王淑霞

摘要： 論述了漸開(kāi)線斜齒輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。本文分析齒輪傳動(dòng)，推出了在重載，高速情況下使用優(yōu)化設(shè)計(jì)的漸開(kāi)線斜齒輪傳動(dòng)，得到高的使用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 漸開(kāi)線斜齒輪；齒輪傳動(dòng)；齒根；齒頂修形；齒端修形；齒形修形

引言

齒輪傳動(dòng)是現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)中應(yīng)用最廣泛、最主要的一種傳動(dòng)。

漸開(kāi)線齒輪傳動(dòng)在齒輪傳動(dòng)中更是舉足輕重，它有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）它能保證瞬時(shí)傳動(dòng)比恒定，平穩(wěn)性較高，傳遞運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確可靠。

（2）他結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)效率高，使用壽命長(zhǎng)。

面對(duì)現(xiàn)在社會(huì)發(fā)展方向——廣泛所需高承載，高速傳動(dòng)，高效率，低噪音，長(zhǎng)壽命的機(jī)械傳動(dòng)，本文提出了應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)的漸開(kāi)線斜齒輪傳動(dòng)。

一對(duì)漸開(kāi)線斜齒輪嚙合時(shí)，齒面上的接觸線時(shí)由一個(gè)齒輪的一端齒頂（或齒根）處開(kāi)始，逐漸由短變長(zhǎng)，再由長(zhǎng)變短，至另一端的齒根（或齒頂）處為止。因此，每一個(gè)斜齒上所受的載荷也是連續(xù)的有小到大，又有大到小。由于斜齒輪的輪齒是螺旋狀的，實(shí)際的嚙合線長(zhǎng)了，同時(shí)進(jìn)入嚙合的齒數(shù)就比直齒多了，因此單位齒面積受的載荷比直齒小了，承載能力就大了；沖擊、噪聲、振動(dòng)也大為減小，適用于高速傳動(dòng)；使用壽命長(zhǎng)。無(wú)數(shù)的社會(huì)實(shí)踐已經(jīng)證明了這令人可喜的成果。在此基礎(chǔ)上，優(yōu)化漸開(kāi)線齒輪的設(shè)計(jì)，就又有了錦上添花的效果，具體方法如下文。

1.巧用漸開(kāi)線斜齒輪的根切現(xiàn)象

無(wú)論是在理工類大學(xué)的機(jī)械設(shè)計(jì)課本還是在某些機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)或雜志，大家都可以看到“制造齒輪應(yīng)該避免根切現(xiàn)象”這句話。一般情況下，用范成法加工漸開(kāi)線齒輪時(shí)，刀具的頂部接觸到齒輪的根部，產(chǎn)生根切。這時(shí)齒根受到根切變窄，使其強(qiáng)度削弱，齒輪傳動(dòng)的平穩(wěn)性受到影響，每個(gè)輪齒分擔(dān)的載荷也加大，齒輪容易損壞，所以對(duì)于軟齒面或一般齒輪應(yīng)該避免根切現(xiàn)象。設(shè)計(jì)時(shí)為避免根切現(xiàn)象的發(fā)生，齒數(shù)不應(yīng)小于17，這些話更無(wú)可厚非。但面對(duì)社會(huì)所需，對(duì)于齒數(shù)大于17的硬齒面漸開(kāi)線斜齒輪，可以有意制造根切現(xiàn)象，并且巧用的這種根切現(xiàn)象。

眾所周知，硬齒面漸開(kāi)線斜齒輪是必須經(jīng)磨削加工的。在磨削漸開(kāi)線斜齒輪的齒面時(shí)，磨齒砂輪必定會(huì)在輪齒根處留下交接磨痕或?qū)X根部啃一下，這都大大地削弱了齒的強(qiáng)度。為了避免這種現(xiàn)象，并提高齒根的彎曲強(qiáng)度，在用范成法加工齒輪時(shí)，有意地加工出

根切，在齒根部出現(xiàn)一個(gè)凹槽（如圖1 所示）。然后下一工序轉(zhuǎn)為對(duì)齒輪熱處理及齒根部噴丸強(qiáng)化處理，接

下來(lái)的任何工序都不要接觸此凹槽，使齒根的表面獲得殘余壓應(yīng)力，提高20%的齒根抗彎強(qiáng)度。整個(gè)輪齒

增加了抗疲勞強(qiáng)度，增加硬度，耐磨性。

圖1 根切現(xiàn)象

2.齒頂修形

在一對(duì)斜齒輪的嚙合過(guò)程中，由于節(jié)距誤差和受力后齒輪產(chǎn)生變形，使被動(dòng)輪的齒頂碰撞主動(dòng)輪的齒根。在大負(fù)荷下由于輪齒變形嚴(yán)重所引起的碰撞遠(yuǎn)勝于前一原因。而通過(guò)對(duì)漸開(kāi)線齒廓的齒頂部分修形（如圖2 所示），可以使主動(dòng)輪與被動(dòng)輪開(kāi)始嚙合時(shí)齒側(cè)間產(chǎn)生一個(gè)微小的間隙（如圖3 所示），避免了因上述原因引起的碰撞，使齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，提高其承載能力。齒頂修形減少節(jié)距誤差的影響。正常驅(qū)動(dòng)時(shí)由于節(jié)距誤差使嚙合易于產(chǎn)生振動(dòng)。輪齒頂修形后振動(dòng)和噪音降低，動(dòng)載荷降低，嚙合平穩(wěn)。

圖2 齒頂修形

其次，通過(guò)圖3 所示齒頂修形使主動(dòng)輪與被動(dòng)輪開(kāi)始嚙合時(shí)齒側(cè)間產(chǎn)生一個(gè)微小的間隙，它有利于油膜形成，可以使磨損明顯減少，使齒輪嚙合時(shí)也會(huì)得到潤(rùn)滑和冷卻，提高了抗膠合的極限載荷。

再次，由于齒頂修形 修去了齒頂附近的漸開(kāi)線部分，所以滑動(dòng)速度大的部分雖然施加的載荷較大，但由于彈性變形才相嚙合，所以實(shí)際承受載荷較小。這樣就有效地改善了齒頂部的嚙合。因輪齒嚙合主要集中在齒的中部，所以不會(huì)影響有效功率的傳遞。

圖3 齒頂修形

例如：漸開(kāi)線斜齒輪在工業(yè)減速機(jī)中應(yīng)用相當(dāng)廣泛，在減速過(guò)程中一般首先是電機(jī)帶動(dòng)齒軸驅(qū)動(dòng)齒輪；并且在生產(chǎn)中，為齒輪進(jìn)行齒頂修形比對(duì)齒軸進(jìn)行齒頂修形要操作方便一些，因而在批量生產(chǎn)中建議要以對(duì)齒輪進(jìn)行齒頂修形為主，修形量大小是由齒的模數(shù)決定的，詳情可以參考下圖：

圖4 齒輪的齒頂修形

齒頂修形減少了齒面的嚙合部分，是嚙合平穩(wěn)，減少震動(dòng)、沖擊，并不影響接觸面積，并且使齒接觸的地方轉(zhuǎn)移至齒的中部，更有利于傳遞功率。

3.齒端修形

生產(chǎn)實(shí)踐告訴我們：一對(duì)斜齒輪、斜齒軸安裝好運(yùn)轉(zhuǎn)嚙合時(shí)，沿齒長(zhǎng)方向不是像設(shè)計(jì)要求的那樣在齒寬中間接觸，而是端頭的一小部分接觸，通稱“掉角接觸”。造成這種現(xiàn)象的原因是加工和裝配齒輪時(shí)的許多誤差，諸如齒輪的軸向偏擺、齒向誤差、動(dòng)不平衡、相連機(jī)械軸線的不同軸度誤差，齒輪軸變形等。

要想去掉以上弊病的最好方法是齒端修形。齒端修形就是沿輪齒齒長(zhǎng)方向在齒兩端的倒坡修形，齒端修形是漸開(kāi)線斜齒輪必要性的修形（見(jiàn)圖5）。齒端修形可以增加接觸面，減少回轉(zhuǎn)誤差引起的噪音，提高接觸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度。對(duì)于調(diào)質(zhì)的軟齒面、中硬齒面齒輪可以通過(guò)跑合研齒來(lái)改善接觸狀況，但需耗費(fèi)大量工時(shí)。而對(duì)于硬齒則只能使用齒端修形來(lái)補(bǔ)償這些誤差。齒端修形在修形后要確保修掉后的齒端部符合下面兩個(gè)條件：

3.1齒根厚大于2.2倍的法面模數(shù)

3.2 齒頂厚大于0.4倍的法面模數(shù)

圖5齒端修形

由此，可以用經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算，如下：

注：k ：吃端修掉厚度 bc=（0.05～0.15）xb，一般bc=0.1xb ；b：齒寬

齒端修形可減少齒面接觸沖擊力，增大傳動(dòng)的平穩(wěn)性。

4.齒向修形

在傳遞較大的功率時(shí)，一對(duì)斜齒輪、斜齒軸安裝好運(yùn)轉(zhuǎn)。它們嚙合時(shí)有較大的徑向壓力，軸向力造成了扭矩，沿齒長(zhǎng)方向接觸并非是和設(shè)計(jì)時(shí)的想法完全一樣即齒寬方向載荷分布均勻接觸受力。這是因?yàn)辇X軸的兩個(gè)軸承支點(diǎn)有跨距，運(yùn)轉(zhuǎn)接觸受力時(shí)齒軸變形，齒軸中心線并不再是直線，有不同軸度誤差，斜齒輪也隨之變形，這樣就會(huì)出現(xiàn)很多弊?。阂啄p，折齒，有噪音等等。

要想去掉以上弊病的最好方法是齒向修形（見(jiàn)圖6）。做齒向修形是給一對(duì)做嚙合接觸的斜齒軸，斜齒輪中的一個(gè)做齒向修形（見(jiàn)圖7），在做過(guò)齒向修形的一對(duì)斜齒輪、斜齒軸再傳遞較大的功率時(shí)，主要集中在靠近齒根的地方接觸，接觸效果好 。

圖6 齒向修形

圖7a 斜齒軸齒向修形

圖7b 斜齒輪齒向修形

5.冠狀修形

身邊實(shí)踐告訴我們：齒形連軸器內(nèi)部齒輪的齒形；行星齒輪傳動(dòng)中的太陽(yáng)輪都是有冠狀修形的（見(jiàn)圖8）。

冠狀修形的齒在傳遞功率時(shí)，無(wú)論是效率還是齒的壽命都有很大的優(yōu)勢(shì)，但在加工稍大的

輪軸特別是斜齒時(shí)會(huì)帶來(lái)很多問(wèn)題，所以暫不多講。

圖8 冠狀修形

6.結(jié)論

實(shí)踐證明，漸開(kāi)線斜齒輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)是實(shí)際可行的，它彌補(bǔ)了一般齒輪傳動(dòng)的很多不足，能獲得令人滿意的傳遞功率效果。

致謝：SEW工業(yè)減速機(jī)（天津）有限公司的各位領(lǐng)導(dǎo)大力的指導(dǎo)和協(xié)助。

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