齿轮齿条的基本知识与应用

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1、齿轮齿条的基本知识 与应用 l什么是齿轮？ 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。 l齿轮的历史。 早在公元前350年 ，古希腊著名的哲学家 亚里士多德在文献中对 齿轮有过记录。公元前 250年左右，数学家阿 基米德也在文献中对使 用了涡轮蜗杆的卷扬机 进行了说明。在现今伊拉克凯特斯芬遗 迹中还保存着公元前的齿轮 齿轮在我国的历史也源 远流长。据史料记载，远在 公元前400200年的中国古 代就已开始使用齿轮，在我 国山西出土的青铜齿轮是迄 今已发现的最古老齿轮，作 为反映古代科学技术成就的 指南车就是以齿轮机构为核 心的机械装置。 15世纪后半的意

2、大利文艺复兴时期，著名的全才列奧 纳多.达芬奇14521519，不仅在文化艺术方面，在齿轮 技术史上也留下了不可磨灭的功绩，经过了 500年以上， 现在的齿轮仍然保留着当时素描的原型。 直到17世纪末，人们才开始研究能正确传递运动的轮 齿形状。18世纪，欧洲工业革命以后，齿轮传动的应用日 益广泛；先是发展摆线齿轮，而后是渐开线齿轮，一直到 20世纪初，渐开线齿轮已在应用中占了优势。其后又发展 了变位齿轮、圆弧齿轮、锥齿轮、斜齿轮等等。 现代齿轮技术已达到：齿轮模数0.004100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。国际上

3、，动力传动齿轮装置正沿着小型化、高速化、标 准化方向发展。特殊齿轮的应用、行星齿轮装置的发展、低 振动、低噪声齿轮装置的研制是齿轮设计方面的一些特点。 l齿轮一般分为三类，分别是平行轴 、相交轴及交错轴齿轮。 齿轮的种类繁多，其分类方法最通常的 是根据齿轮轴性。一般分为平行轴、相交轴 及交错轴三种类型。平行轴齿轮包括正齿轮 、斜齿轮、内齿轮、齿条及斜齿条等。相交 轴齿轮有直齿锥齿轮、弧齿锥齿轮、零度齿 锥齿轮等。交错轴齿轮有交错轴斜齿齿轮、 蜗杆蜗轮、准双曲面齿轮等。右表中所列出的效率为 传动效率，不包括轴承及搅 拌润滑等的损失。平行轴及 相交轴的齿轮副的啮合，基 本上是滚动，相对的滑动非 常

4、微小，所以效率高。交错 轴斜齿轮及蜗杆蜗轮等交错 轴齿轮副，因为是通过相对 滑动产生旋转以达到动力传 动，所以摩擦的影响非常大 ，与其他齿轮相比传动效率 下降。齿轮的效率是齿轮在 正常装配状况下的传动效率 。如果出现安装不正确的情 况，特别是锥齿轮装配距离 不正确而导致同锥交点有误 差时，其效率会显著下降。 常用的齿轮分类l平行轴的齿轮 l正齿轮。齿线与轴心线为平行方向的 圆柱齿轮。因为易于加工，因此 在 动力传动上使用最为广泛。 l齿条与正齿轮啮合的直线齿条状 齿轮。可以看成是正齿轮的节圆 直径变成无限大时的特殊情况。 l内齿轮与正齿轮相啮合在圆环的内侧 加工有轮齿的齿轮。主要使用在行 星齿

5、轮传动机构及齿轮联轴器等应 用上。 l斜齿齿轮齿线为螺旋线的圆柱齿轮。因 为比正齿轮强度高且运转平稳，被 广泛使用。传动时产生轴向推力。 l斜齿齿条与斜齿齿轮相啮合的条状齿轮 。相当于斜齿齿轮的节径变成无限 大时的情形。 l人字齿轮齿线为左旋及右旋的两个斜齿 齿轮组合而成的齿 轮。有在轴向 不产生推力的优点。 l相交轴齿轮 l直齿锥齿轮齿线与节锥线的母线一致的 锥齿轮。在锥齿轮中，属于比较 容易制造的类型。所以，作为传 动用锥齿轮应用范围广泛。 l弧齿锥齿轮齿线为曲线，带有螺旋角 的锥齿轮。虽然与直齿锥齿轮 相比，制作难度较大，但是作 为高强度、低噪音的齿轮使用 也很广泛。 l零度锥齿轮螺旋角

6、为零度的曲线齿锥 齿轮。因为同时具有直齿和曲 齿锥齿轮的特征，齿面的受力 情形与直齿锥齿轮相同。 l交错轴齿轮 l圆柱蜗杆副圆柱蜗杆副是圆柱蜗杆和与 之啮合的蜗轮的总称。运转平静 及单对即可获得大传动比为其最 大的特征，但是有效率低的缺点 。 l交错轴斜齿齿轮圆柱蜗杆副在交错轴间传动 时的名称。可在斜齿齿轮副或斜 齿齿轮与正齿轮副的情况下使用 。运转虽然平稳，但只适合于使 用在轻负荷的情况下。 l其他特殊齿轮 l面齿轮可与正齿轮或斜齿齿 轮啮合的圆盘状齿轮。在 直交轴及交错轴间传动。 l鼓形蜗杆副鼓形蜗杆及与之啮合的蜗轮 的总称。虽然制造比较困难，但 比起圆柱蜗杆副，可以传动大负 荷。 l准双

7、曲面齿轮在交错轴间传动的圆锥形齿 轮。大小齿轮经过偏心加工，与 弧齿齿轮相似，啮合原理非常复 杂。 l齿轮的基本术语和尺寸计算。 齿轮有很多齿轮所特有的术语和表现方 法，为了使大家能更多的了解齿轮，在此介 绍一些经常使用的齿轮基本术语。 l齿轮各部 位的名称 l表示轮齿的大小的术语是模数 m1、m3、m8被称为模数1、模数3、模数8。模数是全世界通用的称呼，使用符号m（模数）和数字 （毫米来表示轮齿的大小，数字越大，轮齿也越大。另外，在使用英制单位的国家（比如美国），使用符号 （径节）及数字（分度圆直径为1英吋时的齿轮的轮齿数） 来表示轮齿的大小。比如：DP24、DP8，等等。还有使用 符号（

8、周节）和数字（毫米）来表示轮齿大小的比较特殊的 称呼方法。比如CP5、CP10、 模数乘以圆周率即可得到齿距（p）。齿距是相邻两齿 间的长度。用公式表示就是不同模数的轮齿大小对比l压力角 压力角是决定齿轮齿形的参数。即轮齿齿面的倾斜 度。压力角（）一般采用20。以前，压力角为 14.5的齿轮曾经很普及。 压力角是在齿面的一点（一般是指节点）上，半径线与 齿形的切线间所成之角度。如图所示，为压力角。因为 =，所以也是压力角。 A齿与B齿的啮合状态从节点看上去时：A齿在节点上推动B点。这个时候的推动力作用在A齿及 B齿的共同法线上。也就是说，共同法线是力的作用方向， 亦是承受压力的方向，则为压力角

9、。 模数（m）、压力角（）再加上 齿数（z）是齿轮的三大基本参数，以 此参数为基础计算齿轮各部位尺寸。 l齿高与齿厚 轮齿的高度由模数（m）来决定。 全齿高 h=2.25m（=齿根高+齿顶高） 齿顶高（ha）是从齿顶到分度线的高度。ha=1m。 齿根高（hf）是从齿根到分度线的高度。hf=1.25m。 齿厚 （s）的基准是齿距的一半。s=m/2。 l齿轮的直径 决定齿轮大小的参数是齿轮的分度圆直径（d）。以分 度圆为基准，才能定出齿距、齿厚、齿高、齿顶高、齿根高 。 分度圆直径 d=zm 齿顶圆直径 da=d+2m 齿根圆直径 df=d-2.5m分度圆在实际的齿 轮中是无法直接看到的 ，因为分

10、度圆是为了决 定齿轮的大小而假设的 圆。 l中心距与齿隙 一对齿轮的分度圆相切啮合时，中心距是两个分度圆 直径的和的一半。中心距 a=（d1+d2）/2 在齿轮的啮合中，要 想得到圆滑的啮合效果， 齿隙是个重要的因素。齿 隙是一对齿轮啮合时齿面 间的空隙。齿轮的齿高方向也有 空隙。这个空隙被称为顶 隙（Clearance)。顶隙 (c)是齿轮的齿根高与相 配齿轮的齿顶高之差。顶隙 c=1.25m-1m=0.25m l斜齿齿轮 将正齿轮的轮齿螺旋状扭转后的齿轮为斜齿齿轮。正齿轮 几何计箅的大部分都可适用于斜齿齿轮。斜齿齿轮，根据其基 准面不同有2种方式：端面（轴直角）基准（端面模数/压力角法面（

11、齿直角）基准（法向模数/压力角端面模数mt和法向模数mn的关系式 mt=mn/cos l螺旋方向与配合 斜齿齿轮、弧齿伞形齿轮等，轮齿呈螺旋状的齿轮，螺旋 方向和配合是一定的。螺旋方向是指当齿轮的中心轴指向上下 ，从正面看上去时，轮齿的方向指向右上的是右旋，左上的 是左旋。各种齿轮的配合如下所示， l螺旋方向与配合（二 ） l最常用的齿轮齿形是渐开线齿形 仅仅在摩擦轮的外周上分割出等分的齿距，装上突起， 然后相互啮合转动的话,会出现如下问题: l 轮齿的切点产生滑动 l 切点的移动速度时快时慢 l 产生振动及噪音轮齿传动时既要安静又要圆滑，由此，诞生了渐开曲线。 l什么是渐开线 将一端系有铅笔

12、的线缠在圆 筒的外周上，然后在线绷紧的状 态下将线渐渐放开。此时，铅笔 所画出的曲线即为渐开曲线。圆 筒的外周被称为基圆。 l一个示例8齿渐开线齿轮示例。将圆筒8等分后，系上8根铅笔，画出8条渐开曲线。然 后，将线向相反方向缠绕，按同样方法画出8条曲线，这就 是以渐开曲线作为齿形，齿数为8的齿轮。 l渐开线齿轮的优点l即使中心距多少有些误差，也可以正确的啮合。 l比较容易得到正确的齿形，加工也比较容易。 l因为在曲线上滚动啮合，所以，可以圆滑地传递旋转运动 。 l只要轮齿的大小相同，一个刀具可以加工齿数不同的齿轮 。 l齿根粗壮，强度高。 l基圆和分度圆 基圆是形成渐开线齿形的基础圆。分度圆

13、是决定齿轮大小的基准圆。基圆与分度圆是齿 轮的重要几何尺寸。渐开线齿形是在基圆的外 侧形成的曲线。在基圆上压力角为零度。 l渐开线齿轮的啮合 两个标准的渐开线齿轮的分度圆在标准的中心距 下相切啮合。两轮啮合时的模样，看上去就像是分度圆直径大 小为d1、d2两个摩擦轮（Friction wheels）在传动。 但是，实际上渐开线齿轮的啮合取决于基圆而不是分 度圆。 l渐开线齿轮的啮合 （二 ）两个齿轮齿形的啮合接触点 按P1P2P3的顺序在啮合线上 移动。请注意驱动齿轮中黄色的 轮齿。这个齿开始啮合后的一段 时间内，齿轮为两齿啮合（P1、 P3）。啮合继续，当啮合点移动 到分度圆上的点P2时，啮

14、合轮齿 只剩下了一个。啮合继续进行， 啮合点移动到点P3时，下一个轮 齿开始在P1点啮合，再次形成两 齿啮合的状态。就像这样，齿轮 的两齿啮合与单齿啮合交互重复 传递旋转运动。基圆的公切线A一B被称为啮 合线。齿轮的啮合点都在这条啮 合线上。 l渐开线齿轮的啮合 （三 ）用一个形象的图来表示，就好像皮带交叉地套在两 个基圆的外周上做旋转运动传递动力一样。 l齿轮的变位分为正变位和负变位我们通常使用的齿轮的齿廓一般都是标准的渐 开线，然而也存在一些情况需要对轮齿进行变位， 如调整中心距、防止小齿轮的根切等。l齿轮的齿数与形状 渐开线齿形曲线随齿数多少而不同。齿数越多，齿形曲 线越趋于直线。随齿数

15、增加，齿根的齿形变厚，轮齿强度增 加。 由上图可以看到，齿数为10的齿轮，其轮齿的齿根处部 分渐开线齿形被挖去，发生根切现象。但是如果对齿数z=10 的齿轮采用正变位，增大齿顶圆直径、增加轮齿的齿厚的话 ，可以得到与齿数200的齿轮同等程度的齿轮强度。 l变位齿轮 右图是齿数z=10的齿轮正变位切 齿示意图。切齿时，刀具沿半径 方向的移动量xm（mm）称为径向 变位量简称变位量)。 xm=变位量（mm） x=变位系数 m=模数（mm）通过正变位的齿形变化。轮齿的齿厚增加，外径（齿顶 圆直径也变大。齿轮通过采取正变位，可以避免根切（ Undercut）的发生。对齿轮实行变位还可以达到其它的目的

16、，如改变中心距，正变位可增加中心距，负变位可减少中心 距。不论是正变位还是负变位齿轮，都对变位量有限制。 l正变位和负变位变位有正 变位和负变位 。虽然齿高 相同，但齿厚 不同。齿厚变 厚的为正变位 齿轮，齿厚变 薄的为负变位 齿轮。无法改变两个齿轮的中 心距时，对小齿轮进行正 变位（避免根切），对大 齿轮进行负变位，以使中 心距相同。这种情况下， 变位量的绝对值相等。l正变位和负变位（二）l变位齿轮的啮合标准齿轮是在各个齿 轮的分度圆相切状态下 啮合。而经过变位的齿 轮的啮合，如图所示， 是在啮合节圆上相切啮 合。啮合节圆上的压力 角称为啮合角。啮合角 与分度圆上的压力角（ 分度圆压力角）不同。 啮合角是设计变位齿轮 时的重要要素。l齿轮变位的作用l可以防止在加工时因为齿数少而产生的 根切现象。 l通过变位可以得到所希望的中心距。 l在一对齿轮齿数比很大的情况下，对容 易产生磨耗的小齿轮进行正变位，使齿厚 加厚。相反，对大齿轮进行负变位，使齿 厚变薄，以使得两个齿轮的寿命接近。l齿形与齿线的修整