旋转运动，同时摇台作进给运动加工一个工件摇台往复一次。铣刀盘和工件的连续旋转使工件获得一定齿数的连续分度，并形成齿长曲线。摇台的旋转和工件的附加运动结合起来，产生展成运动，使工件获得齿形曲线。

准渐开线齿锥齿轮铣齿机用锥度滚刀，按展成法连续分度切齿的机床。切齿时，锥度滚刀首先以大端切削，然后以它较小直径的一端切削，为保证整个切削过程中切削速度一致，机床靠无级变速装置控制滚刀转速在切齿时，摇台、滚刀和工件均作连续旋转运动，加工一个工件，摇台往复一次。摇台和工件的旋转通过差动机构产生展成运动，使工件获得沿齿长为等

高的齿形曲线。

锥齿轮加工机床的配套设备有磨削铣刀盘和拉刀盘刀刃的磨刀机，配研成对锥齿轮的研齿机，检验成对锥齿轮啮合接触情况的锥齿轮滚动检查机和防止齿部热处理变形的淬火压床等。

齿轮的发明

据说无据可考，最早可能能追溯到亚历十多德。

关于齿轮，据说在希腊时代就有了很多设想。希腊著名学者亚里土多德和阿基米德都研究过齿轮。希腊有名的发明家古蒂西比奥斯在圆板工作台边缘上均匀地插上销子，使它与销轮啮合，他把这种机构应用到刻漏上。这约是公元前150年的事。

在公元前100年，亚历山人的发明家赫伦发明了里程计，在里程计中使用了齿轮。

公元1世纪时，罗马的建筑家毕多毕斯制作的小汽车式制粉机上也使用了齿轮传动装置。

到14世纪，开始在钟表上使用齿轮。

15世纪的大艺术家达?芬奇发明了许多机械，也使用了齿轮。但这个时期的齿轮与销轮一样，齿与齿之间不能很好地啮合。这样，只能加大齿与齿之间的空隙，而这种过大的间隙必然会产生松驰的现象。

后来，为了使齿轮合适得精确，希望通过计算方法得到齿轮的形状。因而，数学家们也参加了齿轮研究工作。1674年，丹麦天文学家雷米尔发表了关于制造齿轮的基准曲线（摆线）的论述。1766年，法国的数学家卡诺又发表了更详细的论述。1767年，瑞士数学家欧拉对渐开线原理发表了新的研究见解。1837年，英国的威列斯创造了制造渐开线齿轮的简单方法。这样，在生产中渐开线齿轮取代了摆线齿轮，应用日趋广泛

如果准确地说出齿轮是谁发明的，确实很困难，但起码中国最晚到了西汉，就已经铸造并使用了铁制的齿轮。汉高祖建立的西汉王朝是公元前202年至公元前195年，这比古蒂西比奥斯还要早。河南巩县铁生沟村和南阳曾发现规模巨大的西汉铁官所属的冶铁作坊遗址。这两个遗址不光发现有炼炉、铁矿石和铸铁用的陶范等大量的冶炼工具；还大量发现了当时的铸造产品，有锸、锄等农具还有锤、鼎、盆、马衔、矛头等等，其中就有齿轮实物。这充分说明早在距今两千多年的汉代，人们就已经生产和使用铁制齿轮了。

不仅如此，在我国人工冶铁业的真正产生在春秋早期，铸造铁制齿轮的真正时间恐怕要早于汉代。

指南车的发明，标志着我国古代对齿轮系统的应用在当时世界上居于遥遥领先的地位。实际上它是现代车辆上离合器的先驱。如果算上在人工铸造的铁齿轮以前就出现的，作为机械动力传输的木齿轮，恐怕年代会更久远。

齿轮传动润滑油知识介绍

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