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齿轮发展状况综述

摘要：

齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一，其形式很多，运用广泛大至宇宙飞船，小至手表、精密仪器,从国防机械到民用机械，从重工业机械到轻工业、农业机械,无不广泛地采用齿轮传动.本文旨在介绍齿轮的起源与发展历程以及发展趋势。

关键字:

齿轮发展传动前景

概述:

齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一，其形式很多，运用广泛大至宇宙飞船,小至手表、精密仪器，从国防机械到民用机械,从重工业机械到轻工业、农业机械,无不广泛地采用齿轮传动。

齿轮的车主要有以下几大特点：

1、传动效率高，在常用的机械传动中，以齿轮的传动效率最高，如一级圆柱齿轮的传动效率可以达到99％.这对大功率传动十分重要.2、结构紧凑，在同样的使用条件下，齿轮所需要的空间尺寸一般比较小。

3、工作可靠寿命长,设计制造正确合理、使用维护良好的齿轮传动，工作十分可靠寿命可以达到一二十年，这也是其他机械传动所不能比的。

4、传动比稳定，传动比稳定往往是对传动性能的基本要求。

但是齿轮传动的制造以及安装精度要求很高，价格较贵,而且不适于传动距离较大的场合.

齿轮机构的类型很多，根据一对齿轮在啮合过程中及其瞬时传动比（i12=ω1/ω2）是否恒定，将齿轮机构分为圆形（i12=常数）齿轮机构和非圆形齿轮机构（i12≠常数）。

应用最广泛的是圆形齿轮机构,而非圆形齿轮机构则应用与一些有特殊要求的机械传动中。

根据齿轮两轴间的相对位置不同，圆形齿轮结构可以分成如下几类：

1、用于平行轴间传动的齿轮机构。

下图中（a）为外齿啮合齿轮机构（externalmeshinggearsmechanism），两齿轮转向相反；图（b）为内啮合齿轮机构（internalmeshinggearsmechanism），两转轮转向相同。

图（c）为齿轮与齿条结构（pinionandrackmechanism），齿条作直线移动。

图a、b、c中各齿轮的齿向与齿轮轴线方向一致，成为直齿轮。

图（d）中轮齿的齿向相对于齿轮的轴线倾斜了一定角度，称

为斜齿轮；图（e）为人字齿轮（double—helicalgear），它可以视为由螺旋角相反的两个斜齿轮组成的。

2、用于相交轴间传动的齿轮机构。

如下图所示，它有直齿和曲齿之分，直齿应用范围最广,而曲线齿锥齿轮（spiralbevelgear）由于其传动平稳，承载能力高，常用于高速重载的传动中，如汽车、拖拉机、飞机等的传动中。

3、用于交错轴间传动的齿轮机构.如下图所示，图（a）为交错轴斜齿轮机构（crossedhelicalgearmechanism），图（b）为蜗杆机构（wormandwormwheelmechanism）图（c）为准双曲面齿轮机构（hypoidgearmechanism）。

齿轮的起源：

据史料记载，远在公元前400-200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指南车就是以齿轮机构为核心的机械装置。

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。

早在1694年，法国学者PhilippeDeLaHire首先提出渐开线可作为齿形曲线。

1733年，法国人M。

Camus提出轮齿接触点的公法线必须通过中心连线上的节点。

一条辅助瞬心线分别沿大轮和小轮的瞬心线（节圆）纯滚动时，与辅助瞬心线固联的辅助齿形在大轮和小轮上所包络形成的两齿廓曲线是彼此共轭的，这就是Camus定理。

它考虑了两齿面的啮合状态;明确建立了现代关于接触点轨迹的概念.1765年,瑞士的L．Euler提出渐开线齿形解析研究的数学基础，阐明了相啮合的一对齿轮，其齿形曲线的曲率半径和曲率中心位置的关系。

后来，Savary进一步完成这一方法,成为现在的Eu—let—Savary方程.对渐开线齿形应用作出贡献的是RoteftWUlls,他提出中心距变化时，渐开线齿轮具有角速比不变的优点。

1873年，德国工程师Hoppe提出，对不同齿数的齿轮在压力角改变时的渐开线齿形，从而奠定了现代变位齿轮的思想基础。

19世纪末,展成切齿法的原理及利用此原理切齿的专用机床与刀具的相继出现，使齿轮加工具有较完备的手段后，渐开线齿形更显示出巨大的优势。

切齿时只要将切齿工具从正常的啮合位置稍加移动，就能用标准刀具在机床上切出相应的变位齿轮.1908年，瑞士MAAG研究了变位方法并制造出展成加工插齿机,后来，英国BSS、美国AGMA、德国DIN相继对齿轮变位提出了多种计算方法.

为了提高动力传动齿轮的使用寿命并减小其尺寸，除从材料，热处理及结构等方面改进外，圆弧齿形的齿轮获得了发展。

1907年,英国人FrankHumphris最早发表了圆弧齿形。

1926年，瑞土人EruestWildhaber取得法面圆弧齿形斜齿轮的专利权.1955年,苏联的M．L．Novikov完成了圆弧齿形齿轮的实用研究并获得列宁勋章。

1970年，英国Rolh—Royce公司工程师R．M。

Studer取得了双圆弧齿轮的美国专利。

这种齿轮现已日益为人们所重视，在生产中发挥了显著效益。

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.现代齿轮技术已达到:

齿轮模数O.004~100毫米；齿轮直径由1毫米～150米;传递功率可达上十万千瓦;转速可达几十万转/分；最高的圆周速度达300米/秒。

齿轮在传动中的应用很早就出现了。

公元前三百多年，古希腊哲学家亚里士多德在《机械问题》中，就阐述了用青铜或铸铁齿轮传递旋转运动的问题。

中国古代发明的指南车中已应用了整套的轮系.不过，古代的齿轮是用木料制造或用金属铸成的，只能传递轴间的回转运动,不能保证传动的平稳性,齿轮的承载能力也很小。

随着生产的发展，齿轮运转的平稳性受到重视。

1674年丹麦天文学家罗默首次提出用外摆线作齿廓曲线，以得到运转平稳的齿轮.

18世纪工业革命时期,齿轮技术得到高速发展,人们对齿轮进行了大量的研究。

1733年法国数学家卡米发表了齿廓啮合基本定律；1765年瑞士数学家欧拉建议采用渐开线作齿廓曲线。

19世纪出现的滚齿机和插齿机，解决了大量生产高精度齿轮的问题。

1900年,普福特为滚齿机装上差动装置，能在滚齿机上加工出斜齿轮，从此用滚齿机来滚切齿轮得到普及，展成法加工齿轮占了压倒优势,渐开线齿轮成为应用最广的齿轮。

1899年，拉舍最先实施了变位齿轮的方案。

变位齿轮不仅能避免轮齿根切，还可以凑配出中心距和提高齿轮的承载能力。

1923年美国怀尔德哈伯最先提出圆弧齿廓的齿轮，1955年苏诺维科夫对圆弧齿轮进行了深入的研究，圆弧齿轮遂得以应用于生产。

这种齿轮的承载能力和效率都较高，但尚不及渐开线齿轮那样易于制造，还有待进一步改进.

齿轮的发展趋势：

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.为达到齿轮装置小型化目的,可以提高现有渐开线齿轮的承载推力。

各国普遍采用硬齿面技术，提高硬度以缩小装置的尺寸,也可应用以圆弧齿轮为代表的特殊齿形。

圆弧齿轮的

端面齿廓或法面齿廓为圆弧，其综合曲率半径大，齿廓为凹凸齿啮合，故在齿轮尺寸和材料相同的情况下，圆弧齿轮的承载能力为渐开线圆柱齿轮的1.5—2倍。

英法合作研制的舰载直升飞机主传动系统采用圆弧齿轮后，使减速器高度大为降低.随着船舶动力由中速柴油机代替的趋势，在大型船上采用大功率行星齿轮装置确有成效.现在冶金、矿山、水泥一轧机等大型传动装置中，行星齿轮以其体积小、同轴性好、效率高的优点而应用愈来愈多。

由于机械设备向大型化发展,齿轮的工作参数提高了。

如高速齿轮的传递功率为1000-30000kw。

齿轮圆周速度为20～200m／s（1200—12000r／min），设计工作寿命为5X104-10X104小时;轧钢机齿轮的圆周速度已由每秒几米提高到20m/s,甚至30～50m/s。

传递扭炬达l00~200t.m,要求使用寿命在20～30年以上。

这些齿轮的精度等级一般在3~8级。

并对平稳性与噪声有较高的要求。

对于高速齿轮（包括透平机械齿轮）.在圆周速度超过100m／s时由于运转中的热效应要求在设计始对产生的热变形进行修正，使齿轮在工作时达到一个正常的啮合状态。

特别对于高速重载齿轮。

更要加以考虑。

其次，对于低速重载齿轮如轧钢机齿轮，由于采用硬齿面齿轮后，其齿面负荷系数增加而引起的整个齿轮装置系统的弹性变形变得突出了，所以有时也要对反映到齿面的弹性变形进行修正。

这种对齿轮轮齿修形的技术是目前大功率、高速、重载齿轮制造的一个重要趋势.在齿轮制造技术方面．重点是进行硬齿面加工，尤其是大型硬齿面齿轮的切切与热处理工艺的发展，如超硬切齿、滚内齿、成形磨齿、大模数齿轮珩齿、弹性砂轮抛光、轮齿修形、以及深层沙碳等新工艺正在生产上不断地试验与应用。

齿轮制造工艺的发展很大程度上表现在精度等级与生产效率的提高．自七十年代以来各种齿轮的制造精度，普遍提高一级左右．有的甚至2～3级．一般低速齿轮精度由过去的8～9级提高到7～8级。

机床齿轮由6～8级提高到4～6级。

轧机齿轮由7～8级提高到5～6级。

对于模数不大的中小规格齿轮,由于高性能滚齿机的开发，加上刀具材料的改善，滚齿效率有了显著提高。

采用多头滚刀，在大进给且条件下，可达到的切削速度为90m/s。

如用超硬滚刀加工模数3左右的调质钢齿轮，切削过度可达200m／s．提高插齿效率，要受到插齿机刀具往复运动机构的限制.最近在开发采用刀具卸载，使用静压轴承，增强刀架与立柱刚性等新结构后,效率有明显提高.新型插齿机的冲程数可达到2000次／分。

由于硬齿面齿轮广泛应用，以及高速、高性能要求的齿轮日益增多，因此要求磨齿加工，在效率和质量上都要提高.一般来说。

展成法磨齿用得较普遍．而成形法磨齿则少．MAAG磨齿法，虽然磨齿精度高，但效率低。

不适合重磨削。

而Niles与Hofler公司生产的单砂轮磨齿机刚性好精度可靠，适合于大进给量加工，效率高.近年来，为提高效率也在改进磨制方法,如减少磨削次数,压缩展成长度，缩短尾削冲程;为此MAAG公司提出的”K"一磨削法与Niles公司提出的"双面磨削法"都提高了实际磨削效率。

目前对于成批磨削中、小用数齿轮，倾向于采用蜗杆砂轮磨齿机，磨削效率很高,对于磨削大模数齿轮，除可应用能重磨削的单砂轮磨齿外，采用成形图削方法。

也是一种高效磨削的有效途径。

此外，还有一些新的工艺方法，如美国格利森公司研制的G－TRACNo765型轨道式切齿机，每小时能加工88个齿轮，比普通滚齿机提高3～4倍.双刀盘高效切齿工艺．切削速度可达137m/s，粗、精加工一个m=1.5mm、外径24．43mm、齿宽19mm的斜齿轮，只需6秒钟，其效率为该齿的5～10倍．美国密芝根工具公司的多刀头插齿，效率比普通插齿提高5~10倍,汽车行业齿轮冷成型工艺，冷挤、热轧等少无切削工艺也不断获得新的发展。

关于齿轮材料与热处理．随着便自面齿轮的发展，也逐渐受到人们的重视。

齿轮用钢的发展趋势；一是含Cr,Ni，Mo的低合金钢；二是硼钢；三是碳氮共渗用钢；四是易切削钢.由于我国缺乏Ni、Cr，常用20CrMnTi渗碳钢或用含硼加稀土钢。

重型机械常用18CrMnNiMo渗碳钢或中碳合金钢。

机床行业食用40Cr,38CrMoAl等钢以及高速齿轮用25Cr2MoV钢进行氮化。

渗碳淬火齿轮可以获得高的表面硬度、耐磨性、韧性和抗冲击性能，能提供高的抗点蚀、抗疲劳性能。

心部和渗碳层的性能主要取决于选用何种热处理工艺，如将齿轮调质处理到360HB时，其齿面接触疲劳极限应力ph．—750N/mm2,如表面淬火到HRC56-60—时，pJ1500N/mm2,如表面渗碳到同样硬度时yi.-1200N/mm2，对于调质齿轮．由于齿轮刀具材料的改进．已将小齿轮的齿面硬度提高到360HB,大齿轮提高到280HB以上.

齿轮渗碳大多数采用气体渗碳法。

常用丙烷气发生炉生成气体，送入渗碳炉进行，也有用液注式渗碳炉，使有机液体在炉内气化进行渗碳．这种方法占地少,原料与处理费用低：

炉子不稳定工作时间也短，有利于节约能源和成本．最近发展的真空离渗碳法，尤其对于深层渗碳要求的齿轮，可进一步缩短时间,减少变形。

电子计算机在各工业领域的应用；促进了各项技术的发展．同样,在齿轮的设计、计算方面进展也很快，人们利用计算机能对各种可能的设计方实进行计算、分析和比较,并通过优选，取得较为理想的结果．例如在分析齿面接触区，求啮合线与相对速度夹角中,对弹流润滑计算以及几何参数计算等方面编制了程序。

还有，在齿轮修形计算与齿轮承载能力计算方面都编有程序．我国已编制了GB3480—83渐开线圆柱齿轮承载能力计算标准的程序软件，供生产应用．在齿轮加工方面，可以利用计算机控制整个切齿过程．使制造质量稳定可靠．目前，国内在研究应用微机对弧齿锥齿轮的切齿调整卡进行计算，可对加工偏差及时调整．使齿面接触达到比较理想的位置,并大大提高了工效。

此外，根据数控原理，应用微机对环面蜗杆螺旋齿面进行抛物线修形，已经应用于生产。

虽然这方面的工作在国内还处于起步阶段，但它对提高齿轮制造质量和技术水平具有重要意义.

参考文献

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机械工程学报，2003.