齿轮传动

齿轮传动
是机械传动中最主要的一类传动，型式很多，应用广泛，传递的功率可达数十万千瓦，圆周速度可达200m/s。

齿轮传动的主要特点有:
1)效率高在常用的机械传动中，以齿轮传动的效率为最高。

2）结构紧凑在同样的使用条件下，齿轮传动所需的空间尺寸一般较小。

3)工作可靠、寿命长
4)传动比稳定传动比稳定往往是对传动性能的基本要求
但是齿轮传动的制造及安装精度要求高，价格较贵，且不宜用于传动距离过大的场合。

齿轮传动可做成开式、半开式及闭式。

齿轮传动的失效形式及设计准则
（一）失效形式
一般地说，齿轮传动的失效主要是轮齿的失效，这里只就较为常见的轮齿折断和工作面磨损、点蚀,胶合及塑性变形等。

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（简称斜齿轮）传动中，轮齿工作面上的接触线为一斜线，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。

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。

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（见右
图）。

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。

提高轮齿对上述几种失效形式的抵抗能力，除上面所说的办法外，还有减小齿面粗糙度值，适当选配主、从动齿轮的材料及硬度，进行适当的磨合（跑合），以及选用合适的润滑剂及润滑方法等。

前已说明，轮齿的失效形式很多。

除上述五种主要形式外，还可能出现齿面融化、齿面烧伤、电蚀、异物啮入和由于不同原因产生的多种腐蚀和裂纹等等。

斜齿圆柱齿轮传动
斜齿圆柱齿轮齿面的形成及啮合特点
由于圆柱齿轮是有一定宽度的，因此轮齿的齿廓沿轴线方向形成一曲面。

平面与基圆柱相切于母线，当平面沿基圆柱作纯滚动时，其上与母线平行的直线KK在空间所走过的轨迹即为渐开线曲面，平面称为发生面，形成的曲面即为直齿轮的齿廓曲面。

斜齿圆柱齿轮当平面沿基圆柱作纯滚动时，其上与母线成一倾斜角βb的斜直线KK在空间所走过的轨迹为渐开线螺旋面，该螺旋面即为斜齿圆柱齿轮齿廓曲面，βb称为基圆柱上的螺旋角。

直齿圆柱齿轮啮合时，齿面的接触线均平行于齿轮轴线。

因此轮齿是沿整个齿宽同时进入啮合、同时脱离啮合的，载荷沿齿宽突然加上及卸下。

因此直齿轮传动的平稳性较差，容易产生冲击和噪声，不适合用于高速和重载的传动中。

一对平行轴斜齿圆柱齿轮啮合时，斜齿轮的齿廓是逐渐进入啮合、逐渐脱离啮合的。

如图所示，斜齿轮齿廓接触线的长度由零逐渐增加，又逐渐缩短，直至脱离接触，载荷也不是突然加上或卸下的，因此斜齿轮传动工作较平稳。

斜齿圆柱齿轮的主要参数
斜齿轮的轮齿为螺旋形，在垂直于齿轮轴线的端面（下标以t表示）和垂直于齿廓螺旋面的法面（下标以n表示）上有不同的参数。

斜齿轮的端面是标准的渐开线，但从斜齿轮的加工和受力角度看，斜齿轮的法面参数为标准值。

1. 螺旋角
2. 模数
3. 压力角
4. 齿顶高系数与顶隙系数
斜齿轮的齿顶高和齿根高不论从端面还是从法面来看都是相等的，即
h an*m n=h at*m t及 c n*m n=c t*m t h an*=1, c n*=0.25
一对外啮合斜齿轮传动的正确啮合条件为：1）两斜齿轮的法面模数相等；2）两斜齿轮的法面压力角相等；3）两斜齿轮的螺旋角大小相等，方向相反。

若不满足条件3），就成为交错轴斜齿轮传动。

斜齿轮传动的重合度要比直齿轮大。

二、啮合情况
两斜齿轮啮合时，两齿廓曲面的接处线仍然是齿廓曲面与啮合面的交线，当轮齿一端进入啮合时，轮齿的另一端要滞后一个角度才能进入啮合，即轮齿是先由一端进入啮合，到另一端退出啮合，其接触线由短变长，再由长变短。

）
三、一对斜齿圆柱齿轮的正确啮合条件
1 两齿轮的法向模数和法向压力角应分别相等，
2 同时两斜齿轮螺旋角还要满足：
其中，外啮合时，旋向相反，取负号；内啮合时旋向相同，取正号。

3 因为绝对值相等，所以其端面模数及端面压力角也分别相等。

四、斜齿轮传动的主要优缺点
与直齿轮传动比较，斜齿轮传动具有下列主要的优点：
啮合性能好。

在斜齿轮传动中，其轮齿的接触线为与齿轮轴线倾斜的直线，轮齿开始啮合和脱离啮合都是逐渐的，因而传动平稳、噪声小，同时这种啮合方式也减小了制造误差对传动的影响。

重合度大。

这样就降低了每对轮齿的载荷，从而相对的提高了齿轮的承载能力，延长了齿轮的使用寿命，并使传动平稳。

不产生根切的最少齿数较直齿轮少，因此，采用斜齿轮传动可以得到更为紧凑的机构。

斜齿轮传动的主要缺点：在运动时会产生轴向推力。