齒輪傳動

在各種傳動形式中，齒輪傳動在現代機械中應用最為廣泛。這是因為齒輪傳動有如下特點：

1)傳動精度高。前面講過，帶傳動不能保證準確的傳動比，鏈傳動也不能實現恆定的瞬時傳動比，但現代常用的漸開線齒輪的傳動比，在理論上是準確、恆定不變的。這不但對精密機械與儀器是關鍵要求，也是高速重載下減輕動載荷、實現平穩傳動的重要條件。

2)適用範圍寬。齒輪傳動傳遞的功率範圍極寬，可以從0.001W到60000kW；圓周速度可以很低，也可高達150m/s，帶傳動、鏈傳動均難以比擬。

3)可以實現平行軸、相交軸、交錯軸等空間任意兩軸間的傳動，這也是帶傳動、鏈傳動做不到的。

4)工作可靠，使用壽命長。

5)傳動效率較高，一般為0.94～0.99。

6)製造和安裝要求較高，因而成本也較高。

7)對環境條件要求較嚴，除少數低速、低精度的情況以外，一般需要安置在箱罩中防塵防垢，還需要重視潤滑。

8)不適用於相距較遠的兩軸間的傳動。

9)減振性和抗衝擊性不如帶傳動等柔性傳動好。 ^[1] 

齒輪傳動的類型很多，按照不同的分類方法可分為不同的類型。

1．按傳動比

根據一對齒輪傳動的傳動比是否恆定來分，可分為定傳動比和變傳動比齒輪傳動。變傳動比齒輪傳動機構中齒輪一般是非圓形的，所以又稱為非圓齒輪傳動，它主要用於一些具有特殊要求的機械中。而定傳動比齒輪傳動機構中的齒輪都是圓形的，所以又稱為圓形齒輪傳動。

定傳動比齒輪傳動的類型很多，根據其主、從動輪迴轉軸線是否平行，又可將它分為兩類，即平面齒輪傳動和空間齒輪傳動。

2．按齒廓形狀

按齒廓曲線的形狀不同，可分為漸開線齒輪傳動、擺線齒輪傳動、圓弧齒輪傳動和拋物線齒輪傳動等。其中漸開線齒輪傳動應用最為廣泛。

3．按工作條件

按齒輪傳動的工作條件不同，可分為閉式齒輪傳動、開式齒輪傳動和半開式齒輪傳動。開式齒輪傳動中輪齒外露，灰塵易於落在齒面；閉式齒輪傳動中輪齒封閉在箱體內，可保證良好的工作條件，應用廣泛；半開式齒輪傳動比開式齒輪傳動工作條件要好，大齒輪部分浸入油池內並有簡單的防護罩，但仍有外物侵入。

4．按齒面硬度

根據齒面硬度不同分為軟齒面齒輪傳動和硬齒面齒輪傳動。當兩輪（或其中有一輪）齒面硬度≤350HBW時，稱為軟齒面傳動；當兩輪的齒面硬度均>350HBW時，稱為硬齒面傳動。軟齒面齒輪傳動常用於對精度要求不太高的一般中、低速齒輪傳動，硬齒面齒輪傳動常用於要求承載能力強、結構緊湊的齒輪傳動。

齒輪傳動的類型雖然很多，但漸開線直齒圓柱齒輪傳動是其中最簡單、最基本的類型。 ^[2] 

齒輪傳動是靠齒與齒的齧合進行工作的，輪齒是齒輪直接參與工作的部分，所以齒輪的失效主要發生在輪齒上。主要的失效形式有輪齒折斷、齒麪點蝕、齒面磨損、齒面膠合以及塑性變形等。

1．輪齒折斷

輪齒折斷通常有兩種情況：一種是由於多次重複的彎曲應力和應力集中造成的疲勞折斷；另一種是由於突然產生嚴重過載或衝擊載荷作用引起的過載折斷。尤其是脆性材料（鑄鐵、淬火鋼等）製成的齒輪更容易發生輪齒折斷。兩種折斷均起始於輪齒受拉應力的一側。增大齒根過渡圓角半徑、改善材料的力學性能、降低表面粗糙度以減小應力集中，以及對齒根處進行強化處理（如噴丸、滾擠壓）等，均可提高輪齒的抗折斷能力。

2．齒麪點蝕

輪齒工作時，前面齧合處在交變接觸應力的多次反覆作用下，在靠近節線的齒面上會產生若干小裂紋。隨着裂紋的擴展，將導致小塊金屬剝落，這種現象稱為齒麪點蝕。齒麪點蝕的繼續擴展會影響傳動的平穩性，併產生振動和噪聲，導致齒輪不能正常工作。點蝕是潤滑良好的閉式齒輪傳動常見的失效形式。提高齒面硬度和降低表面粗糙度值，均可提高齒面的抗點蝕能力、開式齒輪傳動，由於齒面磨損較快，不出現點蝕。

3．齒面磨損

輪齒齧合時，由於相對滑動，特別是外界硬質微粒進入齧合工作面之間時，會導致輪齒表面磨損。齒面逐漸磨損後，齒面將失去正確的齒形，嚴重時導致輪齒過薄而折斷，齒面磨損是開式齒輪傳動的主要失效形式。為了減少磨損，重要的齒輪傳動應採用閉式傳動，並注意潤滑。

4．齒面膠合

在高速重載的齒輪傳動中，齒面間的壓力大、温升高、潤滑效果差，當瞬時温度過高時，將使兩齒面局部熔融、金屬相互粘連，當兩齒面做相對運動時，粘住的地方被撕破，從而在齒面上沿着滑動方向形成帶狀或大面積的傷痕，低速重載的傳動不易形成油膜，摩擦發熱雖不大，但也可能因重載而出現冷膠合。採用黏度較大或抗膠合性能好的潤滑油，降低表面粗糙度以形成良好的潤滑條件；提高齒面硬度等均可增強齒面的抗膠合能力。

5．齒麪塑性變形

硬度較低的軟齒面齒輪，在低速重載時，由於齒面壓力過大，在摩擦力作用下，齒面金屬產生塑性流動而失去原來的齒形。提高齒面硬度和採用黏度較高的潤滑油，均有助於防止或減輕齒麪塑性變形。 ^[3] 

齒輪傳動的不同失效形式在一對齒輪上面不大可能同時發生，但卻是互相影響的。例如齒面的點蝕會加劇齒面的磨損，而嚴重的磨損又會導致輪齒折斷。在一定條件下，由於輪齒折斷、齒麪點蝕失效形式是主要的。因此，設計齒輪傳動時，應根據實際工作條件分析其可能發生的主要失效形式，以確定相應的設計準則。

對於閉式軟齒面（硬度≤350HBW）齒輪傳動．潤滑條件良好，齒麪點蝕將是主要的失效形式，在設計時通常按齒面接觸疲勞強度設計，再按齒根彎曲疲勞強度校核。

對於閉式硬齒面（硬度>350HBW）齒輪傳動，抗點蝕能力較強，輪齒折斷的可能性大，在設計計算時．通常按齒根彎曲疲勞強度設計，再按齒面接觸疲勞強度校核。

開式齒輪傳動，主要失效形式是齒面磨損。但由於磨損的機理比較複雜，尚無成熟的設計計算方法，故只能按齒根彎曲疲勞強度計算，用增大模數10%～20%的辦法加大齒厚，使它有較長的使用壽命，以此來考慮磨損的影響。 ^[3] 

齒輪傳動的潤滑方式，主要取決於齒輪圓周速度的大小。

1)對於開式齒輪及低速（v<0.8～2m/s）、輕載、不是很重要的閉式齒輪傳動，可定期人工加潤滑油或潤滑脂。

2)對於v=2～12m/s的閉式齒輪傳動，採用浸油潤滑。大齒輪浸入油池，藉助齒輪傳動將油帶入齧合表面。對於圓柱齒輪，浸油深度以1～2個齒高為宜，最大浸油深度不超過大齒輪分度圓半徑的1/3。油池中的油量與傳遞功率大小有關，單級傳動為0.35~0.7L/kW，多級傳動按級數成倍增加。當多級傳動中低速級齒輪浸油深度合適，而高速級大齒輪未能浸入油中時，可採用帶油輪給高速級大齒輪供油。油池深度一般不應小於30～50mm，以防止齒輪轉動時將油池底部的雜質攪起，造成潤滑油不潔，加劇齒面磨損。油池中應有充足的油量，以保證散熱。

3)對於v>12m/s的閉式齒輪傳動，宜採用噴油潤滑，將一定壓力的潤滑油噴射到輪齒齧合面。當w≤25m/s時，噴嘴位於輪齒齧入或齧出邊均可；當v≥25m/s時，噴嘴應位於齧出一邊，及時冷卻剛齧合後的輪齒，並進行潤滑。噴油潤滑供油充分、連續，宜用於高速、重載的重要齒輪傳動。 ^[2]