人字齒輪及其加工方法

王清輝， 李治平

（天津市祥威傳動設(shè)備有限公司，天津 300380）

0 引言

齒輪機構(gòu)是機械傳動中最重要、應(yīng)用最廣泛的一種傳動形式，其優(yōu)點是能保證傳動比恒定不變，能傳遞足夠大的動力；運動精度和傳動效率高，工作可靠，壽命長，結(jié)構(gòu)緊湊［1］。根據(jù)相嚙合齒輪軸線的相對位置關(guān)系，分為平行軸齒輪傳動（圓柱齒輪傳動）、相交軸齒輪傳動（錐齒輪傳動）和交錯軸齒輪傳動（如準(zhǔn)雙曲面齒輪）；根據(jù)齒廓的形狀分為漸開線圓柱齒輪、擺線圓柱齒輪、圓弧圓柱齒輪和雙圓弧圓柱齒輪等?？紤]承載能力的大小、加工制造的難易程度和對中心距偏差的敏感性等因素，漸開線齒形比擺線、圓弧線或其他一些齒形具有更多的優(yōu)越性，因此，我們在工程中廣泛應(yīng)用的是漸開線圓柱齒輪。漸開線圓柱齒輪傳動包含直齒圓柱齒輪傳動、斜齒圓柱齒輪傳動和人字齒圓柱齒輪傳動三種。

1 漸開線齒廓曲面的形成

當(dāng)一直線在一圓周上做純滾動時，該直線上任一點的軌跡稱為該圓的漸開線；按照漸開線的形成原理，我們來生成齒輪的漸開線曲面。當(dāng)一平面在一圓柱（即基圓柱）上做純滾動時，該平面上與任意條直線的軌跡稱為該圓柱的漸開線曲面，當(dāng)平面上的直線與基圓柱軸線平行時，就產(chǎn)生了直齒輪圓柱齒輪的齒廓曲面；當(dāng)平面上的直線與基圓柱軸線成一角度β（螺旋角）時，就產(chǎn)生了斜齒輪圓柱齒輪的齒廓曲面。

2 人字齒輪傳動的優(yōu)點

人字齒輪是指把一個齒輪做成結(jié)構(gòu)對稱的、螺旋角方向相反的一對斜齒輪。

圓柱齒輪傳動的一大優(yōu)點就是傳動的平穩(wěn)性，平穩(wěn)傳動前提是要保證傳動的連續(xù)性，即前一對輪齒脫離嚙合之前，后一對輪齒就應(yīng)開始進(jìn)入嚙合。當(dāng)前一對輪齒的嚙出與后一對輪齒的嚙入同時發(fā)生時稱齒輪傳動的重合度ε=1，理論上講，此時就保證齒輪的連續(xù)傳動，但考慮齒輪制造和安裝中的誤差，應(yīng)使重合度ε＞1。重合度ε值的增大，不僅可以提高齒輪傳動的平穩(wěn)性，還可以提高齒輪傳動的承載能力。

從這一特性來看，斜齒圓柱齒輪傳動要比直齒圓柱齒輪傳動更有優(yōu)勢，傳動更加平穩(wěn)。因為斜齒輪除了具有直齒輪的端面重合度εα外，還具有其特有的縱向重合度εβ。

式中：εγ為斜齒輪嚙合重合度；b為齒輪齒寬；mn為齒輪法向模數(shù)；β為齒輪螺旋角。

由式（2）可知，εβ始終是大于0的值，且隨著齒寬和螺旋角的增大而增大，在理論上，齒輪螺旋角β和齒寬b都沒有限制，從而使斜齒輪的重合度可以達(dá)到很大的數(shù)值，但實際應(yīng)用中，由于制造設(shè)備的限制、自身結(jié)構(gòu)的限制和傳動系統(tǒng)受力的限制等因素，齒寬和螺旋角不可以不受限制地增大。一般情況下，斜齒輪的螺旋角取值為8°～17°，齒寬b滿足b≥0.9π·mn/（sinβ）。

為了得到更大重合度的齒輪傳動，人字齒圓柱齒輪傳動應(yīng)運而生，因其克服了斜齒圓柱齒輪傳動缺點，即隨著螺旋角的增大，傳動時引起的軸向力也相應(yīng)地增大，影響整個傳動系統(tǒng)平穩(wěn)性。人字齒圓柱齒輪有效地解決了這一問題，由于人字齒圓柱齒輪的一部分齒寬為左螺旋齒，另一部分為右螺旋齒，其兩部分輪齒的左、右螺旋角大小相等，方向相反，剛好自我抵消了傳動時產(chǎn)生的軸向力因此不會隨著螺旋角的增大而對傳動系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響，人字齒圓柱齒輪的傳動比斜齒圓柱齒輪的傳動更加平穩(wěn)、安靜。一般而言螺旋角取25°～40°，但其缺點是制造比較困難，特別是對齒輪的制造精度要求較高時更為明顯。

3 人字齒輪加工

由于人字齒輪結(jié)構(gòu)上的特殊性，使其加工較普通的斜齒輪要復(fù)雜一些，對于設(shè)備的要求也比斜齒輪加工的設(shè)備要求高。技術(shù)要求方面除了要滿足斜齒輪的精度要求外，還對左、右齒輪齒槽延長線交點位置（后文稱人字齒輪中線）有要求，通常該交點要在齒輪兩定位端面的中線上。這也是人字齒輪加工的一個難點，下面介紹幾種常見的加工方法。

3 .1 軟齒面齒輪（嚙合齒輪副的齒面硬度小于350 HB）

對于軟齒面齒輪較常見的加工方法有仿形法加工和展成法加工。

1）仿形法是指采用數(shù)控加工中心機床并配以指形銑刀進(jìn)行銑削加工。此種加工方法齒輪的精度受刀具影響較大，齒輪齒部的精度較低，通常能達(dá)到DIN8級左右的精度，但人字齒輪中線位置較準(zhǔn)確，整體的加工效率也較低。

2）展成法是指采用數(shù)控滾齒機進(jìn)行滾削加工。其中，滾齒機控制軟件若帶有人字齒輪加工功能可采用人字齒加工程序進(jìn)行加工，對于人字齒輪中線位置比較容易保證，關(guān)鍵是將齒輪加工的安裝高度輸入準(zhǔn)確即可；若不帶有人字齒輪加工功能，則需要在加工前對左、右旋的兩齒輪齒面上進(jìn)行劃線，以此確定出人字齒輪中線的位置，然后分別根據(jù)劃線位置對刀進(jìn)行左、右齒輪的滾削加工，此方法加工出的人字齒輪中線位置不容易保證，需要由劃線的精度和對刀的準(zhǔn)確性共同決定；整體來講采用滾削方法生產(chǎn)出的齒輪齒部精度較高（可達(dá)到DIN7級），其加工效率也比較高。

3.2 硬齒面齒輪

硬齒面齒輪通常是對齒輪材料進(jìn)行滲碳或者是滲氮處理，使得齒輪的表面硬度在60 HRC左右，齒輪若進(jìn)行滲氮處理需要在熱處理前將加工完齒部，其加工方法與軟齒面齒輪相同；齒輪若進(jìn)行滲碳處理需在熱處理后加工完齒部，其加工方法通常是磨齒加工，磨齒時可以對人字齒中心線進(jìn)行調(diào)整，由于滾齒留量有限，因此人字齒中心線調(diào)整量有限，人字齒中心線的位置由熱處理前的加工精度決定，但采用磨齒加工的齒輪精度可達(dá)到DIN5級以上。目前，擁有這樣加工能力的企業(yè)并不多。

4 結(jié)語

由于人字齒輪具有自動抵消軸向力的特性，因此增大螺旋角對整個傳動系統(tǒng)的受力沒有影響，但另一方面較大的螺旋角可以得到較大的重合度，使得傳動更加平穩(wěn)。采用人字齒輪副的齒輪箱具有傳動平穩(wěn)、噪聲低、體積小、重量輕、傳遞功率大、使用壽命長的顯著特點，具有較高的社會綜合效益?？梢姡俗铸X輪傳動是齒輪傳動機構(gòu)的一個重要發(fā)展方向，需要我們進(jìn)一步提升現(xiàn)有的制造水平。

［1］ 楊家軍，張衛(wèi)國.機械設(shè)計基礎(chǔ)［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2002：91.