齿轮传动机构优化设计方法

齿轮传动是机械中常用的传动方式之一，齿轮传动机构是依靠轮齿间的啮合来传递运动及转矩的。其特点是能保证准确的传动比、传递功率和速度范围大、传速效率高、使用寿命长、结构紧凑、体积小等，因此在机械工业中得到广泛应用。

1.种类

齿轮传动的种类较多，如图9-28所示。

图9-28　齿轮传动的种类

（a）直齿轮；（b）斜齿圆柱齿轮；（c）齿轮齿条传动；（d）锥齿轮传动；（e）蜗杆蜗轮传动；（f）曲线齿锥齿轮

1）两轴线互相平行的圆柱齿轮传动

（1）直齿轮传动。包括外啮合齿轮传动和内啮合齿轮传动。

直齿轮制造方便，在传动机构中应用最广，其缺点是由于每对轮齿都是同时接触，同时脱开，故容易产生冲击、噪声且传动平稳性差。

（2）斜齿圆柱齿轮传动。轮齿方向与轴线倾斜一定角度，其特点是传动平稳，（一齿未脱离另一齿已接触，且啮合线逐渐变长，后再逐渐变短）。载荷分布均匀，但传动时有单向轴向力。

（3）人字齿轮传动。人字齿轮相当于两个轮齿方向相反的斜齿轮，该齿轮传递功率大，可以使斜齿轮的单向轴向力自身抵消。

2）两轴线相交及两轴线交叉的齿轮传动

此类齿轮传动包括锥齿轮传动、螺旋齿轮传动及齿轮与齿条传动等。

2.基本要求

传动要平稳、保证严格的传动比，无冲击、无振动和噪声、承载能力强、有足够长的使用寿命。为此，除了对齿轮自身精度严格要求外，还必须严格控制轴、轴承及箱体等有关零件的制造精度和装配精度，才能实现齿轮传动的基本要求。

3.圆柱齿轮传动机构

1）齿轮与轴的装配

圆柱齿轮装配一般先将齿轮装在轴上，再把齿轮轴部件装入箱体。根据齿轮工作性质不同，齿轮装在轴上可以是空转、滑移或固定连接。在轴上空转或滑移的齿轮，一般与轴是间隙配合，这类齿轮装配方便。滑移齿轮在轴上不应有咬住和阻滞现象，其轴向定位要准确，啮合齿轮轴向错位量不得超过规定值。

固定齿轮与轴的装配一般为过渡配合同轴度要求高。当过盈量小时，可用铜棒及锤子敲击装入。当过盈量大时，应在压力机上进行压装，此时应注意轴、孔的清洁，压装前涂上润滑油，压装时要尽量避免齿轮偏斜和端面未紧贴轴肩等装配误差；对于过盈量较大的齿轮也可在油中加热，（油温控制在80℃～100℃，大型齿轮也不宜超过120℃），进行热套。

对于精度要求高的齿轮装配，装配后还需进行径向圆跳动和端面圆跳动的检查，如图9-29所示。

图9-29　齿轮径向圆跳动及端面圆跳动的检查

2）齿轮轴组的位置

齿轮轴组在箱体中的位置是影响齿轮啮合质量的关键。箱体座孔的加工精度包括如下几个方面：

（1）孔距精度。

（2）孔系平行度精度。

（3）轴线与基面距离、尺寸精度和平行度精度。

（4）孔的轴线与端面的垂直度精度。

（5）孔中心线的同轴度精度。

3）齿轮啮合质量的检查

齿轮轴部件装入箱体后，要检查齿轮的啮合质量，主要检查内容如下：

（1）齿轮侧隙的检查。

①压铅检查法

在齿宽两端的齿面上平行放两条铅丝（宽齿应放3～4条），其直径不宜超过最小间隙的4倍。使齿轮啮合并挤压铅丝，铅丝被挤压后最薄处的尺寸即为啮合齿轮的法向侧隙值。

②百分表检查法。测量时，将百分表测头与一个齿轮的齿面接触（分度圆处），另一个齿轮固定，如图9-30所示，由于侧隙存在，将接触百分表的齿轮从一侧啮合转到另一侧啮合，在百分表上得到读数差值即为侧隙。(www.xing528.com)

图9-30　用百分表测量齿轮侧隙

如果被测齿轮为斜齿轮或人字齿时，法向侧隙Jn按如下公式计算：

式中　Jn——法向侧隙；

Jt——圆周侧隙；

β——螺旋角；

αn——法向压力角。

（2）接触精度的检查。

接触精度的主要指标是接触斑点。接触斑点的检查是用涂色法，检验时将红丹粉涂于大齿轮齿面上，使两啮合齿轮进行空运转，然后检验其接触斑点情况。转动齿轮时，被动轮应轻微止动，对双向工作的齿轮，正反两个方向都应检验。根据接触斑点位置和面积情况，可对齿轮啮合精度进行分析以便装配时进行调整，见图9-31及表9-7。

图9-31　圆柱齿轮接触斑点的位置

（a）正确的；（b）中心距太大；（c）中心距太小；（d）中心距歪

表9-7　渐开线圆柱齿轮接触斑点及调整方法

4.锥齿轮传动机构

1）锥齿轮箱孔轴线检验

锥齿轮传动的特点是作垂直两轴的传递运动，因此箱体两垂直轴承座孔的加工必须符合规定的技术要求。两孔同一平面内垂直度的检测如图9-32所示。

图9-32（a）所示为用表测法检验垂直度。将百分表装在心棒1上，再使心棒1的轴向固定，旋转心棒1，百分表在心棒2上L长度内的两点读数差即为两孔在L长度内的垂直度误差。

图9-32（b）所示为两孔轴线相交程度的检测。心棒1的测量端做成叉形槽，心棒2的测量端按垂直度公差做成两个阶梯形，即过端和止端。检验时，若过端能通过叉形槽而止端不能通过，则垂直度合格，否则即为超差。

图9-32　同一平面内两孔轴线垂直度检测

（a）表测法；（b）过、止端控制法

2）锥齿轮轴向位置确定

准确确定两锥齿轮在轴上的轴向位置，必须使两齿轮分度圆锥相切，两锥顶重合。装配时，可按计算及测量大齿轮轴线到小齿轮基准面的距离来确定小齿轮轴向位置，再根据大小齿轮的啮合侧隙是否满足要求，用加减调整片或用其他调整结构来确定大齿轮轴向位置。

3）锥齿轮啮合质量的检查

锥齿轮啮合质量的检查包括侧隙的检查和接触斑点的检查，其检查和调整方法与直齿轮基本相同。表9-8，在无载荷时，应使轮齿的接触部位靠近齿轮的小端，以保证受载时轮齿在整个齿宽上能均匀接触，从而避免重负荷时大端处应力较集中而快速磨损。涂色检查时，齿轮的接触斑点在齿高和齿宽方向应不少于40%～60% （视精度不同而定）。

表9-8　锥齿轮接触斑点及调整方法

续表

5.齿轮的跑合

一般动力传动齿轮副不要求很高的运动精度及工作平稳性，但要求接触精度较高和噪声较小。如加工精度不能达到接触精度，可在装配后进行跑合。跑合方法有如下两种。

（1）加载跑合：在齿轮副的输出轴上加一力矩，在运转一定时间后使齿轮接触表面相互磨合（有时需加入磨料），以增加接触面积，改善啮合质量。

（2）电火花跑合：在接触区域内通过脉冲放电，把齿面凸起部分先去掉，使接触面积逐渐扩大而达到要求的接触精度。

6.齿轮断齿的修理

齿轮断齿一般需要更换新齿轮，当生产任务较紧时，对于大模数或一些不重要的齿轮，如果轮齿局部损坏，可用焊补金属法或镶齿发修理。

在断齿出焊补金属后经过回火，再加工出齿形。或镶上一块材料后加工出齿形。镶上的材料应用螺钉或焊接法固定。