齒輪傳動(dòng)
齒輪傳動(dòng)
gearing
以齒輪的輪齒互相嚙合傳遞軸間的動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的機(jī)械傳動(dòng)。齒輪傳動(dòng)應(yīng)用極廣，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，效率高，壽命長(zhǎng)，工作可靠，傳動(dòng)比準(zhǔn)確；但制造精度和安裝精度要求較高，否則噪聲較大，齒輪承載能力將會(huì)降低。
分類 齒輪傳動(dòng)可按其軸線的相對(duì)位置分類，詳見圖1 [齒輪傳動(dòng)]
和表[齒輪傳動(dòng)按軸線相對(duì)位置分類]
。齒輪傳動(dòng)按齒輪的外形可分為圓柱齒輪傳動(dòng)、錐齒輪傳動(dòng)、非圓齒輪傳動(dòng)、齒條傳動(dòng)和蝸桿傳動(dòng)。按輪齒的齒廓曲線可分為漸開線齒輪傳動(dòng)、擺線齒輪傳動(dòng)和圓弧齒輪傳動(dòng)等。由兩個(gè)以上的齒輪組成的傳動(dòng)稱為輪系。根據(jù)輪系中是否有軸線運(yùn)動(dòng)的齒輪可將齒輪傳動(dòng)分為普通齒輪傳動(dòng)和行星齒輪傳動(dòng)，輪系中有軸線運(yùn)動(dòng)的齒輪就稱為行星齒輪。齒輪傳動(dòng)按其工作條件又可分為閉式、開式和半開式傳動(dòng)。把傳動(dòng)密封在剛性的箱殼內(nèi)，并保證良好的潤(rùn)滑，稱為閉式傳動(dòng)，較多采用，尤其是速度較高的齒輪傳動(dòng)，必須采用閉式傳動(dòng)。開式傳動(dòng)是外露的、不能保證良好的潤(rùn)滑，僅用于低速或不重要的傳動(dòng)。半開式傳動(dòng)介于二者之間。
齒廓嚙合基本定律 齒輪傳動(dòng)的平穩(wěn)性要求在輪齒嚙合過程中瞬時(shí)傳動(dòng)比
＝主動(dòng)輪角速度／從動(dòng)輪角速度＝
/
＝常數(shù)，這個(gè)要求靠齒廓來保證。圖2 [齒輪嚙合]
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
1和齒廓E2上的K點(diǎn)速度2在公法線N1N2方向的分速度相等,即
1=2=
由O1和O2分別向N1N2線作垂線交于N1和N2點(diǎn)。則[0067-02]
,[0067-03]
。傳動(dòng)比為[0067-04]
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(duì)漸開線齒輪來說圖2[齒輪嚙合]
中的[0068-01]
分別是輪1和輪2的基圓半徑
b1、b2。N 1N 2 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、O 2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[0068-02]
，輪2的節(jié)圓半徑[0068-03]
[0068-04]
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
，它與嚙合線N 1N 2間的夾角
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(dòng)力時(shí)齒面間的壓力方向不變。④傳動(dòng)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(huì)影響傳動(dòng)比，這一特性稱為傳動(dòng)的可分性，它對(duì)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(dòng)，而在其他點(diǎn)接觸時(shí)齒面間皆有滑動(dòng)，且距節(jié)點(diǎn)愈遠(yuǎn)，滑動(dòng)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(dòng)的重要參數(shù)。如圖2[齒輪嚙合]
所示,輪齒嚙合是由主動(dòng)輪的齒根與從動(dòng)輪的齒頂接觸開始的，即從動(dòng)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(dòng)，推動(dòng)著輪2旋轉(zhuǎn)，接觸點(diǎn)沿著嚙合線移動(dòng)，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),[0069-02]
是實(shí)際嚙合線長(zhǎng)。如果前一對(duì)齒還在E點(diǎn)以前的D點(diǎn)接觸，后一對(duì)齒已于A點(diǎn)接觸,這時(shí)傳動(dòng)是連續(xù)的；如果前一對(duì)齒已于E點(diǎn)離開，而后一對(duì)齒尚未進(jìn)入嚙合,這時(shí)傳動(dòng)就出現(xiàn)中斷。可見連續(xù)傳動(dòng)的條件是實(shí)際嚙合線長(zhǎng)[0069-02]應(yīng)大于或等于[0069-01]
,因?yàn)閇0069-01]等于基節(jié)
b，故連續(xù)傳動(dòng)的條件為[0069-03]
考慮齒輪的制造、安裝誤差及變形的影響，實(shí)際中常要求
≥1.1～1.4。重合度愈大,傳動(dòng)愈平穩(wěn)。以上所述是指的圓柱齒輪的端面重合度，對(duì)斜齒圓柱齒輪尚有縱向重合度。一對(duì)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。 齒輪傳動(dòng)類型
圓柱齒輪傳動(dòng) 用于平行軸間的傳動(dòng)，一般傳動(dòng)比單級(jí)可到8,最大20，兩級(jí)可到45,最大60，三級(jí)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(jí)效率為0.96～0.99。直齒輪傳動(dòng)適用于中、低速傳動(dòng)。斜齒輪傳動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，適用于中、高速傳動(dòng)。人字齒輪傳動(dòng)適用于傳遞大功率和大轉(zhuǎn)矩的傳動(dòng)。圓柱齒輪傳動(dòng)的嚙合形式有3種:外嚙合齒輪傳動(dòng)，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(dòng)，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(dòng)，可將齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)辇X條的直線移動(dòng)，或者相反。
錐齒輪傳動(dòng) 用于相交軸間的傳動(dòng)。單級(jí)傳動(dòng)比可到6，最大到8，傳動(dòng)效率一般為0.94～0.98。直齒錐齒輪傳動(dòng)傳遞功率可到370千瓦，圓周速度5米／秒。斜齒錐齒輪傳動(dòng)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(dòng)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。
雙曲面齒輪傳動(dòng) 用于交錯(cuò)軸間的傳動(dòng)。單級(jí)傳動(dòng)比可到10，最大到100，傳遞功率可到750千瓦，傳動(dòng)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(dòng)中。
螺旋齒輪傳動(dòng) 用于交錯(cuò)間的傳動(dòng)，傳動(dòng)比可到 5，承載能力較低，磨損嚴(yán)重，應(yīng)用很少。
蝸桿傳動(dòng) 交錯(cuò)軸傳動(dòng)的主要形式，軸線交錯(cuò)角一般為90°。蝸桿傳動(dòng)可獲得很大的傳動(dòng)比，通常單級(jí)為8～80,用于傳遞運(yùn)動(dòng)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(dòng)工作平穩(wěn)，傳動(dòng)比準(zhǔn)確，可以自鎖，但自鎖時(shí)傳動(dòng)效率低于0.5。蝸桿傳動(dòng)齒面間滑動(dòng)較大,發(fā)熱量較多，傳動(dòng)效率低，通常為0.45～0.97。
圓弧齒輪傳動(dòng) 用凸凹圓弧做齒廓的齒輪傳動(dòng)。空載時(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(dòng),靠縱向重合度大于1來獲得連續(xù)傳動(dòng)。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(duì)中心距、切齒深和螺旋角的誤差敏感性很大，故對(duì)制造和安裝精度要求高。
擺線齒輪傳動(dòng) 用擺線作齒廓的齒輪傳動(dòng)。這種傳動(dòng)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(duì)中心距誤差十分敏感。僅用于鐘表及儀表中。
行星齒輪傳動(dòng) 具有動(dòng)軸線的齒輪傳動(dòng)。行星齒輪傳動(dòng)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(dòng)，少齒差行星齒輪傳動(dòng)，擺線針輪傳動(dòng)和諧波傳動(dòng)等。行星齒輪傳動(dòng)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。
參考書目
會(huì)田俊夫監(jiān)修，金公望譯：《圓柱齒輪的設(shè)計(jì)》，中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社，北京，1983。（會(huì)田俊夫
修、
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の
，大河出版社，1976。）太原工學(xué)院齒輪研究室主編：《圓弧齒輪》，機(jī)械工業(yè)出版社，北京，1980。
GustavNiemann , Machine Elements ,^ Vol. Ⅱ,Springer-Verlag Berlin Heidelberg,New York,1978.
徐灝 蔡春源
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