關于機械工程中齒輪轉動的設計

摘 要：齒輪在機械設備中的作用很重要，它必須具備各項充足的工作能力，來確保一整個工作期間的壽命不會導致失效，針對各種工作中發生的情況及導致失效的形式，應該分別確立相應的設計準則。根據一般使用的齒輪傳動來設計，按保證齒根彎曲疲勞強度及保證齒面接觸疲勞強度來計算。對于高速大功率的齒輪傳動，按保證齒面抗效合能力的準則來計算。

關鍵詞：機械工程；齒輪；轉動設計

1 機器在經濟建設中的作用

機器的優點：即能承擔人力所不能或不便進行的工作，又能較人工生產改進產品質量，特別是能大大提高勞動生產率和改善勞動條件。同時，只有使用機器，才能集中進行大量生產，并對生產進行嚴格的分工與科學的管理；也只有使用機器，才便于實現產品的標準化、系列化和通用化，尤其便于實現高度的機械化。因此，機械工業能夠起到為國民經濟各部門提供技術裝備和促進技術改造的重要作用，通過大量設計制造和廣泛使用各種各樣先進的機器，就能促進國民經濟的發展，推動我國的社會主義現代化建設。

1.1 齒輪轉動的特點：優點是轉動比恒定，使用的功率和速度范圍廣，結構緊湊、效率高，工作可靠且壽命長：缺點是需要用專門的加工設備和刀具，成本相對過高，對制造安裝精度要求較高，不宜用于軸間距離較大的轉動。

1.2 齒輪轉動的類型

類型有平行軸齒輪轉動（圓柱齒輪轉動）、相交軸齒輪轉動（錐齒輪轉動）、交錯軸齒輪轉動（圓柱螺旋齒輪轉動）。其中圓柱齒輪轉動又分為斜齒輪圓柱齒輪轉動和人字齒輪轉動兩種。

1.3 齒輪的精度

1.3.1 漸開線的形成：當直線沿一半徑的圓做純滾動時，直線上任一點的軌跡就是該圓的漸開線。這個圓叫做漸開線的基圓。

1.3.2 漸開線的性質：a、發生線在基圓上滾過的一段長度就等于基圓上相應的弧長b、漸開線上任意一點法線恒切于基圓，切點是漸開線上的曲率中心，越接近基圓，曲率半徑越小反之越大。漸開線上任一點的法線與該點速度方向之間所夾的銳角稱為該點的壓力角c、漸開線的形狀與基圓半徑有關，圓半徑越大，漸開線越平展，綜合曲率半徑越大，直線也是漸開線d、基圓內無漸開線。

1.3.3 齒廓齒合定律

互相齒合轉動的一對齒輪，任一瞬時的轉動比與連心線被其齒合齒廓在接觸點處的公法線所分成的兩段的長度成反比。齒輪轉動的瞬時角速比（轉動比）齒廓形狀影響轉動功能，若轉動比變化——從動輪轉速不均勻——慣性力、振動力、噪音-轉動精度；轉動比恒定的條件：不論兩齒廓在何位置接觸，過其接觸點所作兩齒廓的公法線均須與連心線交于一定點。

1.3.4 齒廓曲線的確定

凡能滿足齒廓齒合基本定律（或某種便轉動比定律）的一對齒廓，稱為共軛齒廓。實際選用，須考慮設計、制造、安裝、使用等因素。常用：漸開線、擺線、圓弧線、拋物線等。

1.3.5 漸開線齒廓的齒合特性

漸開線齒輪符合齒廓齒合基本定律，即能保證定傳動比轉動；漸開線在轉動過程中，齒合線和齒合角始終不變；漸開線齒輪傳力性能好。

1.3.6 漸開線齒輪的切齒原理

近代齒輪加工方法很多，如切削法、鑄造法、熱壓法、沖壓法、電加工法等，但從加工的原理角度看，可將齒輪加工方法歸為兩大類：仿形法和范成法。

2 齒輪轉動的失效形式及設計準則

2.1齒輪傳動就裝置型來說，有開式、半開式及閉式之分；就使用情況來說，有低速、高速及輕載、重載之別；齒輪有較脆、較韌、齒面有較硬、較軟，所以齒輪材料的性能及熱處理工藝不同。由于上述條件的不同，齒輪傳動自然就出現了各種不同的失效形式，齒輪傳動出現問題輪齒也就失效了，一般就會出現輪齒折斷和工作齒面磨損、點蝕、膠合及塑性變形等。

2.2 輪齒折斷

輪齒受載后的齒根處產生的變曲應力為最大，再加上齒根處過渡部分的尺寸發生了急劇的變化，以及沿齒寬方向留下的加工刀痕等引起的應力集中作用，當輪齒重復受載后，齒根處就會產生疲勞裂紋，并逐步擴展，致使齒輪折斷。

在斜圓柱齒輪傳動中，輪齒工作面上的接觸線為一斜線，輪齒受載后，如有荷載集中時，就會發生局部折斷。若制造及安裝不良或軸的彎曲變形過大，輪齒局部受載過大時，即使是直齒圓柱齒輪，也會發生局部折斷。

增大齒根過渡圓角的半徑，消除該處的加刀痕，可以降低應力集中作用；增大軸及支撐的剛度，可以減小齒面上局部受載的程度；使齒芯材料具有足夠的韌性；以及在齒根處施加適當的強化措施等，都可提高輪齒的折斷能力。

2.3 設計準則

綜上分析介紹可知，所設計出的齒輪傳動在具體的工作狀況下，必須具備各項充足的工作能力，來確保一整個工作期間的壽命不會導致失效。因此，針對各種工作中發生的情況及導致失效的形式，應該分別確立相應的設計準則。但是如齒面磨損、塑性變形等由于尚未建立起廣為工程實際使用，而且行之有效的計算方法及設計數據，所以目前設計出一般使用的齒輪傳動時，通常只按保證齒根彎曲疲勞強度及保證齒面接觸疲勞強度兩準則進行計算。相對于高速大功率的齒輪傳動，還要按保證齒面抗效合能力的準則進行計算。至于維護其他失效的能力，就目前雖然一般不進行計算，但應該采取相應的防范措施，以增強輪齒抵抗這些失效的能力。

由實踐得知，在閉式齒輪傳動中，通常以保證齒面接觸疲勞強度為主。但對于齒面的硬度很高，齒芯強度又低的齒輪或材質較脆的齒輪，則以保證齒根彎曲疲勞強度為主。目前僅以保證齒根彎曲疲勞強度作為設計準則。

3 齒輪的結構設計

齒輪的結構設計與齒輪的幾何尺寸，毛坯、材料、加工方法、使用要求及經濟性等因素有關，進行齒輪的結構設計時，必須綜合以上各方面的因素，通常是先按齒輪的直徑大小，選定合適的結構形式，然后再根據薦用的經驗數據進行結構設計。

對于直徑很小的鋼制齒輪，當為圓柱齒輪時，若齒根圓到鍵槽底部的距離e<2mt；當為圓錐齒輪時，按齒輪小端尺寸計算而得的e<1.6m時，均應將齒輪和軸做成一體，叫做齒輪軸。若e值超過上述尺寸時，齒輪與軸以分開制造為合理。

當齒頂圓直徑da≤160mm時，可做成實心結構的齒輪，但航空產品中的齒輪，雖da≤160mm，也有做成腹板式的。當齒頂圓直徑d<500mm，可做成腹板式的結構，腹板上開孔的數目按結構尺寸大小及需要確定。

齒頂圓直徑da>300mm的鑄造圓錐齒輪，可做成帶加強肋的腹板式結構，加強肋的厚度C1≈0.8C，其他結構對與腹板式相同。

當齒頂圓直徑400

齒輪結構設計時，還要進行齒輪和軸的聯接設計。通常采用單鍵連接。但當齒輪轉速較高時，要考慮輪芯的平衡及中性。這時齒輪和軸的聯接應采用花鍵或雙鍵連接。對于沿軸滑稱的齒輪，為了操作靈活，也就應采用花鍵或雙導鍵連接。

總之，以上論述了機械設計關于齒輪的轉動方面，可以看出，機械中的任何一個重要的部件都要進行嚴格的設計，機械工業起到重要的作用是為國民經濟提供技術裝備和改進技術的重要作用，我們必須大量設計制造 ，大量培養高端人才，對他們進行系統培訓系統學習定期考核，才能使用各種先進的機械，才能是我國的機械制造業更加完善，更加處于世界先進行列里，才能成為機械制造的大強國，才能推動我國的建設步伐，趕超世界先進潮流。

作者簡介：王金利（1974.6-），男，內蒙古赤峰市，工程師，本科。