王清輝， 李治平

（天津市祥威傳動(dòng)設(shè)備有限公司，天津 300380）

0 引言

齒輪機(jī)構(gòu)是機(jī)械傳動(dòng)中最重要、應(yīng)用最廣泛的一種傳動(dòng)形式，其優(yōu)點(diǎn)是能保證傳動(dòng)比恒定不變，能傳遞足夠大的動(dòng)力；運(yùn)動(dòng)精度和傳動(dòng)效率高，工作可靠，壽命長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)緊湊［1］。根據(jù)相嚙合齒輪軸線的相對(duì)位置關(guān)系，分為平行軸齒輪傳動(dòng)（圓柱齒輪傳動(dòng)）、相交軸齒輪傳動(dòng)（錐齒輪傳動(dòng)）和交錯(cuò)軸齒輪傳動(dòng)（如準(zhǔn)雙曲面齒輪）；根據(jù)齒廓的形狀分為漸開(kāi)線圓柱齒輪、擺線圓柱齒輪、圓弧圓柱齒輪和雙圓弧圓柱齒輪等?？紤]承載能力的大小、加工制造的難易程度和對(duì)中心距偏差的敏感性等因素，漸開(kāi)線齒形比擺線、圓弧線或其他一些齒形具有更多的優(yōu)越性，因此，我們?cè)诠こ讨袕V泛應(yīng)用的是漸開(kāi)線圓柱齒輪。漸開(kāi)線圓柱齒輪傳動(dòng)包含直齒圓柱齒輪傳動(dòng)、斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)和人字齒圓柱齒輪傳動(dòng)三種。

1 漸開(kāi)線齒廓曲面的形成

當(dāng)一直線在一圓周上做純滾動(dòng)時(shí)，該直線上任一點(diǎn)的軌跡稱(chēng)為該圓的漸開(kāi)線；按照漸開(kāi)線的形成原理，我們來(lái)生成齒輪的漸開(kāi)線曲面。當(dāng)一平面在一圓柱（即基圓柱）上做純滾動(dòng)時(shí)，該平面上與任意條直線的軌跡稱(chēng)為該圓柱的漸開(kāi)線曲面，當(dāng)平面上的直線與基圓柱軸線平行時(shí)，就產(chǎn)生了直齒輪圓柱齒輪的齒廓曲面；當(dāng)平面上的直線與基圓柱軸線成一角度β（螺旋角）時(shí)，就產(chǎn)生了斜齒輪圓柱齒輪的齒廓曲面。

2 人字齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)

人字齒輪是指把一個(gè)齒輪做成結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)的、螺旋角方向相反的一對(duì)斜齒輪。

圓柱齒輪傳動(dòng)的一大優(yōu)點(diǎn)就是傳動(dòng)的平穩(wěn)性，平穩(wěn)傳動(dòng)前提是要保證傳動(dòng)的連續(xù)性，即前一對(duì)輪齒脫離嚙合之前，后一對(duì)輪齒就應(yīng)開(kāi)始進(jìn)入嚙合。當(dāng)前一對(duì)輪齒的嚙出與后一對(duì)輪齒的嚙入同時(shí)發(fā)生時(shí)稱(chēng)齒輪傳動(dòng)的重合度ε=1，理論上講，此時(shí)就保證齒輪的連續(xù)傳動(dòng)，但考慮齒輪制造和安裝中的誤差，應(yīng)使重合度ε＞1。重合度ε值的增大，不僅可以提高齒輪傳動(dòng)的平穩(wěn)性，還可以提高齒輪傳動(dòng)的承載能力。

從這一特性來(lái)看，斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)要比直齒圓柱齒輪傳動(dòng)更有優(yōu)勢(shì)，傳動(dòng)更加平穩(wěn)。因?yàn)樾饼X輪除了具有直齒輪的端面重合度εα外，還具有其特有的縱向重合度εβ。

式中：εγ為斜齒輪嚙合重合度；b為齒輪齒寬；mn為齒輪法向模數(shù)；β為齒輪螺旋角。

由式（2）可知，εβ始終是大于0的值，且隨著齒寬和螺旋角的增大而增大，在理論上，齒輪螺旋角β和齒寬b都沒(méi)有限制，從而使斜齒輪的重合度可以達(dá)到很大的數(shù)值，但實(shí)際應(yīng)用中，由于制造設(shè)備的限制、自身結(jié)構(gòu)的限制和傳動(dòng)系統(tǒng)受力的限制等因素，齒寬和螺旋角不可以不受限制地增大。一般情況下，斜齒輪的螺旋角取值為8°～17°，齒寬b滿(mǎn)足b≥0.9π·mn/（sinβ）。

為了得到更大重合度的齒輪傳動(dòng)，人字齒圓柱齒輪傳動(dòng)應(yīng)運(yùn)而生，因其克服了斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)缺點(diǎn)，即隨著螺旋角的增大，傳動(dòng)時(shí)引起的軸向力也相應(yīng)地增大，影響整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)平穩(wěn)性。人字齒圓柱齒輪有效地解決了這一問(wèn)題，由于人字齒圓柱齒輪的一部分齒寬為左螺旋齒，另一部分為右螺旋齒，其兩部分輪齒的左、右螺旋角大小相等，方向相反，剛好自我抵消了傳動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的軸向力因此不會(huì)隨著螺旋角的增大而對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響，人字齒圓柱齒輪的傳動(dòng)比斜齒圓柱齒輪的傳動(dòng)更加平穩(wěn)、安靜。一般而言螺旋角取25°～40°，但其缺點(diǎn)是制造比較困難，特別是對(duì)齒輪的制造精度要求較高時(shí)更為明顯。

3 人字齒輪加工

由于人字齒輪結(jié)構(gòu)上的特殊性，使其加工較普通的斜齒輪要復(fù)雜一些，對(duì)于設(shè)備的要求也比斜齒輪加工的設(shè)備要求高。技術(shù)要求方面除了要滿(mǎn)足斜齒輪的精度要求外，還對(duì)左、右齒輪齒槽延長(zhǎng)線交點(diǎn)位置（后文稱(chēng)人字齒輪中線）有要求，通常該交點(diǎn)要在齒輪兩定位端面的中線上。這也是人字齒輪加工的一個(gè)難點(diǎn)，下面介紹幾種常見(jiàn)的加工方法。

3 .1 軟齒面齒輪（嚙合齒輪副的齒面硬度小于350 HB）

對(duì)于軟齒面齒輪較常見(jiàn)的加工方法有仿形法加工和展成法加工。

1）仿形法是指采用數(shù)控加工中心機(jī)床并配以指形銑刀進(jìn)行銑削加工。此種加工方法齒輪的精度受刀具影響較大，齒輪齒部的精度較低，通常能達(dá)到DIN8級(jí)左右的精度，但人字齒輪中線位置較準(zhǔn)確，整體的加工效率也較低。

2）展成法是指采用數(shù)控滾齒機(jī)進(jìn)行滾削加工。其中，滾齒機(jī)控制軟件若帶有人字齒輪加工功能可采用人字齒加工程序進(jìn)行加工，對(duì)于人字齒輪中線位置比較容易保證，關(guān)鍵是將齒輪加工的安裝高度輸入準(zhǔn)確即可；若不帶有人字齒輪加工功能，則需要在加工前對(duì)左、右旋的兩齒輪齒面上進(jìn)行劃線，以此確定出人字齒輪中線的位置，然后分別根據(jù)劃線位置對(duì)刀進(jìn)行左、右齒輪的滾削加工，此方法加工出的人字齒輪中線位置不容易保證，需要由劃線的精度和對(duì)刀的準(zhǔn)確性共同決定；整體來(lái)講采用滾削方法生產(chǎn)出的齒輪齒部精度較高（可達(dá)到DIN7級(jí)），其加工效率也比較高。

3.2 硬齒面齒輪

硬齒面齒輪通常是對(duì)齒輪材料進(jìn)行滲碳或者是滲氮處理，使得齒輪的表面硬度在60 HRC左右，齒輪若進(jìn)行滲氮處理需要在熱處理前將加工完齒部，其加工方法與軟齒面齒輪相同；齒輪若進(jìn)行滲碳處理需在熱處理后加工完齒部，其加工方法通常是磨齒加工，磨齒時(shí)可以對(duì)人字齒中心線進(jìn)行調(diào)整，由于滾齒留量有限，因此人字齒中心線調(diào)整量有限，人字齒中心線的位置由熱處理前的加工精度決定，但采用磨齒加工的齒輪精度可達(dá)到DIN5級(jí)以上。目前，擁有這樣加工能力的企業(yè)并不多。

4 結(jié)語(yǔ)

由于人字齒輪具有自動(dòng)抵消軸向力的特性，因此增大螺旋角對(duì)整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的受力沒(méi)有影響，但另一方面較大的螺旋角可以得到較大的重合度，使得傳動(dòng)更加平穩(wěn)。采用人字齒輪副的齒輪箱具有傳動(dòng)平穩(wěn)、噪聲低、體積小、重量輕、傳遞功率大、使用壽命長(zhǎng)的顯著特點(diǎn)，具有較高的社會(huì)綜合效益?？梢?jiàn)，人字齒輪傳動(dòng)是齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的一個(gè)重要發(fā)展方向，需要我們進(jìn)一步提升現(xiàn)有的制造水平。

［1］ 楊家軍，張衛(wèi)國(guó).機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2002：91.