輪齒齒輪

齒輪是機(jī)械設(shè)備的重要基礎(chǔ)零件。埃及、巴比倫早在公元前400～前200年開始使用齒輪，中國在戰(zhàn)國末期至秦代(公元前221以前)開始使用。亞里士多德(公元前384～前322)所著的《機(jī)械問題》是關(guān)于齒輪的最早文獻(xiàn)記載。齒輪應(yīng)用極廣，其傳動比可高達(dá)100～200(單級)，圓周速度范圍為0.1～200 m/s，轉(zhuǎn)速范圍為1～20000 r/min，最大傳遞功率可達(dá)50000 kW，低速重載時轉(zhuǎn)矩高達(dá)1.4×10N·m，高精度圓柱齒輪副的傳動效率可達(dá)0.99以上，使用壽命一般為5～10年，較好時可達(dá)20～30年。

齒輪可按齒形、齒輪外形、齒線形狀、輪齒所在的表面和制造方法等分類。

齒輪的齒形包括齒廓曲線、壓力角、齒高和變位。漸開線齒輪比較容易制造，因此現(xiàn)代使用的齒輪中 ，漸開線齒輪占絕對多數(shù)，而擺線齒輪和圓弧齒輪應(yīng)用較少。

在壓力角方面，小壓力角齒輪的承載能力較??；而大壓力角齒輪，雖然承載能力較高，但在傳遞轉(zhuǎn)矩相同的情況下軸承的負(fù)荷增大，因此僅用于特殊情況。而齒輪的齒高已標(biāo)準(zhǔn)化，一般均采用標(biāo)準(zhǔn)齒高。變位齒輪的優(yōu)點較多，已遍及各類機(jī)械設(shè)備中。

另外，齒輪還可按其外形分為圓柱齒輪、錐齒輪、非圓齒輪、齒條、蝸桿蝸輪；按齒線形狀分為直齒輪、斜齒輪、人字齒輪、曲線齒輪；按輪齒所在的表面分為外齒輪、內(nèi)齒輪；按制造方法可分為鑄造齒輪、切制齒輪、軋制齒輪、燒結(jié)齒輪等。

齒輪的制造材料和熱處理過程對齒輪的承載能力和尺寸重量有很大的影響。20世紀(jì)50年代前，齒輪多用碳鋼，60年代改用合金鋼，而70年代多用表面硬化鋼。按硬度 ，齒面可區(qū)分為軟齒面和硬齒面兩種。

軟齒面的齒輪承載能力較低，但制造比較容易，跑合性好， 多用于傳動尺寸和重量無嚴(yán)格限制，以及小量生產(chǎn)的一般機(jī)械中。因為配對的齒輪中，小輪負(fù)擔(dān)較重，因此為使大小齒輪工作壽命大致相等，小輪齒面硬度一般要比大輪的高。

硬齒面齒輪的承載能力高，它是在齒輪精切之后 ，再進(jìn)行淬火、表面淬火或滲碳淬火處理，以提高硬度。但在熱處理中，齒輪不可避免地會產(chǎn)生變形，因此在熱處理之后須進(jìn)行磨削、研磨或精切 ，以消除因變形產(chǎn)生的誤差，提高齒輪的精度。

齒輪上的每一個用于嚙合的凸起部分，均稱為輪齒。一般說來，這些凸起部分呈輻射狀排列。它被用于與配對齒輪上的類似的凸起部分接觸，由此導(dǎo)致齒輪的持續(xù)嚙合運轉(zhuǎn)。

齒輪整個圓周上輪齒的總數(shù)稱為齒數(shù)，一般以字母z表示。

輪齒修緣是齒廓修形的一種，指的是在齒頂附近對齒廓形狀進(jìn)行有意識的修削。通常是把漸開線齒輪齒頂?shù)囊恍〔糠铸X廓曲線 (分度圓壓力角α=20°的漸開線) 修成α>20°的漸開線。

由于齒輪的齒形及基節(jié)等的制造誤差， 以及齒輪嚙合時輪齒產(chǎn)生的彈性變形，都會 使輪齒進(jìn)入嚙合時發(fā)生瞬時沖擊和干涉而引 起傳動噪聲加大，若對齒形進(jìn)行適當(dāng)?shù)男蘧?則有助于減小或避免干涉，使噪聲降低。

輪齒的修緣量是在一定載荷下測得的， 通常，輪齒修緣量根據(jù)最常用的驅(qū)動載荷來 確定。修緣量過大會破壞有效工作齒廓，過小則會失去修緣的作用。因此，對于特定的齒輪傳動，最好是通過試驗求得最佳修緣量。

對于中、小模數(shù)齒輪，比較合適的修緣量為：齒頂直線方向δ_c≈(0.01～0.015) m;齒高方向h_c≈(0.4～0.5)m(其中m為 齒輪模數(shù))。

輪齒折斷是指齒輪一個或多個齒的整體 或其局部的斷裂。它通常是由于輪齒的交變應(yīng)力超過了材料的疲勞極限所造成。有時，也可能由短時過載所造成。

輪齒折斷大致可分三種情況： 疲勞折斷、過載折斷和隨機(jī)斷裂。

輪齒疲勞折斷

疲勞折斷是指起源于齒根處的疲勞裂紋 不斷擴(kuò)展所造成的斷齒。這種疲勞裂紋常發(fā) 生在齒根圓角半徑方向，呈細(xì)線狀。疲勞折 斷的斷口一般分為疲勞擴(kuò)展區(qū)和瞬時折斷區(qū)。疲勞擴(kuò)展區(qū)的表面通常較光滑，?？捎^ 察到由疲勞源開始的 “貝殼紋” 狀的疲勞擴(kuò)展跡線。疲勞源及其附近區(qū)域，在外觀上常呈 “眼” 狀，但有的 “眼” 在宏觀上不明 顯。瞬時折斷區(qū)的表面粗糙，參差不齊。

疲勞斷齒的據(jù)本原因是： 輪齒在過高的交變應(yīng)力多次作用下，從齒根疲勞源起始的 疲勞裂紋不斷擴(kuò)展，使輪齒剩余截面上的應(yīng)力超過其極限應(yīng)力。傳動系統(tǒng)中的動載荷、 輪齒接觸不良、齒根圓角半徑過小和齒根表 面粗糙度過高、滾切時的拉傷、材料中的夾 雜物、熱處理產(chǎn)生的微裂紋、磨削燒傷及其他有害殘余應(yīng)力等因素，都會促成輪齒疲勞折斷。

疲勞折斷的對策： 修改齒輪的幾何參 數(shù)、降低齒根表面粗糙度、對齒根進(jìn)行正確的噴丸處理、增大齒根圓角半徑、對齒根圓角區(qū)進(jìn)行調(diào)整以降低齒根危險截面的彎曲疲勞應(yīng)力，對材料進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚硪垣@得較好的金相組織，以及盡可能降低有害的殘余應(yīng)力等措施均有助于防止疲勞折斷。

輪齒隨機(jī)斷裂

隨機(jī)斷裂是指不與齒根圓角截面有關(guān)的疲勞斷齒，它可以由缺陷或過高的有害殘余 應(yīng)力所誘發(fā)。斷裂部位隨缺陷或過高的有害 殘余應(yīng)力位置而定。其斷口與一般疲勞折斷的斷口相似。

隨機(jī)斷裂通常是由于輪齒缺陷、點蝕或 其他應(yīng)力集中源在該處形成過高局部應(yīng)力集中引起的。夾雜物、微細(xì)磨削裂紋等輪齒缺陷在交變應(yīng)力作用下不斷擴(kuò)展導(dǎo)致齒的斷 裂。不適當(dāng)?shù)臒崽幚硭纬傻倪^高有害殘余應(yīng)力能引起齒的局部斷裂。較大的異物進(jìn)入嚙合處也會使局部輪齒產(chǎn)生低周疲勞折 斷。

隨機(jī)斷裂的對策： 在設(shè)計時，選擇合理 的參數(shù)和結(jié)構(gòu); 消除產(chǎn)生過高局部應(yīng)力集中或過高有害殘余應(yīng)力的條件; 確保材料的品質(zhì)；嚴(yán)格控制加工工藝過程防止產(chǎn)生各種缺陷和防止硬性異物進(jìn)入嚙合。

在過大的應(yīng)力作用下，輪齒材料因屈服 產(chǎn)生塑性流動而形成齒面或齒體的塑性變 形。它一般多發(fā)生于硬度低的齒輪上，但在重載作用下，硬度高的齒輪上也常發(fā)生。

輪齒在嚙合過程中，其齒面表層的塑性變形是沿其摩擦力的方向產(chǎn)生的，如由于主動輪齒上所受的摩擦力是背離相對滑動速度為零的節(jié)線分別朝向齒頂及齒根作用的，故產(chǎn)生塑性變形后，齒面沿節(jié)線處就形成溝槽；而從動輪齒上所受的摩擦力則是分別由齒頂及齒根朝向節(jié)線作用的，故產(chǎn)生塑性變形后，齒面沿節(jié)線處就形成脊棱 (圖1所示)。

這種損傷是由齒廓嚙合干涉造成的。其特征是齒頂部，尤其是齒根部有明顯的金屬 移動痕跡。齒根部挖出溝槽，齒頂部被滾 圓。通常，干涉損傷可引起齒面磨損、塑性變形、膠合甚至導(dǎo)致輪齒折斷。

嚙合參數(shù)設(shè)計不合理、加工齒形誤差過 大、安裝中心距過小、工作中熱變形過大 等，都可造成輪齒不正常嚙合而引起干涉損 傷。相嚙合的輪齒頂部和根部載荷過大或嚙 合過緊，有可能使?jié)櫥湍な?，造成齒頂、齒根部金屬急劇移動，導(dǎo)致整個齒面損傷。

避免輪齒干涉損傷可采取下列對策： 應(yīng)在設(shè)計和加工過程中，從輪齒幾何形狀，切削刀具以及制造安裝等方面加以避免。選擇 適當(dāng)?shù)臐櫥秃屠鋮s措施也是有效的。

中文名稱

蝸輪齒寬

英文名稱

face width of wormwheel

定　　義

蝸輪輪齒的計算寬度。

應(yīng)用學(xué)科

機(jī)械工程（一級學(xué)科），傳動（二級學(xué)科），蝸桿傳動（三級學(xué)科）

星輪的齒形有：

(1)平面直齒形 星輪齒片與轉(zhuǎn)子齒槽僅在齒面平面上嚙合，理論上嚙合的接觸線是一條不變的直線。雖然在星輪齒面平面不同的截面上開有不同的導(dǎo)角，但由于齒片面與齒槽在嚙合過程中其后角在不斷地變化，不容易形成穩(wěn)定的油膜，影響潤滑，較易磨損，在初磨后變成了一段曲面。但平面直齒形齒片的刀具設(shè)計和加工簡單。

(2)柱面齒形 星輪齒片采用圓柱面齒形，轉(zhuǎn)子齒槽面為柱面齒形的包絡(luò)曲面，其接觸線為一空間曲線。這種齒形在嚙合時易于形成油膜，有利于潤滑，因此，磨損小。另外，轉(zhuǎn)子齒槽可采用磨削，得到光整加工，使尺寸精度得到提高，表面粗糙度降低。

(3)平面直齒反包絡(luò)齒形 將平面直齒形的星輪所形成的轉(zhuǎn)子齒槽，反過來對具有一定厚度的星輪齒片進(jìn)行包絡(luò)，形成反包絡(luò)星輪齒片齒面。顯然，星輪齒片齒面與轉(zhuǎn)子齒槽之間形成兩條接觸線'一條是原來的平面接觸線，另一條是反包絡(luò)齒面與轉(zhuǎn)子齒槽齒面的空間接觸線，這樣對基元容積內(nèi)氣體形成雙道密封，并且在兩接觸線之間可以存儲潤滑油。此種齒形既有平面直齒形的優(yōu)點，又具有良好的潤滑，使壓縮機(jī)效率得到提高 。