[科普中国]-双圆弧齿轮

双圆弧齿轮是一种双圆弧的机器，在现代齿轮减速马达研究中，圆弧齿轮将代替圆柱齿轮成为开发的重点，无论在平稳性、力矩还是使用寿命方面，圆弧齿轮都比圆柱型齿轮有很大优势。

简介双圆弧齿轮是一种双圆弧的机器，在现代齿轮减速马达研究中，圆弧齿轮将代替圆柱齿轮成为开发的重点，无论在平稳性、力矩还是使用寿命方面，圆弧齿轮都比圆柱型齿轮有很大优势1。

运动特性在现代齿轮减速马达研究中，圆弧齿轮将代替圆柱齿轮成为开发的重点，无论在平稳性、力矩还是使用寿命方面，圆弧齿轮都比圆柱型齿轮有很大优势，其发展趋势也很好，圆弧齿轮的断面齿形为非共轭齿形，为了能达到连续而平稳的传动，就必须具备下列的运动特性：

1.两齿轮的工作面（在理论上的接触线或实际运转中的接触带），必须是螺旋线或螺旋面。

2.一对相啮合的齿轮，在两个节圆柱上的螺旋角必须大小相等，方向相反。也就是两个齿轮的轴向节距（齿距）必须相等。这一点和渐开线斜齿轮是一致的。

3.一对相啮合的齿轮，其轴向重合度必须大于1。

4.一对相啮合的齿轮其模数必须相等。

5.一对相啮合的齿轮，其啮合点（区域面）移动的方向是与两齿轮的轴线方向平行的。

6.一对相啮合的齿轮，其齿面之间不得产生齿形干涉1。

几何参数和特点1．两啮合齿轮的工作齿面是凸齿齿廓与凹齿齿廊，即啮合时凹齿包住凸齿，以提高其接触强度。

2．在理论上，最好使凸凹齿廓的圆弧半径相的等，这样才能得到沿整个齿高的瞬时线接触。但是由于制造和安装时将产生各种误差，如果凸、凹齿的齿廓圆弧半径相等，则由于误差的影响，将会引起齿顶棱边接触。因此在设计齿形时，凸、凹两工作齿廓的圆弧半径需要有一个很小的差值(凹齿齿廓的圆弧半径稍大于凸齿齿廓的圆弧半径)。这样，齿轮运转时，开始只有一个点接触(避免了齿顶棱边接触)，运转一段时间后，齿面逐渐跑合，凸齿面和凹齿面接触弧的曲率半径趋于相等，达到了沿齿高瞬时线接触的理想情况。

3．在两齿面的正确啮合情况下，由于两齿面存在齿廓圆弧半径差，如果轮齿绝对刚性，齿面没有磨损，而且具有绝对光洁度，此时，齿面才发生点接触。实际上，在负荷作用下，齿轮材料发生弹性交形，加工后的齿面并非绝对光洁，齿轮运转后，齿面逐渐磨损而跑合。所以在负荷作用下，两啮合齿面的实际接触部分，首先出现近似椭圆形状的接触区。若负荷再加大，则呈现“校形”接触区。有的文献则认为：在负荷作用下，圆弧齿轮同一齿上有两点接触时，由于轮齿纵向变形，及齿面各点曲率半径的不同，齿面接触区呈近似梯形。

总之，圆弧齿轮的啮合齿面在良好的跑合之后，接触面积的增加很多。如果圆弧齿轮和渐开线齿轮的几何尺寸相同，由于圆弧齿轮的当量曲率半径比渐开线齿轮的当量曲率半径大数十倍，因此其接触应力将大幅度下降，接触强度将大大提高1。

发展趋势双圆弧齿轮的强度，不论是齿面接触强度或是轮齿弯曲强度，都比渐开线齿轮和单圆弧齿轮高得多，尤其是分阶式双圆弧齿轮具有更好的性能。在加工工艺上，切制双圆弧齿轮仅需具有凸、凹齿廓的一把滚刀。测量时只测凸齿齿形上的公法线长度，因此测景仪器和公法线长度计算都大为简化。分阶式双圆弧齿轮，在加工精度良好的情况下，用于高、中、低速大功率动力传动中，都显示出良好的性能。

同外渐开线齿轮的最高节圆速度约达220m/s，转数为每分钟10万转，功率达25000kW以上，齿轮直径达4.25m，齿宽达1.25m，一台减速器的重量可达280多吨。如果改用圆弧齿轮，预期能达到体积小、重量轻、寿命长、噪音小、速比大、效率高等要求。

努力提高制造和安装精度，尤其是严格控制齿轮副的中心距偏差，保证啮合齿面的正确接触位置，以利于跑合，降低噪音、减少振动、防止点蚀及胶合等，并且对提高齿轮的抗弯强度，防止断齿也是很重要的。

要把润滑和冷却技术列入到设计和维护的内容中去。由于对齿轮传动装置的要求不断提高，对齿轮的润滑和冷却也必须引起足够的注意。研究成功的许多润滑油添加剂，可以很有效地防止齿轮的失效，延长使用寿命。在冷却技术方面可采用冲离齿轮热量的方法，或者改用有效的冷却剂，使润滑油用量大大减少，不仅节约了润滑油，也缩小了齿轮装置的体积。

研究提高齿轮的材质。根据我国的资源条体研究采用硅、锰、硼、钛及稀土元素的合金钢和无镍合金钢，以达到节镍代镍和延长园弧齿轮的寿命。此外，材料的纯洁度对齿轮的强度影响极大，因此必须发展无损探伤技术，保证材料的纯洁度。

圆弧齿轮的破坏形式与齿轮的负荷情况有关。例如，轻负荷和中等负荷的齿轮(约相当于最大额定许用扭矩的20一60%)，这种负荷的齿轮是比较大量使用的，其主要破坏形式是齿面磨损(也有个别产生齿面点蚀的)。重负荷的齿轮(约相当于最大额定许用扭矩的80—100%)，这种负荷的齿轮，有的经常是满负荷运转。有的是部分时间的满负荷，其余时间是中等负荷或不满负荷的运转。其主要破坏形式是齿面点蚀、疲劳折断和齿面磨损。若有突然冲击负荷的齿轮，其主要破坏形式是轮齿断裂，或者轮齿产生轻微裂纹后，导致轮齿提前疲劳断裂。由此可知，对于要求使用寿命长，轻微或无冲击的双圆弧齿轮，如以防止齿面疲劳点蚀为主，则设计时，可以考虑采用较大的全齿高系数，从而获得较大的接触弧长，有利于提高接触强度。而对于弯曲强度有更大要求的齿轮传动，设计时，则可考虑采用短齿制的双圆弧齿轮。

双圆弧齿轮的热处理，国内外都进行了硬齿面双圆弧齿轮的试制和使用，使双圆弧齿轮的寿命得到了进一步的提高，也是今后应注意的一种发展趋势。齿轮热处理的新技术正在迅速发展，例如多元素共渗，双频感应淬火，混合处理法(例如先用氮化或渗碳后，再用感应淬火或者旋转火焰淬火)等，不仅能得到理想的淬硬层深度，而且残余应力很小。同时也提高了氮化时抗腐蚀能力，增强了齿面疲劳强度，并降低了温度增高时的软化倾向，齿面硬度比单一热处理法要高。以上说明了热处理新技术具有特殊的重要性。材料和热处理质量提高后，齿轮的寿命可以大大延长。我国齿轮的寿命较十余年前约提高了五倍以上，不久将来可能提高得更多。

关于硬齿面分阶式双圆弧齿轮的试制使用经验，初步认为：小齿轮氮化硬度约可控制在HRC 55左右；大齿轮调质硬度最好不低于HB280。

生产实践和试验研究证明，对中、高速齿轮传动，最好采用齿高较大的双圆弧齿轮，因为齿高较大时，可以增加齿的柔性，起降低噪音的作用1。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学