摘 要：齒輪在機(jī)械設(shè)備中的作用很重要，它必須具備各項(xiàng)充足的工作能力，來確保一整個工作期間的壽命不會導(dǎo)致失效，針對各種工作中發(fā)生的情況及導(dǎo)致失效的形式，應(yīng)該分別確立相應(yīng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。根據(jù)一般使用的齒輪傳動來設(shè)計(jì)，按保證齒根彎曲疲勞強(qiáng)度及保證齒面接觸疲勞強(qiáng)度來計(jì)算。對于高速大功率的齒輪傳動，按保證齒面抗效合能力的準(zhǔn)則來計(jì)算。

關(guān)鍵詞：機(jī)械工程；齒輪；轉(zhuǎn)動設(shè)計(jì)

1 機(jī)器在經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的作用

機(jī)器的優(yōu)點(diǎn)：即能承擔(dān)人力所不能或不便進(jìn)行的工作，又能較人工生產(chǎn)改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量，特別是能大大提高勞動生產(chǎn)率和改善勞動條件。同時，只有使用機(jī)器，才能集中進(jìn)行大量生產(chǎn)，并對生產(chǎn)進(jìn)行嚴(yán)格的分工與科學(xué)的管理；也只有使用機(jī)器，才便于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化，尤其便于實(shí)現(xiàn)高度的機(jī)械化。因此，機(jī)械工業(yè)能夠起到為國民經(jīng)濟(jì)各部門提供技術(shù)裝備和促進(jìn)技術(shù)改造的重要作用，通過大量設(shè)計(jì)制造和廣泛使用各種各樣先進(jìn)的機(jī)器，就能促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，推動我國的社會主義現(xiàn)代化建設(shè)。

1.1 齒輪轉(zhuǎn)動的特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)動比恒定，使用的功率和速度范圍廣，結(jié)構(gòu)緊湊、效率高，工作可靠且壽命長：缺點(diǎn)是需要用專門的加工設(shè)備和刀具，成本相對過高，對制造安裝精度要求較高，不宜用于軸間距離較大的轉(zhuǎn)動。

1.2 齒輪轉(zhuǎn)動的類型

類型有平行軸齒輪轉(zhuǎn)動（圓柱齒輪轉(zhuǎn)動）、相交軸齒輪轉(zhuǎn)動（錐齒輪轉(zhuǎn)動）、交錯軸齒輪轉(zhuǎn)動（圓柱螺旋齒輪轉(zhuǎn)動）。其中圓柱齒輪轉(zhuǎn)動又分為斜齒輪圓柱齒輪轉(zhuǎn)動和人字齒輪轉(zhuǎn)動兩種。

1.3 齒輪的精度

1.3.1 漸開線的形成：當(dāng)直線沿一半徑的圓做純滾動時，直線上任一點(diǎn)的軌跡就是該圓的漸開線。這個圓叫做漸開線的基圓。

1.3.2 漸開線的性質(zhì)：a、發(fā)生線在基圓上滾過的一段長度就等于基圓上相應(yīng)的弧長b、漸開線上任意一點(diǎn)法線恒切于基圓，切點(diǎn)是漸開線上的曲率中心，越接近基圓，曲率半徑越小反之越大。漸開線上任一點(diǎn)的法線與該點(diǎn)速度方向之間所夾的銳角稱為該點(diǎn)的壓力角c、漸開線的形狀與基圓半徑有關(guān)，圓半徑越大，漸開線越平展，綜合曲率半徑越大，直線也是漸開線d、基圓內(nèi)無漸開線。

1.3.3 齒廓齒合定律

互相齒合轉(zhuǎn)動的一對齒輪，任一瞬時的轉(zhuǎn)動比與連心線被其齒合齒廓在接觸點(diǎn)處的公法線所分成的兩段的長度成反比。齒輪轉(zhuǎn)動的瞬時角速比（轉(zhuǎn)動比）齒廓形狀影響轉(zhuǎn)動功能，若轉(zhuǎn)動比變化——從動輪轉(zhuǎn)速不均勻——慣性力、振動力、噪音-轉(zhuǎn)動精度；轉(zhuǎn)動比恒定的條件：不論兩齒廓在何位置接觸，過其接觸點(diǎn)所作兩齒廓的公法線均須與連心線交于一定點(diǎn)。

1.3.4 齒廓曲線的確定

凡能滿足齒廓齒合基本定律（或某種便轉(zhuǎn)動比定律）的一對齒廓，稱為共軛齒廓。實(shí)際選用，須考慮設(shè)計(jì)、制造、安裝、使用等因素。常用：漸開線、擺線、圓弧線、拋物線等。

1.3.5 漸開線齒廓的齒合特性

漸開線齒輪符合齒廓齒合基本定律，即能保證定傳動比轉(zhuǎn)動；漸開線在轉(zhuǎn)動過程中，齒合線和齒合角始終不變；漸開線齒輪傳力性能好。

1.3.6 漸開線齒輪的切齒原理

近代齒輪加工方法很多，如切削法、鑄造法、熱壓法、沖壓法、電加工法等，但從加工的原理角度看，可將齒輪加工方法歸為兩大類：仿形法和范成法。

2 齒輪轉(zhuǎn)動的失效形式及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

2.1齒輪傳動就裝置型來說，有開式、半開式及閉式之分；就使用情況來說，有低速、高速及輕載、重載之別；齒輪有較脆、較韌、齒面有較硬、較軟，所以齒輪材料的性能及熱處理工藝不同。由于上述條件的不同，齒輪傳動自然就出現(xiàn)了各種不同的失效形式，齒輪傳動出現(xiàn)問題輪齒也就失效了，一般就會出現(xiàn)輪齒折斷和工作齒面磨損、點(diǎn)蝕、膠合及塑性變形等。

2.2 輪齒折斷

輪齒受載后的齒根處產(chǎn)生的變曲應(yīng)力為最大，再加上齒根處過渡部分的尺寸發(fā)生了急劇的變化，以及沿齒寬方向留下的加工刀痕等引起的應(yīng)力集中作用，當(dāng)輪齒重復(fù)受載后，齒根處就會產(chǎn)生疲勞裂紋，并逐步擴(kuò)展，致使齒輪折斷。

在斜圓柱齒輪傳動中，輪齒工作面上的接觸線為一斜線，輪齒受載后，如有荷載集中時，就會發(fā)生局部折斷。若制造及安裝不良或軸的彎曲變形過大，輪齒局部受載過大時，即使是直齒圓柱齒輪，也會發(fā)生局部折斷。

增大齒根過渡圓角的半徑，消除該處的加刀痕，可以降低應(yīng)力集中作用；增大軸及支撐的剛度，可以減小齒面上局部受載的程度；使齒芯材料具有足夠的韌性；以及在齒根處施加適當(dāng)?shù)膹?qiáng)化措施等，都可提高輪齒的折斷能力。

2.3 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

綜上分析介紹可知，所設(shè)計(jì)出的齒輪傳動在具體的工作狀況下，必須具備各項(xiàng)充足的工作能力，來確保一整個工作期間的壽命不會導(dǎo)致失效。因此，針對各種工作中發(fā)生的情況及導(dǎo)致失效的形式，應(yīng)該分別確立相應(yīng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。但是如齒面磨損、塑性變形等由于尚未建立起廣為工程實(shí)際使用，而且行之有效的計(jì)算方法及設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，所以目前設(shè)計(jì)出一般使用的齒輪傳動時，通常只按保證齒根彎曲疲勞強(qiáng)度及保證齒面接觸疲勞強(qiáng)度兩準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算。相對于高速大功率的齒輪傳動，還要按保證齒面抗效合能力的準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算。至于維護(hù)其他失效的能力，就目前雖然一般不進(jìn)行計(jì)算，但應(yīng)該采取相應(yīng)的防范措施，以增強(qiáng)輪齒抵抗這些失效的能力。

由實(shí)踐得知，在閉式齒輪傳動中，通常以保證齒面接觸疲勞強(qiáng)度為主。但對于齒面的硬度很高，齒芯強(qiáng)度又低的齒輪或材質(zhì)較脆的齒輪，則以保證齒根彎曲疲勞強(qiáng)度為主。目前僅以保證齒根彎曲疲勞強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

3 齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與齒輪的幾何尺寸，毛坯、材料、加工方法、使用要求及經(jīng)濟(jì)性等因素有關(guān)，進(jìn)行齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，必須綜合以上各方面的因素，通常是先按齒輪的直徑大小，選定合適的結(jié)構(gòu)形式，然后再根據(jù)薦用的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

對于直徑很小的鋼制齒輪，當(dāng)為圓柱齒輪時，若齒根圓到鍵槽底部的距離e<2mt；當(dāng)為圓錐齒輪時，按齒輪小端尺寸計(jì)算而得的e<1.6m時，均應(yīng)將齒輪和軸做成一體，叫做齒輪軸。若e值超過上述尺寸時，齒輪與軸以分開制造為合理。

當(dāng)齒頂圓直徑da≤160mm時，可做成實(shí)心結(jié)構(gòu)的齒輪，但航空產(chǎn)品中的齒輪，雖da≤160mm，也有做成腹板式的。當(dāng)齒頂圓直徑d<500mm，可做成腹板式的結(jié)構(gòu)，腹板上開孔的數(shù)目按結(jié)構(gòu)尺寸大小及需要確定。

齒頂圓直徑da>300mm的鑄造圓錐齒輪，可做成帶加強(qiáng)肋的腹板式結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)肋的厚度C1≈0.8C，其他結(jié)構(gòu)對與腹板式相同。

當(dāng)齒頂圓直徑400

齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，還要進(jìn)行齒輪和軸的聯(lián)接設(shè)計(jì)。通常采用單鍵連接。但當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)速較高時，要考慮輪芯的平衡及中性。這時齒輪和軸的聯(lián)接應(yīng)采用花鍵或雙鍵連接。對于沿軸滑稱的齒輪，為了操作靈活，也就應(yīng)采用花鍵或雙導(dǎo)鍵連接。

總之，以上論述了機(jī)械設(shè)計(jì)關(guān)于齒輪的轉(zhuǎn)動方面，可以看出，機(jī)械中的任何一個重要的部件都要進(jìn)行嚴(yán)格的設(shè)計(jì)，機(jī)械工業(yè)起到重要的作用是為國民經(jīng)濟(jì)提供技術(shù)裝備和改進(jìn)技術(shù)的重要作用，我們必須大量設(shè)計(jì)制造 ，大量培養(yǎng)高端人才，對他們進(jìn)行系統(tǒng)培訓(xùn)系統(tǒng)學(xué)習(xí)定期考核，才能使用各種先進(jìn)的機(jī)械，才能是我國的機(jī)械制造業(yè)更加完善，更加處于世界先進(jìn)行列里，才能成為機(jī)械制造的大強(qiáng)國，才能推動我國的建設(shè)步伐，趕超世界先進(jìn)潮流。

作者簡介：王金利（1974.6-），男，內(nèi)蒙古赤峰市，工程師，本科。