汽车机械基础：其他齿轮传动简介

1.斜齿圆柱齿轮传动简介

（1）斜齿圆柱齿轮传动特点 直齿圆柱齿轮在啮合传动过程中，齿面接触线是一条与轴线平行的直线。啮合传动时，在齿宽方向上是同时开始啮合又同时脱离啮合，轮齿上所受的力也是突然产生和突然卸去，传动不稳定。

斜齿圆柱齿轮在啮合传动过程中，齿面接触线是一条与轴线交成一个角度的斜直线，各条接触线的长短是变化的，开始啮合到脱离啮合，接触线长度“零—最大—零”，同时啮合的轮齿对数较多（重合度ε大），故传动平稳，承载能力高，如图8-25所示。所以在高速、大功率传动中应用较广泛。为克服存在轴向力F_a，常采用人字齿轮可消除轴向力，但人字齿轮加工困难、精度较低，多在传递大功率的重载机械中使用。

图8-25 斜齿轮的齿面形成与接触线

（2）标准斜齿圆柱齿轮传动的几何尺寸 一对斜齿圆柱齿轮在分度圆上的轮齿螺旋角β大小相等、方向相反，如图8-26所示。小齿轮为右旋齿，大齿轮是左旋齿。由于有螺旋角，斜齿工作中产生轴向力F_a，螺旋角越大，轴向力越大。一对斜齿轮轮齿的螺旋角一般控制在β＝8°～20°，常用β＝8°～15°，β角太大，工作中轴向力过大，使轴承容易损坏；β角太小，不能发挥斜齿轮的优点。

斜齿圆柱齿轮的模数，垂直于轮齿面的模数为法面模数，用m_n（法面模数）表示，垂直于轴线平面的端面模数用m_t表示，它们的关系为m_n＝m_tcosβ，以法面模数m_n为标准值，如图8-27所示。斜齿圆柱齿轮的压力角规定以法面压力角为标准值，即α_n＝20°。

图8-26 斜齿轮上的轴向力

图8-27 法面齿矩与断面齿矩

标准斜齿圆柱齿轮传动尺寸计算公式列于表8-3中。

表8-3 标准斜齿轮圆柱齿轮传动尺寸计算公式

例8-1 一对斜齿圆柱齿轮z₁＝21，z₂＝76，m_n＝4.5mm，轮齿螺旋角β＝28°11′52″，求这对斜齿圆柱齿轮的中心距和齿顶圆直径。

解：中心距

齿顶圆直径

（3）斜齿圆柱齿轮传动的正确啮合条件和重合度

1）正确啮合条件。一对标准的斜齿圆柱齿轮正确啮合条件是

2）重合度。对于斜齿圆柱齿轮传动，其重合度受螺旋角β的影响，其值按下式计算

ε＝ε_t+ε_β （8-25）

式中，ε_t为断面重合度；ε_β为轴断面重合度。其中，。由此可见，斜齿轮传动的重合度ε随齿宽b和螺旋角β的增大而增大，其值比直齿轮传动大得多，这是斜齿轮传动平稳、承载能力较大的主要原因。

（4）斜齿圆柱齿轮的当量齿数用刀具加工斜齿轮时，盘状铣刀是沿着齿向方向进刀的。这样加工出来的斜齿，其法向模数、法向压力角与刀具的模数和压力角相同，所以必须按照与斜齿轮法面齿形相当的直齿轮的齿数来选择铣刀。如图8-28所示，法向截面n-n截斜齿轮的分度圆柱为一椭圆，椭圆C点处齿槽两侧渐开线齿形与标准刀具外廓形状相同。当量齿轮是一个假想的直齿圆柱齿轮，其端面齿形与斜齿轮法面齿形相当。其分度圆半径等于C处曲率半径ρ_c，模数和压力角分别为m_n、α_n。当量齿轮的齿数为

图8-28 斜齿轮的当量齿数

式中，z为斜齿圆柱齿轮的实际齿数。当量齿数z_v不一定是整数，也不必圆整，只要按照这个数值选取刀号即可。另外，在斜齿圆柱齿轮强度计算时，也要用到当量齿数的概念。

标准斜齿圆柱齿轮不发生根切的最少齿数为

z_min＝zvcos³β （8-27）

（5）斜齿与直齿圆柱齿轮传动的比较斜齿圆柱齿轮传动与直齿圆柱齿轮传动相比，主要有下列优点：

1）重合度大，啮合性能好。α＝20°和h_a^*标准直齿圆柱齿轮的最大重合度为1.981，而斜齿圆柱齿轮的重合度可以达到10以上，通常能保证有两对以上的轮齿同时啮合。此外，由于轮齿倾斜，在啮合过程中，每对轮齿是逐渐进入啮合和逐渐退出啮合的，因而传动平稳，冲击噪声小。

2）承载能力高。斜齿圆柱齿轮的承载能力是按当量直齿圆柱齿轮考虑的，因此节点处的曲率半径增大。同时，由于重合度增加，一对轮齿受力减小。这些都将降低齿面接触应力，从而提高了齿面承载能力。在齿根弯曲强度方面，由于齿根厚度增大，而且轮齿接触线倾斜又减小了弯曲力臂，降低了弯曲应力，因此斜齿轮的弯曲强度也比直齿轮的高。

3）不发生根切的最少齿数比直齿轮的少。斜齿圆柱齿轮传动不发生根切的最少齿数比直齿圆柱齿轮传动的小。因而在其他条件相同的情况下，斜齿圆柱齿轮传动的结构尺寸比直齿圆柱齿轮传动的小。

4）对制造误差的敏感性小。由于轮齿倾斜，位于同一圆柱面上的各点不同时参加啮合，这在一定程度上分散了制造误差对传动的影响。

5）可以凑配中心距。在齿数、模数相同的情况下，由于β的不同，可以得到不同的中心距a。

（6）螺旋圆柱齿轮传动特点 螺旋圆柱齿轮（螺旋角β＝45°的斜齿圆柱齿轮）传动是用来传递空间两交叉轴间的运动和转矩。例如，汽车发动机中机油泵驱动齿轮就是由配气机构凸轮轴和机油泵轴上一对螺旋圆柱齿轮来传动的，如图8-29所示。

图8-29 发动机中的螺旋齿轮

从单个的螺旋圆柱齿轮与斜齿圆柱齿轮比较没有什么区别，而螺旋圆柱齿轮传动的两轮轴线是相互交错的；斜齿圆柱齿轮传动是两轴线相互平行的。

螺旋圆柱齿轮传动的特点是：两个齿轮的发生面相交，齿廓间为点接触。受载后，齿廓接触部分便形成一小块面积接触，由于接触面小，接触应力大，易于磨损，所以不能传递大功率；螺旋圆柱齿轮齿廓间沿高度方向有相对滑动，在齿廓公切线方向也有相对滑动，所以齿廓磨损更快，传动效率低；中心距稍有改变，对传动质量影响很大，引起振动和噪声；改变两轮的螺旋角的大小和方向，会使从动轮转向改变；传动比与齿轮分度圆和螺旋有关；传动中轴向力大。

2.圆锥齿轮传动特点简介

圆锥齿轮是用来传递两轴相交的旋转运动，在汽车的驱动桥中常用圆锥齿轮将动力旋转平面改变90°，使其与驱动轮转动方向一致。图8-30a所示为圆锥齿轮传动。它的轮齿分布在圆锥面上，所以锥齿轮的轮齿从大端渐渐向锥顶缩小，沿齿宽各截面尺寸都不相等，大端尺寸最大。

圆锥齿轮种类较多，在汽车、汽车修理与钣金生产中常见的有直齿、斜齿和曲齿圆锥齿轮。

（1）直齿圆锥齿轮传动 图8-30a所示为一对标准直齿圆锥齿轮传动，两轮的分度圆锥面与节圆锥面重合。直齿圆锥齿轮以大端几何参数为标准值，它的正确啮合条件是两齿轮大端的模数和压力角分别相等，即

m₁＝m₂

（8-28）

α₁＝α₂

直齿圆柱齿轮的真实齿形就是端面上的齿形，而直齿圆锥齿轮的真实齿形是节圆锥在垂直面上投影的“背锥”齿形，如图8-30c所示。背锥展开为一个不完整的齿轮，若将它补足为一个完整的齿轮，就成了圆锥齿轮的“当量圆柱齿轮”。它的齿形就是该直齿圆锥齿轮的齿形。当量齿轮的齿数z_v为

式中，δ为锥齿轮分度圆锥角。

图8-30 圆锥齿轮传动

例如，一个直齿圆锥齿轮的齿数为24，分度圆锥角δ＝35°，则，意思就是24个齿的直齿锥齿轮与29个齿的圆柱直齿轮的齿形相同。z_v称为直齿圆锥齿轮的当量齿数。

圆锥齿轮加工和安装较难，而且有轴向力，使结构复杂化，会降低啮合传动精度和承载能力，所以圆锥齿轮传动一般用作汽车的驱动桥齿轮传动，而且广泛地用作差速器齿轮传动。

（2）螺旋圆锥齿轮传动特点 螺旋圆锥齿轮传动克服了直齿圆锥齿轮传动中重叠系数小、传动不平稳、承载能力低的缺点，现代汽车的主减速器广泛采用螺旋圆锥齿轮传动（如解放CA1092汽车等）。螺旋圆锥齿轮的轮齿是弯曲的，按齿面线（齿面与分度圆锥面的交线）的形状分为以下几种。

1）圆弧齿圆锥齿轮。它的齿面为圆弧状，如图8-31a和b所示。过圆弧齿轮分度圆锥上的齿宽中点作齿面线的切线t-t，与分度圆锥母线间的夹角β称为平均螺旋角（简称螺旋角）。按螺旋角的不同，圆弧齿圆锥齿轮又分为普通圆弧齿圆锥齿轮和零度圆弧齿圆锥齿轮。

普通圆弧齿圆锥齿轮的螺旋角β≠0，如图8-31a所示，其特点是加工容易，又易磨削，能适合高速高精度传动的要求。参与啮合齿数较多，所以齿轮强度较大，传动平稳。(www.xing528.com)

零度圆弧齿圆锥齿轮，它的螺旋角β＝0，如图8-31b所示，它的优点是没有附加轴向力，传动的平稳性和齿轮强度比直齿圆锥齿轮好，但比普通圆弧齿圆锥齿轮差。

图8-31 圆弧齿圆锥齿轮

2）延伸外摆线圆锥齿轮。它的齿面线为一段延伸外摆线，又称准摆线齿圆锥齿轮，主要特点与普通圆弧齿圆锥齿轮相似，如图8-31c所示。

（3）螺旋圆锥齿轮的旋向 螺旋圆锥齿轮分为左螺旋和右螺旋圆锥齿轮，从锥顶向齿轮看时，轮齿由小端到大端逆时针方向倾斜为左螺纹；反之为右螺纹。一对相啮合的圆弧齿圆锥齿轮，它们的螺旋角大小应相等，旋向应相反。

3.双曲面齿轮传动的特点

（1）双曲面齿轮的特征双曲面齿轮是在交叉的两轴上相啮合的圆锥状的齿轮，图8-32所示为双曲面齿轮传动。双曲面齿轮传动的节面是两个单叶双曲线回转体交叉形成的，取其“喇叭口”部分作为双曲面齿轮的节面，将节面上的双曲线部分取为直线，称为“准双曲面齿轮”。与螺旋圆锥齿轮相比，一般是大齿轮的螺旋角小，小齿轮的螺旋角大，所以小齿轮的外形尺寸比螺旋圆锥齿轮小齿轮大，强度高，运转平稳，噪声小。

（2）双曲面小齿轮的偏移距 在双曲面齿轮传动中，小齿轮偏移距E是一项重要参数。E过小不能充分发挥双曲面齿轮传动的特点，E过大会导致纵向滑动增大，引起齿面的早期磨损。主减速器齿轮的载荷小，可取较大E，载荷大宜取较小E。一般来说主减速比越大，E应越大。如BJ1041型汽车主减速器中的一对双曲面齿轮偏移距为30mm。

（3）双曲面小齿轮的偏置方向 双曲面齿轮传动的小齿轮偏置方向有上偏置和下偏置两种。判断偏置方向时，面向大齿轮齿面，并使小齿轮处于右侧，小齿轮在大齿轮中心线上方者为上偏移，如图8-32c和d所示。在下方者为下偏置，如图8-32a和b所示。上偏置时小齿轮的螺旋方向总是右旋，大齿轮为左旋。下偏置时小齿轮总是左旋，大齿轮为右旋。

（4）双曲面齿轮的优缺点及应用同螺旋齿轮相比，其主、从动锥齿轮轴线不相交，传动比较大，啮合平稳，工作噪声小；同时，主动齿轮轴线低（可采用下偏移），可以缩小汽车的最小离地间隙，降低传动轴位置，从而改善汽车行驶的稳定性。有些越野车的驱动桥主减速器采用上偏置双曲面齿轮，可提高通过性。缺点是：对安装精度和维护调整要求严格，工作齿面间有较大的相对滑动，且齿面间压力很大，工作温度较高，齿面油膜易被破坏。为了减小摩擦，提高效率，必须采用含防刮伤添加剂且耐高温的双曲面齿轮油，绝不允许用普通齿轮油代替，否则将使齿面迅速擦伤和磨损，大大降低使用寿命。

图8-32 双曲面齿轮的平移与螺旋方向

双曲面齿轮目前在轿车、轻型货车、中型货车上得到了广泛应用，如东风EQ1090E、上海桑塔纳型汽车的主减速齿轮采用的是双曲面齿轮。

图8-33 齿轮齿条传动

4.齿轮齿条传动的特点

如图8-33所示，当齿轮的基圆半径增大到无穷大时，渐开线变成一条直线，这时的齿轮就变成了齿条。这时分度圆、齿顶圆、齿根圆和基圆变成了相互平行的直线，即分度线、齿顶线、齿根线、基准线，轮齿分布在这些线上称为齿条。

齿轮齿条啮合传动时，把齿条的直线往复运动变为齿轮的回转运动或将齿轮的回转运动变为齿条的直线往复运动，齿条上各点速度大小和方向都是一致的。齿廓上各点的压力角相等，如果是标准齿条，压力角α＝20°，齿条上各齿同侧齿廓线平行且齿距相等。其大小为

p＝πm （8-30）

齿条的基本尺寸：齿条的齿顶高h_a＝m；齿条的齿根高h_f＝1.25m；齿条的齿厚；齿条的齿槽宽e＝s。

当齿轮的转速为n₁（r/min）；齿轮的模数m（mm）；齿轮的齿数z₁，齿条的移动速度为v＝n₁πd₁＝n₁πmz₁（mm/min）；当齿轮转一圈时，齿条移动的距离L＝πd₁＝πmz₁（mm）。齿条齿轮传动应用在汽车的转向器上，是以齿轮为主动件，齿条为从动件的转向器，它的结构简单，传动比不可变而且较小，在微型汽车上应用较多（如长安奥拓等）。采用带有转向加力器后，齿轮齿条转向器使用增多。

5.蜗杆传动

（1）蜗杆传动概述 蜗杆传动主要由蜗杆和蜗轮组成，如图8-34所示，用于传递空间两交错轴之间的回转运动和动力，通常两轴交错角为90°，一般蜗杆是主动件。蜗杆传动工作平稳，噪声低，结构紧凑，传动比大（单级传动比8～80，在分度机构中可达到1000），但传动效率低，一般效率为η＝0.7～0.9，自锁时其效率低于50%（η＝0.45左右），易磨损、发热，制造成本高，轴向力较大，常用于传动比较大，结构要求紧凑，传动功率不大的场合。蜗杆与蜗轮不能任意互换啮合，蜗杆传动应用也很广泛，尤其在汽车的转向器上，各种类型蜗杆传动较多，汽车修理和钣金工设备中采用的减速器中也广泛应用了蜗杆蜗轮传动。

图8-34 蜗杆传动

根据蜗杆形状的不同，蜗杆传动可分为圆柱蜗杆传动（图8-35a）、环形面蜗杆传动（图8-35b）和锥蜗杆传动等。按加工方法的不同，圆柱蜗杆又分为阿基米德蜗杆和渐开线蜗杆。阿基米德蜗杆螺旋面的形成与螺纹的形成相同，在垂直于蜗杆轴线的截面上，齿廓为阿基米德螺旋线。由于阿基米德蜗杆制造简便，故应用较广。

（2）蜗杆传动的主要参数如图8-36所示，过蜗杆轴线与蜗轮轴线相垂直的平面称为中间平面。在中间平面上，蜗杆和蜗轮的啮合可看做齿条与渐开线齿轮的啮合。因此，蜗杆传动的参数和几何尺寸计算与齿轮传动相似，设计和加工都以中间平面上的参数和尺寸为基准。

图8-35 蜗杆传动的类型

图8-36 蜗杆传动的几何尺寸

1）模数m和压力角α。标准规定蜗杆、蜗轮在中间平面内的模数和压力角为标准值。标准模数m见表8-4，压力角α＝20°。蜗轮的端面模数为m_t2，蜗杆的轴向模数为m_a1，蜗轮的端面压力角为α_t2；蜗杆的轴向压力角为α_a1。

2）蜗杆分度圆直径d₁。由于加工蜗轮所用的刀具是与蜗杆分度圆相同的蜗轮滚刀，因此加工同一模数的蜗轮，不同的蜗杆分度圆直径，就需要有不同的滚刀。为了限制刀具的数目和便于刀具的标准化，标准规定了蜗杆分度圆直径的标准系列，并与标准模数相匹配，如表8-4所示。

表8-4 蜗杆传动标准模数和直径（部分）摘自（GB/T10085—1988）

注：1.括号中的数据尽可能不采用。

2.q为蜗杆直径系数。

与螺杆相同，蜗杆的旋向也分为左旋与右旋。如图8-37所示，将蜗杆的分度圆柱面展开成平面。蜗杆的导程角γ由下式确定：

图8-37 蜗杆导程角

若令，称为蜗杆直径系数，由此蜗杆直径也可以表示为

d₁＝mq （8-32）

（3）蜗轮分度圆直径d₂和中心距a蜗轮分度圆直径为

d₂＝mz₂ （8-33）

由于蜗杆分度圆直径为d₁＝mq，所以蜗杆传动的中心距为

（4）蜗杆头数z₁和蜗轮齿数z₂蜗杆传动的传动比为

蜗杆头数通常为z₁＝1，2，4，6。头数多，加工困难。要求传动比大或传递转矩大时，z₁取小值；要求自锁时，z₁取1；要求传递功率大、效率高、传动速度大时，z₁取大值。蜗轮齿数z₂＝iz₁，蜗轮齿数取值过小会产生根切，z₂应大于26，但不宜大于80。若z₂过大会使结构尺寸过大，蜗杆刚度下降。z₁、z₂的推荐值见表8-5。

表8-5 蜗杆传动z₁、z₂推荐值

（5）螺旋角与导程角 涡轮的轮齿与斜齿相似，把齿的旋向与轴线间的夹角称为螺旋角，用β表示。并规定当轴交错角∑＝90°时，蜗杆分度圆柱面上的导程角γ等于涡轮分度圆柱面上的螺旋角β，两者的旋向相同，大小相等，即β＝γ。

（6）蜗杆传动的正确啮合条件 为了正确啮合，在中间平面内蜗杆蜗轮的模数、压力角应分别相等，即蜗杆蜗轮正确啮合条件表示为

（7）蜗杆与蜗轮的转向关系

当已知蜗杆的螺旋方向和转动方向时，可根据螺旋副的运动规律，用“左右手法则”来确定蜗轮的转动方向。如图8-38a所示，当蜗杆为右旋时，则用右手，用右手四指沿着蜗杆转动方向弯曲，与大拇指所指方向相反的方向即为蜗轮上啮合点的线速度方向，因此，蜗轮逆时针转动。当蜗杆为左旋时，则用左手按同样的方法判定，如图8-38b所示。

图8-38 蜗轮蜗杆旋向判定