[科普中国]-齿轮机构

简介

齿轮机构是一种高副机构，在各种机械设备中得到广泛的应用。

齿轮传动属于啮合传动，它的主要优点是：瞬时传动比恒定；适用的圆周速度和功率范围大（速度可达300m/s，功率可从1W~100000kW）；传动效率高（可达0.99）；工作可靠，寿命长（可达10~20年）；结构紧凑。但是齿轮制造比较复杂、需专用设备；精度不高的齿轮，传动时噪声大、振动和冲击大；不适宜远距离两轴之间的传动。

齿轮机构分类按照一对齿轮传动的传动比是否恒定，齿轮机构可以分为两大类：其一是定传动比齿轮机构，齿轮是圆形的，又称为圆形齿轮机构，是应用最广泛的一种；其二是变传动比齿轮机构，齿轮一般是非圆形的，又称为非圆形齿轮机构，仅在某些特殊机械中适用。

按照一对齿轮在传动时的相对运动是平面运动还是空间运动，圆形齿轮机构又可以分为平面齿轮机构和空间齿轮机构两类。

按照一对齿轮轴线的相互位置关系和齿向，齿轮机构分类如下图所示2：

齿廓啮合基本定律工程实际中，对齿轮传动的基本要求之一是传动比保持不变，否则，当主动轮等角速度回转时，从动轮的角速度为变量，从而产生惯性力。这不仅影响齿轮传动的工作精度和平稳性，甚至可能导致轮齿过早失效。齿轮机构的传动比是否恒定，直接取决于两轮齿廓曲线的形状。齿廓啮合基本定律就是研究当齿廓形状符合何种条件时，才能满足这一基本要求。

下图表示一对相互啮合的传动的齿轮。两轮轮齿的齿廓 、 在某一点K接触，设两齿廓上K点处的线速度分别为 、 要使这一对齿廓能够通过接触而传动，它们沿接触点的公法线方向的分速度应相等，否则两齿廓将不是彼此分离就是相互嵌入，而不能达到正常传动的目的。两齿廓接触点间的相对速度 只能沿着两齿廓接触点处的公法线方向。

两啮合齿廓在接触点处的公法线nn与两齿轮连心线 的交点P即为两齿轮的相对瞬心，故两轮此时的传动比为

该式表明，相互啮合的一对齿轮，在任意位置时的传动比，都与其连心线 被其啮合齿廓在接触点处的公法线所分成的两线段长成反比。这一规律称为齿廓啮合基本定律3。

共轭齿廓凡能按照预订传动比规律相互啮合的一对齿廓称为共轭齿廓。理论上，对于预订的传动比，只要给定任一齿轮的齿廓曲线和中心距，就可以根据齿廓啮合基本定律求出与其啮合传动的另一齿轮上的共轭齿廓曲线。求共轭齿廓的方法很多，下面只对用作图法求共轭齿廓的一种做一简略介绍。

在下图中，已知传动比 （设为常数）、中心距 和齿轮1的齿廓曲线 ，用包络线法求与齿廓 共轭的齿廓 的过程如下：依据传动比 和中心距 可画出两齿轮的节圆 和 ，其相切点P即为节点。在齿廓 上取一系列点 、 、 、…，过这些点分别作齿廓 的法线，与节圆 交于点 、 、 、…；依据两节圆作纯滚动的原则，按弧长相等在节圆 上求得相应点 、 、 、…，再分别以点 、 、 、…为圆心，以 、 、 、…为半径作圆弧，这些圆弧族的包络线 即为齿轮2的齿廓曲线 3。

齿轮的常用材料制造齿轮的常用材料主要有：调质钢、渗碳钢、铸钢、合金铸钢、灰铸铁和球墨铸铁。

用于制造齿轮的调质钢的材料牌号有：45#钢、35SiMn、42SiMn、50SiMn、40Cr、35CrMo、42CrMo、37SiMn2MoV、40CrMnMo、40CrNi、38SiMnMo、42CrMo4V。

用于制造齿轮的渗碳钢的材料牌号是：20Cr、20CrMnTi、20CrMnMo、38CrMoAl、17CrNiMo6、12Cr2Ni4、20Cr2Ni4、20CrNi3。

用于制造齿轮的铸钢和合金铸钢的材料牌号有：ZG 310-570、ZG 340-640、ZG 40Mn2、ZG 35SiMn、ZG 42SiMn、ZG 50SiMn、ZG 40Cr、ZG 35CrMo、ZG 35CrMnSi。

用于制造齿轮的灰铸铁和球墨铸铁的材料牌号有：HT250、HT300、HT350、QT500-7、QT600-3、QT700-2、QT800-2、QT1200-1。

齿轮机构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。