淺談齒輪修形

摘 要： 由于齒輪傳動不可避免地存在制造誤差、安裝誤差及齒輪傳動的受力變形，齒輪傳動裝置中不可避免產(chǎn)生振動和噪聲等現(xiàn)象，特別是在一些高速重載傳動裝置中表現(xiàn)得尤其明顯。齒輪修形是降低齒輪傳動裝置振動和噪聲的一種有效的技術(shù)，近年來獲得越來越廣泛的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：齒廓修形 齒向修形 振動 噪聲

1.齒輪修形技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

世界上有一部分水平較高的齒輪制造廠家，已把齒廓修正數(shù)據(jù)和圖形標(biāo)注在圖紙上，或標(biāo)注在專門的工藝卡片上，對齒輪修形提出了具體的要求。

因為引起齒輪變形的因素多而復(fù)雜，很難準(zhǔn)確確定變形量，而齒輪修形量的大小與變形量有關(guān)，所以目前確定修形量的大小的方法還不成熟，有待進一步研究和探討。

2.齒輪修形概述

在齒輪傳動中，隨著轉(zhuǎn)速提高或載荷加大，輪齒及支承系統(tǒng)的變形明顯增大，再加上制造誤差和安裝誤差等影響，使齒輪傳動出現(xiàn)以下不利現(xiàn)象：

2.1嚙入、嚙出沖擊現(xiàn)象

主動齒輪和被動齒輪只有在基節(jié)相等的前提下才能平穩(wěn)地傳動。一方面加工誤差不可避免，另一方面輪齒在載荷作用下產(chǎn)生彎曲變形，造成主被動齒輪產(chǎn)生基節(jié)差。由于基節(jié)差的存在，在齒輪嚙入和嚙出位置時，其齒根與齒頂發(fā)生干涉，即產(chǎn)生嚙入、嚙出沖擊現(xiàn)象，進而產(chǎn)生齒輪傳動的振動和噪聲。

2.2偏載現(xiàn)象

如圖一（a）所示，一對齒輪理想的齒向嚙合是在全長方向上接觸，但是理想的嚙合齒向是難以實現(xiàn)的。由于齒輪的制造誤差及安裝中箱體孔的位置度誤差、彈性變形等多項因素，圖一（b）所示的實際嚙合齒向是經(jīng)常發(fā)生的，即輪齒的接觸線變短且接觸線位置偏向齒端，使載荷沿齒寬方向分布不均勻，即產(chǎn)生偏載現(xiàn)象，從而降低傳動精度、縮短使用壽命、降低承載能力、增大齒輪傳動噪聲。

通過齒輪修形可以避免以上兩種現(xiàn)象的發(fā)生。即通過齒輪修形可以使齒輪在受載變形后齒面壓力分布均勻、減少偏載，同時仍能保持運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、減少嚙入和嚙出的沖擊，降低齒輪的噪音和振動，提高齒輪的承載能力，延長齒輪的使用壽命。

按修形方向的不同，輪齒修形可分為齒廓修形和齒向修形。

3.齒廓修形

齒廓修形指的是沿齒高方向微量修整齒廓，使其偏離理論漸開線齒廓。齒廓修形包括修緣、修根和挖根等。

3.1齒廓修形原理

在齒輪的頂部或根部附近適當(dāng)?shù)匦拚凉u開線，以補償加工誤差和彈性變形，最大限度地減小主被動齒輪的基節(jié)差，避免或減輕嚙入嚙出沖擊，增強齒輪的傳動效果。

3.2齒廓修形工藝

主要是確定修形的三要素：修形量、修形長度和修形曲線。一般作法是：①沿漸開線相距等于基節(jié)的段不修形，嚙入端和嚙出端修形長度相等，修形量從最大值逐漸變化到零；②修形可以是一對齒的齒頂修形，也可以是單個齒的齒頂和齒根同時修形、與之匹配的另一個齒不修形。

對于齒輪的修形量和修形長度，這個可根據(jù)有關(guān)理論并結(jié)合世界各有關(guān)廠家的成熟經(jīng)驗，采用類比法來確定。通常齒輪齒頂齒根的修形量大約在0.005～0.025mm之間。修形量大小要合適，太小的修形量由于制造誤差的限制，實際意義不大，太大的修形量會得到相反的結(jié)果。一般采用圓弧曲線作為修形曲線。

4.齒向修形

齒向修形指的是沿齒線方向微量修整齒面，使其偏離理論齒面。通過齒向修形可以改善載荷沿輪齒接觸線的不均勻分布，提高齒輪承載能力。

齒向修形一般只對小齒輪進行修形，分為齒端修薄、鼓形修整、曲面修整。

4.1齒向修形原理

通過齒向的微量修整，補償齒向誤差、安裝誤差及軸等的變形造成的偏載現(xiàn)象，盡量保持在齒寬中部位置接觸。如圖一（C）所示。

4.2齒向修形工藝

4.2.1齒端修薄

齒端修薄是指在輪齒的兩端沿齒寬方向倒坡修形，或在齒根至齒頂45°倒角有效避免齒端過載。

以下修形參數(shù)供參考：修形量：S₁=4f_HB±0.02，修形長度：S₂≤2.2m_n+5。

其中：f_HB—齒向線角度偏差，m_n—齒輪模數(shù)，B—齒寬。

4.2.2鼓形修整

傳統(tǒng)的鼓形修形是對稱的鼓起，以提高齒輪的嚙合效果和傳動性能。常用的方法是在漸開線上選定一些點并擬合成修形曲線，由于這種方法很大程度上依據(jù)經(jīng)驗公式進行修形，這樣在高速重載等工作條件下，很難保證其修形的有效性。

4.2.3曲面修形

曲面修形就是通過計算機輔助對工作曲面進行設(shè)計，并對工作條件進行仿真，并根據(jù)材料在工作條件下的彈性形變、溫度影響下的變形計算出加工曲面。曲面修整效果較好，是較理想的修形方法，但計算比較麻煩，工藝比較復(fù)雜但是由于工作條件仿真難度較大，并且同一齒輪傳動條件往往在不同的工作條件下進行工作，這種修形方法還有待進一步發(fā)展。

5.齒輪修形對傳動過程的影響

5.1齒輪修形對齒輪接觸力的影響

在齒輪傳動過程中，嚙合的齒數(shù)是變化的，并且不同的輪齒是輪流嚙合的，這樣單個輪齒所承受的載荷呈周期性變化，而周期性的載荷沖擊及其引起的彈性變形是引起疲勞損傷的主要原因。彈性變形還將導(dǎo)致嚙合齒輪的基節(jié)變化，引起嚙入沖擊與嚙出沖擊，加速疲勞損傷的形成，從而影響齒輪的壽命。

齒輪修形可以對嚙合區(qū)域進行規(guī)劃，使齒輪接觸力更均勻的分布，減少彈性變形，優(yōu)化嚙合效果，提高傳動性能。

5.2齒輪修形對溫度的影響

齒輪傳動過程中溫度對齒輪間隙有著較大的影響，齒輪間隙決定齒面間油膜的厚度，而油膜的厚度又影響齒輪的潤滑。所以齒面溫度對齒輪傳動性能及齒輪潤滑系統(tǒng)的設(shè)計與操控等有著重要的影響。齒輪修形可以通過降低嚙合沖擊來降低齒面溫度，同時還可以增加油膜厚度，從而增強潤滑效果，進一步降低齒輪溫度。

5.3齒輪修形對噪聲的影響

齒輪嚙合過程中的噪聲主要是因為傳動過程中齒輪的撞擊。齒輪輪齒由于不可避免的存有制造和安裝誤差、輪齒的彈性變形、扭轉(zhuǎn)變形、熱變形等因素，使齒輪在嚙合過程中，會產(chǎn)生沖擊、振動。齒輪修形可以補償變形、制造和安裝誤差，從而減小齒輪傳動的噪聲。

參考文獻：

[1]辛經(jīng)緯，王生澤.齒輪修形及其實現(xiàn)方法研究機械設(shè)計與研究，2009（5），總第36卷.

[2]孫月海.漸開線直齒圓柱齒輪修緣減震的動力學(xué)研究天津大學(xué)，2000.

[3]潘洪鑫.齒輪修形技術(shù)研究中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2011（13）.

[4]張玉梅，張志國.齒輪修形小結(jié)技術(shù)與裝備，2010（10）.

[5]汪強，周錦進.齒輪修形技術(shù)及工藝的發(fā)展機械工程師，2002（2）.

[6]楊龍，李應(yīng)生，王志強，湯魚.齒廓修形對齒輪齒面溫度影響分析機械傳動，2011，35（8）.