機械齒輪傳動優化設計要點分析

王成廣　張森

摘??要：簡述了機械齒輪傳動的特點，通過對齒輪傳動國內外研究現狀的綜述，詳細的分析了機械齒輪傳動的技術要點，并以此提出相應的優化設計建議，為工程實踐提供參考依據。

關鍵詞：齒輪;優化設計;傳動;振動

機械齒輪傳動主要作用是幫助我們傳遞物體運動，也幫助我們傳遞動力。在機械齒輪傳動過程中，對齒輪的要求也很高，務必保證齒輪平穩運轉，并要有足夠的承載能力承受物體重量。

1??齒輪傳動基本原理

齒輪傳動是指由齒輪副傳遞運動和動力的裝置，它是現代各種設備中應用最廣泛的一種機械傳動方式。齒輪傳動是靠齒與齒的嚙合進行工作的，輪齒是齒輪直接參與工作的部分，即一對相同模數（齒的形體）的齒輪相互嚙合將動力或運動由甲軸傳送給乙軸，以完成動力或運動傳遞。它的傳動比較準確，效率高，結構緊湊，工作可靠，壽命長。

齒輪傳動按其主要功能可分為：運動傳遞、動力傳遞、或運動和動力傳遞兼而有之。以運動傳遞為主要功能的齒輪傳動，其研究目標是提高傳動精度。而以動力傳遞為主要功能的齒輪傳動，其研究則主要圍繞以下幾個方面進行：提高承載能力，降低振動噪聲，提高傳動效率，節約制造資源，提高加工效率，避免環境污染。如圖1所。

圖1 動力傳動齒輪研究的任務

2??齒輪傳動研究現狀

2.1?國外研究現狀

關于齒輪傳動研究領域比較有影響力的國際會議主要涉及德國國際齒輪會議、日本國際運動與動力傳動會議、中國齒輪（機械傳動、動力傳動）國際會議;美國動力傳動與齒輪會議。在上述國際齒輪會議中，又以德國的國際齒輪會議影響最大，其特點是參加國家多、高水平學者多，學術界和工業界均很重視。研究內容主要圍繞失效機理，傳動效率和綠色傳動幾個方面展開，詳見下述表1和表2所示。

2.2?國內研究現狀

中國進入工業化國家，中國齒輪傳動的發展具有重要意義，其過程可大致分為四個階段。

第一階段是從20?世紀40?年代末到20?世紀60?年代，中國開始有了自己的齒輪工業，其間共有160?家左右齒輪制造廠（車間）。1956?年成立了（北京）機械科學研究院，下設齒輪傳動研究室，這是中國最早的齒輪技術研究開發機構。

第二階段是20?世紀70?年代。那時齒輪生產廠家約有200家左右，涉足齒輪技術的研究所有7所，諸如鄭州機械研究所，西安重型機械研究所，成都工具研究所等等。同時，從事齒輪傳動技術研究的高等院校大約有10?;所。

第三階段是20?世紀80?年代。那時，主要齒輪生產廠家發展到500?多家，研究所10?余所，而從事齒輪傳動技術研究的高等院校上升到30?余所。

第四階段是20?世紀80?年代到21?世紀初。這一時期中國的齒輪傳動技術已趨于成熟，主要齒輪制造企業有600?余家，產值達31?億美元。在這期間，從事齒輪傳動技術的研究所為10個，高等院校20?余所。

3??優化設計分析

齒輪傳動是靠齒與齒的嚙合進行工作的，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。根據齒輪的失效形式可以在輪齒破壞、齒面腐蝕、齒面摩擦、齒面膠合以及塑性變形等方面加以優化。

3.1?輪齒破壞

輪齒破壞通常有兩種情況：一種是由于多次重復的彎曲應力和應力集中造成的疲勞破壞;另一種是由于突然產生嚴重過載或沖擊載荷作用引起的過載破壞。尤其是脆性材料（鑄鐵、淬火鋼等）制成的齒輪更容易發生輪齒脆斷。兩種破壞均起始于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。

3.2?齒面腐蝕

輪齒工作時，前面嚙合處在交變接觸應力的多次反復作用下，在靠近節線的齒面上會產生若干小裂紋。隨著裂紋的擴展，將導致小塊金屬剝落，類似于腐蝕破壞。齒面腐蝕的繼續擴展會影響傳動的平穩性，并產生振動和噪聲，導致齒輪不能正常工作。齒面的損傷腐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，均可提高齒面的抗腐蝕能力。

3.3?齒面摩擦

輪齒嚙合時，由于相對滑動，特別是外界硬質微粒進入嚙合工作面之間時，會導致輪齒表面磨損，產生較大的摩擦。齒面逐漸磨損后，齒面將失去正確的齒形，嚴重時導致輪齒過薄而折斷，齒面磨損對開式齒輪傳動有重要影響，摩擦力顯著。為了減少磨損，重要的齒輪傳動應采用閉式傳動，并注意潤滑。

3.4?齒面膠合

在高速重載的齒輪傳動中，齒面間的壓力大、溫升高、潤滑效果差，當瞬時溫度過高時，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，從而在齒面上沿著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。采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。

3.5?塑性變形

硬度較低的軟齒面齒輪，在低速重載時，由于齒面壓力過大，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。提高齒面硬度和采用黏度較高的潤滑油，均有助于防止或減輕齒面塑性變形。

4、結論

通過對齒輪傳動國內外研究現狀的綜述，總結了機械齒輪傳動的技術要點以及優化建議。為了能夠確保機械齒輪持續穩定地傳動，就需相關技術人員能夠積極投身于實踐探索當中，以積累更多的實踐經驗，全面把握機械齒輪的傳動失效特性，擇取最佳的優化措施，保證機械齒輪可一直處于穩定性的傳動狀態，避免傳動失效問題出現。結論如下：

（1）以提高加工效率、節約資源、保護環境為目的的機械齒輪的優化設計制造得到了越來越多的關注。

（2）提高齒輪傳動的綜合性能，需要通過設計、制造、動力特性、新材料以及材料加工處理等多項技術的綜合應用。

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第一作者簡介：王成廣，男，2000年2月5日，河南省上蔡縣，機械設計制造及其自動化，在讀本科，學生，華北水利水電大學。

第二作者簡介：張森，男，1999年9月，河南省鄲城縣，機械設計制造及其自動化，在讀本科，學生，華北水利水電大學。