齿轮传动技术的发展概况

齿轮传动是现代机械中应用最广泛的一种传动。研究齿轮传动的目的在于适应科技进步和工业发展的需要，制造出传动性能好、承载能力高、结构尺寸小、生产成本低的高质量齿轮。对齿轮的研究，通常在探讨其齿廓曲线、选择其材料及热处理方法、开发并推广其新的设计、制造、检验分析方法等方面进行。各方面的研究成果都推动了齿轮传动技术的发展。

一、齿廓曲线的研究动向

本章前述各节，是研究有关渐开线齿轮的问题，广泛使用渐开线齿轮传动已有两百多年历史。诚然，渐开线作为齿轮齿廓曲线有许多优点，但也存在一些固有的缺点，例如：啮合齿廓接触点处的综合曲率半径Σρ不能增大很多，载荷沿齿宽分布不均匀，轮齿各部分的磨损不均匀，啮合损失较大等，使传动效率下降，其承载能力的提高受到了一定的限制。这些缺陷影响齿轮传动质量的进一步提高。因此促使人们去寻求更合适的齿廓曲线，以适应对齿轮传动的更高要求。

1.圆弧齿轮

圆弧齿轮传动如图8-39所示，它的端面或法面齿廓为圆弧。小齿轮齿廓为凸圆弧，大齿轮齿廓为凹圆弧。为保证两轮传动的连续性，这种齿轮只能做成斜齿轮。圆弧齿轮传动的优点有：

（1）综合曲率半径大，轮齿具有较高的接触强度。在齿轮材料和尺寸相同的情况下，接触强度比渐开线齿轮提高1.5～2倍。

（2）对制造误差和变形的敏感性较小。

（3）无根切问题，因而没有受根切限制的最少齿数，故径向尺寸可大大缩小。

圆弧齿轮传动也有一些缺点：

图8-39 圆弧齿轮传动

（1）点啮合传动且无中心距可分性，故中心距偏差会使其承载能力显著下降，因而对中心距精度要求较高，提高了对加工及安装的精度要求。

（2）轴向尺寸较大这是因为斜齿圆弧齿轮的端面重合度为零，为使其能连续传动，必须增大轴面重合度，而增大轴面重合度的主要措施是增大齿轮宽度。

（3）凸齿面齿轮和凹齿面齿轮要用两把刀切制。

为克服上述缺点，近年来采用了双圆弧齿轮。在这种齿轮传动中，相啮合的一对齿轮其齿顶均为凸圆弧，而齿根均为凹圆弧。每对齿啮合时均有两个啮合点，一个在齿顶，另一个在齿根。这种齿轮传动的主要优点是：

（1）强度高、传动平稳，振动、噪声均较小。

（2）互相啮合的一对齿轮可用一把刀具加工，可降低加工成本。

2.摆线齿轮

早在十六世纪人们已用摆线作为齿廓曲线了。但由于渐开线齿轮在许多方面优于摆线齿轮，所以摆线齿轮的应用远不如渐开线齿轮广泛。摆线齿轮的变态形式——摆线针轮传动，则被越来越广泛的应用。

摆线齿轮传动的主要优点有：

（1）相互啮合的两齿面一凹一凸，综合曲率半径大，有利于提高接触强度；

（2）重合度较大；

（3）无根切现象，可得到更紧凑的机构。

摆线齿轮的主要缺点有：

（1）两轮中心距必须十分准确，否则不能保证定传动比；

（2）由于啮合线为圆弧，因而啮合角是变化的，故齿廓间的正压力方向也是变化的，从而使齿廓间的正压力不断变化；

（3）对精度要求较高，给加工带来一定的困难，不容易满足精度要求。

除上述圆弧、摆线作为轮齿齿廓曲线外，近年来对齿廓曲线的研究也逐渐深入，为吸收渐开线、摆线齿廓曲线各自的优点，所以对渐开线—摆线混合齿廓的齿轮作了研讨。对这种齿轮的制造工艺、啮合原理、啮合参数、强度性能、试验结果等进行了研究。这种齿轮较之渐开线齿轮有着较高的使用性能和机械性能，但要广泛应用还有待进一步研究。此外，目前国内还有变长线、渐开线点线啮合等新型齿廓曲线齿轮传动也正在研究中。

二、齿面硬度、齿轮精度、齿轮材料方面的研究动向

1.硬齿面、高精度已成为齿轮技术发展的主流

随着齿轮传递功率的日益增大，世界各国都在努力研究如何提高齿轮承载能力的问题。研究结果和生产实践都已证明，采用硬齿面和提高齿轮加工精度是解决承载能力的关键。例如，在其他条件相同的情况下，采用渗碳淬火硬齿面代替调质软齿面，齿轮的承载能力可提高2～3倍；一些硬齿面减速器与同等额定功率的软齿面减速器相比，寿命可提高三倍以上；与传递相同功率的软齿面减速器相比，硬齿面减速器的重量与体积可以下降40%～60%。根据预测，我国的齿轮工业21世纪内将完成从软齿面向硬齿面（含中硬齿面）的转变。

2.齿轮新材料的研究与开发

近十几年来，在对重要传动齿轮用钢的冶金质量方面，采用真空脱气处理，提高了钢的韧度，改善了加工性能。为保证齿轮不同尺寸的芯部硬度和减少热处理变形，开始生产并应用保证淬透性钢；为缩短齿轮渗碳周期，正逐步推行齿轮的稀土渗碳工艺，并开发出了不少新牌号钢。

同时，对塑料齿轮和高强度球墨铸铁齿轮的研究增多，使其应用日益广泛。塑料齿轮具有重量轻、噪声低、价格廉、适于注塑成形，可在无需润滑的条件下工作等优点，已广泛应用于家电产品、办公机器、轻工食品机械、机器人等产品上。近十几年来，人们通过对新型材料的齿轮（尼龙合金材料齿轮、复合材料塑料齿轮）的研究，在齿面温度、摩擦系数变化规律、温升对强度和机械性能的影响等方面取得了诸多成果，使高强度的塑料齿轮已逐渐应用于动力机械。

高强度球墨铸铁（ADI）齿轮，具有噪声低、抗胶合能力强、温升小、传动效率高等优点，其接触疲劳强度、弯曲疲劳强度及耐冲击能力均优于一般调质钢齿轮，所以得到广泛应用。

三、齿轮设计及制造技术的发展动向

1.计算机技术和现代设计方法的应用

采用新的设计技术及设计方法是制造高质量齿轮的关键之一。在工业发达国家中，齿轮设计、制造和分析系统（CAD/CAM/CAA）已普遍应用。计算机辅助设计、数控加工、检验分析的新技术也已获得系统应用。美国的软件公司、齿轮公司都建有齿轮设计与分析系统；日本组织大学、工厂和研究机关开发了齿轮行业的通用软件，如齿轮文献数据库、齿轮装置数据库、齿轮基本设计评价专家系统、滚刀滚齿诊断型专家系统、齿轮装置振动问题诊断型专家系统等。

从优化设计到计算机辅助绘图，从二维图形发展到三维实体造型，从齿轮零部件CAD到齿轮传动装置CAD的一体化集成系统，计算机技术和现代设计方法的开发和应用，大大地缩短了设计周期并提高了设计质量，获得了更先进更可靠的齿轮新产品。

2.涂覆技术在齿轮刀具上被广泛应用

氮化钛（Ti N）超硬涂层可使刀具的寿命提高3～7倍，使切削速度提高50%～100%，降低了制造成本，节约了能源，提高了经济效益，此项技术被誉为“刀具革命”。由于氮化钛涂层与刀具基体有较好的结合力，具有耐热、耐磨等特点，所以在工业发达国家，涂层齿轮刀具的覆盖率达80%以上。采用高速钢滚刀实现了高速滚齿。在我国，目前也有不少刀具厂建立了涂层中心，正不断推广涂层滚刀及其他齿轮刀具。

3.新的齿轮加工方法的研究

硬齿面的加工按传统方法是磨齿，但这种方法效率低、成本高。近十余年来，对应齿面精加工的新技术层出不穷，如广为采用的30°负前角硬质合金滚（刮）刀和径向剃齿等方法均获得良好的效果。

CBN（立方晶氮化硼）砂轮的出现，为超精密高效磨齿开辟了一条新途径。采用CBN砂轮与普通氧化铝砂轮比较，后者六七分钟磨一个汽车齿轮，而前者仅需一分钟。

热弹性变形修形技术应用于高速重载齿轮，可使其受载后齿面接触均匀，以保证齿轮运行的可靠性和降低噪声。实验研究表明，齿轮修形可提高50%～100%的承载能力。

4.新型齿轮加工机床的研制和开发

工业发达国家的齿轮制造厂家，为适应批量生产或多品种小批量齿轮生产的需要，采用CNC（人机对话式数控）齿轮加工机床越来越多。滚齿机、插齿机、剃齿机、硬齿面加工光整机均在十年内先后CNC化。目前已出现全自动化的齿轮柔性制造系统，即FMS齿轮加工。

为了提高齿轮精加工的效率，国外齿轮加工机床公司推出了高效磨齿机，如环面蜗杆砂轮磨齿机，其生产效率是普通磨齿法的5倍。磨削小直径（d＜140mm）、模数m=1.5～3mm、螺旋角β=±40°的齿轮时，单件磨削时间可缩短到一分钟，平均每个齿的磨削仅为2秒，并按照需要可磨削各种修形齿轮。

总之，齿轮技术在近十余年间得到了长足的发展。除上述之外，还有如齿轮传动振动与噪声等动力学方面的许多新课题也在不断的研究和开发中。

本章小结

齿轮传动是机电设备中最常用的机械传动形式之一，其设计计算就显得十分重要，所以本章是本课程的重点章节。

在本章中，由于齿轮传动的强度计算公式中系数比较多，在进行计算时注意各种图表的使用条件和要求，正确使用各种图表。