高速传动中的齿轮润滑及SS3型电力机车的双侧刚性斜齿轮传动

任务导引

图3.5.1　齿轮传动

齿轮传动是近代机器中传递运动和动力的最主要形式之一。在交通运输机械、金属切削机床、工程机械、冶金机械，以及人们常见的汽车、机械式钟表中都有齿轮传动。齿轮已成为许多机械设备中不可缺少的传动部件，齿轮传动也是机器中所占比重最大的传动形式。

任务要求

了解齿轮传动的特点、类型、应用和正确啮合条件、连续传动条件等；熟悉渐开线齿轮各部分的名称；了解斜齿圆柱齿轮、直齿圆锥齿轮的形成、啮合传动特点；掌握齿轮传动的正确使用与维护。

任务实施

齿轮传动是利用齿轮副来传递运动和（或）动力的一种机械传动。齿轮副的一对齿轮的齿依次交替接触，从而实现一定规律的相对运动的过程和形态称为啮合。齿轮传动属于啮合传动。

一、齿轮传动的组成及功能

1.组成

齿轮传动由主动轮、从动轮和机架三部分组成。

2.功能

通过轮齿的啮合将主动轴的运动和转矩传递给从动轴。它可以用来传递空间任意两轴间的运动和动力。

3.齿轮传动工作原理

主动齿轮1的轮齿与从动齿轮2的轮齿直接啮合，从而驱动从动齿轮转动。如图3.5.3所示。

动画：齿轮传动

图3.5.2　齿轮传动的组成

图3.5.3　齿轮传动的工作原理图

4.传动比

在齿轮传动中，主动轮的齿数为Z1，从动轮的齿数为Z2，主动轮每转过一个齿，从动齿轮也转过一个齿。当主动齿轮的转速为n1，从动齿轮的转速为n2时，单位时间内主动齿轮转过的齿数n1Z1与从动齿轮转过的齿数n2Z2应相等，即

式中　n1、n2——主、从动齿轮的转速，r/min，处于啮合时两轮的转向相反；

Z1、Z2——主、从动齿轮的齿数。

上式说明：齿轮传动的传动比i12是主动齿轮转速与从动齿轮转速之比，也等于两齿轮齿数之反比。

【例1】如图3.5.4所示一对直齿（或斜齿）圆柱齿轮传动，已知Z1＝20，Z2＝40。试求：①传动比i12＝？②当n1＝1200r/min，n2＝？

图3.5.4

解：

5.齿轮传动的应用特点

（1）保证瞬时传动比恒定不变；工作可靠性高，传递运动准确。

（2）结构紧凑，可实现较大的传动比。

（3）速度适用范围大（V＝0～300m/s）。

（4）功率适用范围大（一般P＝0～105kW，有时可高达50000kW）。

（5）传动效率高（η＝0.96～0.99）。

（6）使用寿命长（h≤12年）。

（7）制造和安装精度高，制造工艺较复杂，故成本高。

二、齿轮传动的类型

齿轮传动的分类方式很多，主要有以下几种：

（1）按啮合方式分：外啮合、内啮合和齿轮齿条啮合。

（2）按轮齿的方向分：直齿、斜齿和人字齿。

（3）按两齿轮轴线关系和轮齿方向分：两轴平行、两轴相交、两轴交错。

（4）按工作环境分：开式齿轮传动、闭式齿轮传动和半开闭式齿轮传动。

开式齿轮传动：齿轮在非密闭空间的传动，一般采用脂润滑，齿轮工作环境粉尘较多。

闭式齿轮传动：齿轮在密闭空间的传动，有密闭的箱体、良好的润滑、齿轮工作环境清洁。

（5）按齿廓曲线分：渐开线、圆弧和摆线齿轮。

（6）按轮齿齿面硬度：软齿面齿轮（齿面硬度≤350HBS），硬齿面齿轮（齿面硬度＞350HBS）；全软齿面（齿硕硬度<250HBS）。

（7）按使用情况分：动力齿轮——以动力传输为主，常为高速重载或低速重载传动。传动齿轮——以运动准确为主，一般为轻载高精度传动。

表3.5.1　齿轮传动类型

三、齿轮传动的基本要求

1.基本要求

齿轮用于传递运动和动力，必须满足以下两个要求：

（1）传动准确、平稳。

齿轮传动的瞬时传动比恒定不变，以避免产生动载荷、冲击、振动和噪声。

（2）承载能力强、工作可靠。

齿轮必须具备足够的工作能力，以保证齿轮传动时不会出现各种失效。

2.正确啮合条件

是不是所有的齿轮都能够相互啮合呢？你认为什么样的两个齿轮才能相互啮合？两个齿轮要正确啮合应该满足什么条件？通过专家的分析研究，得出齿轮的正确啮合条件是

m1＝m2＝m

α1＝α2＝α

式中　m1、m2——两个齿轮的模数；

m——标准模数；

α1、α2——两齿轮的压力角；

α——标准压力角，等于20°。

3.连续传动条件

要使齿轮连续传动，就必须在前一对轮齿尚未脱离啮合时，后一对齿已经进入啮合状态。所以齿轮连续传动的条件是：两齿轮的实际啮合线B1B2应大于或等于齿轮的基圆齿距pb，即必须使B1B2>pb。B1B2与pb的比值ε称为重合度。

齿轮连续传动的条件，也就是ε＝B1B2/pb≥1。重合度越大，说明齿轮传动的连续性越好，承载能力越强，传动的平稳性越好，振动噪声越小。

四、渐开线标准直齿圆柱齿轮的基本参数和几何尺寸计算

1.渐开线齿廓

齿轮传动对齿廓曲线的基本要求：一是传动平稳；二是承载能力要强。

渐开线的形成：如图3.5.5所示，在某平面上，动直线nn沿着一固定的圆做纯滚动，此动直线nn上任意一点K的运动轨迹AK称为该圆的渐开线，该圆称为渐开线的基圆，其半径以rb表示，直线nn称为渐开线的发生线。

以同一个基圆上产生的两条反向渐开线为齿廓的齿轮就是渐开线齿轮，如图3.5.6所示。对于渐开线齿廓来说，能保持瞬时传动比恒定，具有传动的可分离性，能保证齿轮传动的基本要求。

动画：渐开线齿轮是怎么回事？

图3.5.5　渐开线

图3.5.6　渐开线齿轮

2.齿轮各部分名称

图3.5.7　齿轮各部分的名称图

表3.5.2　齿轮各部分名称的定义及代号

齿轮上的分度圆是一个十分重要的圆，为方便起见，分度圆上的齿距、齿厚和齿槽宽等都直接称为齿距p、齿厚s及齿槽宽e等。分度圆上的各参数的代号也都不带下标。

3.基本参数

1）标准齿轮的压力角α

在齿轮传动中，齿廓曲线和分度圆交点处的速度方向与该点的法线方向（即力的作用力方向）之间所夹的锐角就叫分度圆上的压力角，简称压力角，用α表示。图上K点的压力角用αK表示。

2）齿数Z

齿轮圆周上轮齿的数目称为齿数，用Z表示。它表示一个齿轮的轮齿总数。

图3.5.8　齿形角

图3.5.9　齿数、模数

3）模数m

分度圆上的p/π比值称为模数，以m表示，即：m＝p/π。

模数是齿轮几何计算的基础，显然，m越大，则p越大，即轮齿就越大。

分度圆直径d＝mZ。

表3.5.3　标准模数系列（摘自GB1357—87）　单位：mm

注：优先选用第一系列，括号内的模数尽量不选用。

4）齿顶高系数（ha*＝1）

ha＝ha*m

5）顶隙系数（c*＝0.25）

c＝c*m

渐开线圆柱齿轮的齿顶高系数和径向间隙系数的关系如表3.5.4所示。

图3.5.10　顶隙系数

表3.5.4　齿顶高系数和径向间隙系数的关系

齿根高：hf＝（ha*＋c*）m

全齿高：h＝ha＋hf＝（2ha*＋c*）m

6）几个概念

（1）标准齿轮：具有模数和齿形角为标准值，分度圆上的齿厚和槽宽相等，齿顶高系数和顶隙系数为标准值的齿轮。不具备上述特征的齿轮称为非标准齿轮。

（2）标准安装：一对齿轮节圆与分度圆重合的安装称为标准安装。

（3）标准中心距：标准安装时的中心距就叫标准中心距，以α表示。

4.几何尺寸计算

表3.5.5　外啮合标准直齿圆柱齿轮的几何尺寸计算

【例2】已知一对标准直齿圆柱齿轮，Z1＝20，Z2＝40，m＝5mm，α＝20°，试计算其分度圆、齿根圆直径。

解：d1＝mZ1＝5×20＝100mm

d2＝mZ2＝5×40＝200mm

df1＝d1－2(1＋0.25)×5＝100－12.5＝87.5mm

df2＝d2－2(1＋0.25)×5＝200－12.5＝187.5mm

回顾：（1）齿轮的五个参数有哪些？（2）什么是标准齿轮？（3）何为标准中心距？请你回答。

五、斜齿轮传动

动画：斜齿轮传动

1.斜齿圆柱齿轮的齿廓及其啮合特点

图3.5.11　斜齿圆柱齿轮的齿廓

斜齿圆柱齿轮齿廓曲面的形成：当平面沿基圆柱作纯滚动时，其上与母线成一倾斜角βb的斜直线KK在空间所走过的轨迹为渐开线螺旋面，该螺旋面即为斜齿圆柱齿轮齿廓曲面，βb称为基圆柱上的螺旋角。

表3.5.6　直齿圆柱齿轮与斜齿轮圆柱齿轮传动特性对比

图3.5.12　圆柱齿轮使用实景图(www.xing528.com)

2.斜齿轮传动的特点

（1）啮合平稳性好。（这是斜齿轮最突出的优点。）

（2）承载能力大。（因重合度大，接触线总长度大的缘故。）

（3）结构尺寸可更紧凑。（因不发生根切的最小齿数更小。）

（4）制造成本并不增加。

（5）缺点是：传动时会产生轴向分力，且该分力随螺旋角加大而增加，使轴的支承变复杂。因此，通常取螺旋角在8°～15°范围内，以便限制轴向分力。

高速传动均应采用斜齿轮传动。

3.使用人字齿轮来消除轴向力

由图3.5.13分析可知：人字齿轮两个方向产生的轴向分力Fa大小相等、方向相反，相互抵消。

图3.5.13　人字齿轮

4.斜齿轮传动的正确啮合条件

由于斜齿圆柱齿轮轮齿齿面是螺旋面，因此有端面和法面两种情形。端面是指垂直于齿轮轴线的平面，用t做标记。法面是指与轮齿齿线垂直的平面，用n做标记。斜齿轮传动的正确啮合条件是：

法向模数和法向压力角相等；螺旋角大小相等，旋向相反（外啮合）或相同（内啮合）。

图3.5.14

5.斜齿圆柱齿轮的旋向

斜齿圆柱齿轮轮齿的螺旋方向可分为左旋和右旋。其判别方法为：将齿轮轴线垂直放置，轮齿自左至右上升者为右旋，反之为左旋，如图3.5.15所示。

图3.5.15　斜齿圆柱齿轮的旋向

六、直齿圆锥齿轮传动

动画：圆锥齿轮传动

1.圆锥齿轮传动概述

圆锥齿轮传动是用来传递空间两相交轴之间运动和动力的一种齿轮传动，其轮齿分布在截圆锥体上，齿形从大端到小端逐渐变小。圆柱齿轮中的有关圆柱均变成了圆锥。为计算和测量方便，通常取大端参数为标准值。

图3.5.16　圆锥齿轮

一对圆锥齿轮两轴线间的夹角Σ称为轴角。其值可根据传动需要任意选取，在一般机械中，多取Σ＝90°。

圆锥齿轮的轮齿有直齿、斜齿和曲齿。直齿圆锥齿轮设计、制造、安装比较简便，应用广泛。

2.直齿圆锥齿轮传动的特点

实际使用的直齿圆锥齿轮是经过近似处理的齿轮，其传动特点如下：

（1）轮齿分布在锥体上且呈收缩状，故有大小端之分；

（2）几何形状由大端的齿根圆直径、分度圆直径、齿顶圆直径等直径尺寸以及锥体的齿根圆锥角、分度圆锥角、齿顶圆锥角等角度尺寸两套数据组成；

（3）适合于相交轴间的传动，多见正交传动；

（4）齿面接触状况较差，传动精度控制较难，故适用于低速、轻载传动；

图3.5.17　直齿圆锥齿轮参数图

（5）由于加工进刀方式以及检测方便的原因，大端参数为标准值。

模数m见标准GB12368—90；压力角α＝20°；齿顶高系数ha*＝1，顶隙系数c*＝0.2。

3.直齿圆锥齿轮传动的正确啮合条件和传动比计算

直齿锥齿轮的正确啮合条件为：两锥齿轮的大端模数和压力角分别相等且等于标准值，此外，两轮的锥距还必须相等。

m1＝m2＝m

α1＝α2＝α

一对标准直齿圆锥齿轮传动的传动比：

七、齿轮齿条传动

1.齿条

（1）由于齿条的齿廓是直线，所以齿廓上各点的法线是平行的；传动时齿条是直线移动的，故各点的速度大小和方向均相同；齿条齿廓上各点的压力角也都相同，等于齿廓的倾斜角。

（2）与分度线相平行的各直线上的齿距都相等。

图3.5.18　齿条参图

2.齿轮齿条传动

齿轮的转动带动齿条直线移动。齿条的前后移动也可以带动齿轮的转动。齿轮齿条传动的主要目的是将齿轮的回转运动转变为齿条的往复直线运动，或将齿条的直线往复运动转变为齿轮的回转运动，如图3.5.19所示齿条的移动速度可用下式计算：

齿轮每回转一周时，齿条移动的距离为

图3.5.19　齿轮齿条

动画：齿条传动

八、齿轮的失效形式

齿轮传动的失效主要发生在轮齿上，分析失效形式有助于建立齿轮设计的准则，提出防止和减轻对应的措施。

表3.5.7　齿轮的失效形式及原因

续表

九、齿轮的结构

通常齿轮是由轮缘、轮腹、轮毂三个部位组成的。齿轮轮缘、轮腹、轮毂等各部分尺寸由其结构来决定。齿轮的结构形式由其尺寸大小、毛坯材料、加工工艺、使用要求及经济性等因素决定。

齿轮的结构形式主要有齿轮轴、实体式齿轮、腹板式（孔板式）齿轮和轮辐式齿轮。齿轮结构形式的选用见表3.5.8。

齿轮最常用的材料是锻钢、铸钢、铸铁及一些非金属材料。

软齿面齿轮的齿面硬度≤350HBS，常用中碳钢和中碳合金钢进行调质或正火处理。在确定大、小齿轮硬度时应注意使小齿轮的齿面硬度比大齿轮的齿面硬度高30～50HBS，这是因为小齿轮受载荷次数比大齿轮多，且小齿轮齿根较薄，为使两齿轮的轮齿接近等强度，小齿轮的齿面要比大齿轮的齿面硬一些。

硬齿面齿轮的齿面硬度＞350HBS，常用的材料为中碳钢或中碳合金钢经表面淬火处理。

当齿轮的尺寸较大（大于400～600mm）而不便于锻造时，可用铸造方法制成铸钢齿坯，再进行正火处理以细化晶粒。

图3.5.20　齿轮的组成

表3.5.8　不同结构形式的齿轮

低速、轻载场合的齿轮可以制成铸铁齿坯。当尺寸大于500mm时可制成大齿圈，或制成轮辐式齿轮。

十、齿轮传动的润滑维护

轮齿啮合时，由于齿面间存在相对滑动而发生摩擦磨损，增加损耗，降低效率。在高速传动中，这种齿面间的摩擦磨损更为严重，故在齿轮传动中润滑是非常必要的。

1.齿轮传动的润滑

润滑目的：减轻磨损、提高效率、散热、防锈、延长寿命等。

1）润滑方式

（1）闭式传动。

由圆周速度V确定：浸油润滑（V≤15m/s），喷油润滑（V>15m/s）。

[有的资料上是浸油润滑（V≤12m/s），喷油润滑（V>12m/s）。]

当齿轮的圆周速度V≤15m/s时，常将大齿轮的轮齿浸入油池采用油浴润滑，借助齿轮的传动，将油带到啮合齿面，同时也可把油甩到箱壁上，用以散热和润滑轴承。为了减少齿轮的搅油阻力和润滑油的温升，齿轮浸入油中的深度，一般不超过一个齿高（但不少于10mm），最大浸油深度不应超过大齿轮半径的1/3。对于锥齿轮，浸油深度至少为齿宽b的一半，或至整个齿宽。

箱体油池中的油量，与齿轮传递功率的大小有关。单级齿轮传动，每1kW的加油量约为（0.35～0.7）L，多级齿轮传动，按级数可适当成倍增加。

当齿轮圆周速度V＞15m/s时，应采用喷油润滑。所谓喷油润滑是将润滑油以一定压力由喷嘴直接喷射到齿轮啮合处的一种润滑方法，压力喷油润滑效果良好，但需要专门的装置，费用较贵。

图3.5.21　油浴润滑

图3.5.22　喷油润滑

（2）开式传动。

对于开式或半开式齿轮传动及低速轻载的闭式齿轮传动，由于其圆周速度较低，一般选用润滑脂或粘附性高的润滑油进行人工定期加油。

2）润滑介质的选择

齿轮传动大多采用润滑油进行润滑，闭式齿轮传动润滑油的黏度可根据齿轮的材料、承载情况和圆周速度参考手册中的表格确定。

2.齿轮传动的维护

（1）启动、加载、卸载及换挡时要求平稳，避免冲击。

（2）浸油润滑时，经常检查油箱保持油面在合理位置。喷油润滑时，经常检查油压在合理压力，按期换油。

（3）应采用科学的监测手段，如温度检测、声响检测等，防止事故发生。

3.应用举例

齿轮传动在电力机车上得到广泛应用，齿轮传动装置联接牵引电机和轮对，把牵引电机产生的转矩传递给轮对，驱使车轮旋转，通过轮轨间的黏着作用，形成牵引力或制动力。

SS3型4000系电力机车采用双侧刚性斜齿轮传动，整个齿轮传动装置由大齿轮、小齿轮和齿轮箱组成。大齿轮87齿，由齿圈和齿轮心组成，压装在车轮轮心的轮毂上。小齿轮20齿，压装在牵引电机电枢轴的两端，如图3.5.23所示。

任务拓展与反思

1.请计算图3.5.23中齿轮传动的传动比i＝？

图3.5.23　SS3型4000系电力机车非整体式轮对

1—大齿轮；2—车轴；3—车轮

2.试分析图3.5.23轮对中两个斜齿轮的旋向和轴向力的方向。

3.有一标准直齿圆柱齿轮，已知齿顶圆直径da＝135mm，齿数Z＝25。求：齿轮模数m、分度圆直径d，齿根圆直径df、基圆直径db。

4.两个标准直齿圆柱齿轮，已测得齿数Z1＝22、Z2＝98，小齿轮齿顶圆直径da1＝240mm，大齿轮全齿高h＝22.5mm，试判断这连个齿轮能否正确啮合传动？

5.相互啮合的一对标准直圆柱齿轮，两轮的转向相同，已知小齿轮的转速n1＝1440r/min，大齿轮的转速n2＝480r/min，两轮的中心距a＝50mm，若将小齿轮卸下后，它可以和一个齿轮为20的标准齿轮Z正确啮合，现测得Z的齿顶圆直径为54.78mm，试求：（1）小齿轮的齿数Z1，大齿轮的齿数Z2；（2）da1，df2＝？

6.某标准直齿圆柱齿轮，已知齿距p＝12.566mm，齿数Z＝25。求该齿轮的分度圆直径、齿顶圆直径、基圆直径、齿高以及齿厚。

7.已知一对渐开线直齿圆柱齿轮外啮标准中心距a＝180mm，齿轮传动比i＝2，模数m＝4mm。求两齿轮的齿数Z1、Z2；两齿轮各自的分度圆、齿顶圆、齿根圆和基圆直径。

8.标准渐开线直齿轮的五个基本参数是_________。齿轮的五种失效形式是：_________、_________、_________、_________及齿面_________变形。

9.选择题

（1）用于两轴平行的齿轮传动有（　）。

A.圆柱齿轮传动　B.圆锥齿轮传动　C.螺旋齿轮传动

（2）两齿轮轴线相交用（　）。

A.直齿锥齿轮传动　B.斜齿圆柱齿轮　C.螺旋齿轮传动

（3）齿轮传动的优点是（　）。

A.能保证瞬时传动比恒定不变　B.传动效率低　C.传动噪声大

（4）齿轮轮齿齿顶所在的圆称为（　）。

A.齿顶圆　B.齿根圆　C.基圆

（5）齿轮的齿根圆直径是（　）。

A.da　B.df　C.db

（6）一对渐开线直齿圆柱齿轮的正确啮合条件是_________。

A.m1＝m2＝m，α1＝α2＝α　B.εa≥1　C.i＝常数

（7）两标准齿轮正确安装时的中心距为标准中心距，其值为_________。

A.a＝rd1＋rd2　B.a＝r1＋r2　C.a＝rf1＋rf2

（8）斜齿圆柱齿轮传动的特点是_________。

A.传动更加平稳　B.承载能力变小　C.不产生轴向力.

（9）圆锥齿轮传动中，两轴线交角一般为_________。

A.60°　B.90°　C.120°