機(jī)械齒輪傳動優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

王成廣　張森

摘??要：簡述了機(jī)械齒輪傳動的特點(diǎn)，通過對齒輪傳動國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的綜述，詳細(xì)的分析了機(jī)械齒輪傳動的技術(shù)要點(diǎn)，并以此提出相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)建議，為工程實(shí)踐提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：齒輪;優(yōu)化設(shè)計(jì);傳動;振動

機(jī)械齒輪傳動主要作用是幫助我們傳遞物體運(yùn)動，也幫助我們傳遞動力。在機(jī)械齒輪傳動過程中，對齒輪的要求也很高，務(wù)必保證齒輪平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，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(yùn)動和動力的裝置，它是現(xiàn)代各種設(shè)備中應(yīng)用最廣泛的一種機(jī)械傳動方式。齒輪傳動是靠齒與齒的嚙合進(jìn)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(shù)（齒的形體）的齒輪相互嚙合將動力或運(yùn)動由甲軸傳送給乙軸，以完成動力或運(yùn)動傳遞。它的傳動比較準(zhǔn)確，效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，壽命長。

齒輪傳動按其主要功能可分為：運(yùn)動傳遞、動力傳遞、或運(yùn)動和動力傳遞兼而有之。以運(yùn)動傳遞為主要功能的齒輪傳動，其研究目標(biāo)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(gè)方面進(jìn)行：提高承載能力，降低振動噪聲，提高傳動效率，節(jié)約制造資源，提高加工效率，避免環(huán)境污染。如圖1所。

圖1 動力傳動齒輪研究的任務(wù)

2??齒輪傳動研究現(xiàn)狀

2.1?國外研究現(xiàn)狀

關(guān)于齒輪傳動研究領(lǐng)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(yùn)動與動力傳動會議、中國齒輪（機(jī)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(diǎn)是參加國家多、高水平學(xué)者多，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界均很重視。研究內(nèi)容主要圍繞失效機(jī)理，傳動效率和綠色傳動幾個(gè)方面展開，詳見下述表1和表2所示。

2.2?國內(nèi)研究現(xiàn)狀

中國進(jìn)入工業(yè)化國家，中國齒輪傳動的發(fā)展具有重要意義，其過程可大致分為四個(gè)階段。

第一階段是從20?世紀(jì)40?年代末到20?世紀(jì)60?年代，中國開始有了自己的齒輪工業(yè)，其間共有160?家左右齒輪制造廠（車間）。1956?年成立了（北京）機(jī)械科學(xué)研究院，下設(shè)齒輪傳動研究室，這是中國最早的齒輪技術(shù)研究開發(fā)機(jī)構(gòu)。

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

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

第四階段是20?世紀(jì)80?年代到21?世紀(jì)初。這一時(shí)期中國的齒輪傳動技術(shù)已趨于成熟，主要齒輪制造企業(yè)有600?余家，產(chǎn)值達(dá)31?億美元。在這期間，從事齒輪傳動技術(shù)的研究所為10個(gè)，高等院校20?余所。

3??優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

齒輪傳動是靠齒與齒的嚙合進(jìn)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(fā)生在輪齒上。根據(jù)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(yōu)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(fù)的彎曲應(yīng)力和應(yīng)力集中造成的疲勞破壞;另一種是由于突然產(chǎn)生嚴(yán)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(fā)生輪齒脆斷。兩種破壞均起始于輪齒受拉應(yīng)力的一側(cè)。增大齒根過渡圓角半徑、改善材料的力學(xué)性能、降低表面粗糙度以減小應(yīng)力集中，以及對齒根處進(jìn)行強(qiáng)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(shí)，前面嚙合處在交變接觸應(yīng)力的多次反復(fù)作用下，在靠近節(jié)線的齒面上會產(chǎn)生若干小裂紋。隨著裂紋的擴(kuò)展，將導(dǎo)致小塊金屬剝落，類似于腐蝕破壞。齒面腐蝕的繼續(xù)擴(kuò)展會影響傳動的平穩(wěn)性，并產(chǎn)生振動和噪聲，導(dǎo)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(shí)，由于相對滑動，特別是外界硬質(zhì)微粒進(jìn)入嚙合工作面之間時(shí)，會導(dǎo)致輪齒表面磨損，產(chǎn)生較大的摩擦。齒面逐漸磨損后，齒面將失去正確的齒形，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)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(yīng)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(dāng)瞬時(shí)溫度過高時(shí)，將使兩齒面局部熔融、金屬相互粘連，當(dāng)兩齒面做相對運(yùn)動時(shí)，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(fā)熱雖不大，但也可能因重載而出現(xiàn)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(qiáng)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(shí)，由于齒面壓力過大，在摩擦力作用下，齒面金屬產(chǎn)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(jié)論

通過對齒輪傳動國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的綜述，總結(jié)了機(jī)械齒輪傳動的技術(shù)要點(diǎn)以及優(yōu)化建議。為了能夠確保機(jī)械齒輪持續(xù)穩(wěn)定地傳動，就需相關(guān)技術(shù)人員能夠積極投身于實(shí)踐探索當(dāng)中，以積累更多的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，全面把握機(jī)械齒輪的傳動失效特性，擇取最佳的優(yōu)化措施，保證機(jī)械齒輪可一直處于穩(wěn)定性的傳動狀態(tài)，避免傳動失效問題出現(xiàn)。結(jié)論如下：

（1）以提高加工效率、節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境為目的的機(jī)械齒輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)制造得到了越來越多的關(guān)注。

（2）提高齒輪傳動的綜合性能，需要通過設(shè)計(jì)、制造、動力特性、新材料以及材料加工處理等多項(xiàng)技術(shù)的綜合應(yīng)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(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化，在讀本科，學(xué)生，華北水利水電大學(xué)。

第二作者簡介：張森，男，1999年9月，河南省鄲城縣，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化，在讀本科，學(xué)生，華北水利水電大學(xué)。