1. 什么是齒輪？
齒輪是能互相嚙合的有齒的機械零件。它在機械傳動(dòng)及整個(gè)機械領(lǐng)域中的應用極其廣泛。
2. 齒輪的歷史
早在公元前350年，古希臘著(zhù)名的哲學(xué)家亞里士多德在文獻中對齒輪有過(guò)記錄。公元前250年左右，數學(xué)家阿基米德也在文獻中對使用了渦輪蝸桿的卷?yè)P機進(jìn)行了說(shuō)明。在現今伊拉克凱特斯芬遺跡中還保存著(zhù)公元前的齒輪。
齒輪在我國的歷史也源遠流長(cháng)。據史料記載，遠在公元前400~200年的中國古代就已開(kāi)始使用齒輪，在我國山西出土的青銅齒輪是迄今已發(fā)現的最古老齒輪，作為反映古代科學(xué)技術(shù)成就的指南車(chē)就是以齒輪機構為核心的機械裝置。15世紀后半的意大利文藝復興時(shí)期，著(zhù)名的全才列奧納多.達芬奇，不僅在文化藝術(shù)方面，在齒輪技術(shù)史上也留下了不可磨滅的功績(jì)，經(jīng)過(guò)了500年以上，現在的齒輪仍然保留著(zhù)當時(shí)素描的原型。
直到17世紀末，人們才開(kāi)始研究能正確傳遞運動(dòng)的輪齒形狀。18世紀，歐洲工業(yè)革命以后，齒輪傳動(dòng)的應用日益廣泛；先是發(fā)展擺線(xiàn)齒輪，而后是漸開(kāi)線(xiàn)齒輪，一直到20世紀初，漸開(kāi)線(xiàn)齒輪已在應用中占了優(yōu)勢。其后又發(fā)展了變位齒輪、圓弧齒輪、錐齒輪、斜齒輪等等。
現代齒輪技術(shù)已達到：齒輪模數0.004-100毫米；齒輪直徑由1毫米-150米；傳遞功率可達十萬(wàn)千瓦；轉速可達十萬(wàn)轉/分；最高的圓周速度達300米/秒。
國際上，動(dòng)力傳動(dòng)齒輪裝置正沿著(zhù)小型化、高速化、標準化方向發(fā)展。特殊齒輪的應用、行星齒輪裝置的發(fā)展、低振動(dòng)、低噪聲齒輪裝置的研制是齒輪設計方面的一些特點(diǎn)。
3. 齒輪一般分為三大類(lèi)
齒輪的種類(lèi)繁多，其分類(lèi)方法最通常的是根據齒輪軸性。一般分為平行軸、相交軸及交錯軸三種類(lèi)型。
1）平行軸齒輪：包括正齒輪、斜齒輪、內齒輪、齒條及斜齒條等。
2）相交軸齒輪：有直齒錐齒輪、弧齒錐齒輪、零度齒錐齒輪等。
3）交錯軸齒輪：有交錯軸斜齒齒輪、蝸桿蝸輪、準雙曲面齒輪等。
上表中所列出的效率為傳動(dòng)效率，不包括軸承及攪拌潤滑等的損失。平行軸及相交軸的齒輪副的嚙合，基本上是滾動(dòng)，相對的滑動(dòng)非常微小，所以效率高。交錯軸斜齒輪及蝸桿蝸輪等交錯軸齒輪副，因為是通過(guò)相對滑動(dòng)產(chǎn)生旋轉以達到動(dòng)力傳動(dòng)，所以摩擦的影響非常大，與其他齒輪相比傳動(dòng)效率下降。齒輪的效率是齒輪在正常裝配狀況下的傳動(dòng)效率。如果出現安裝不正確的情況，特別是錐齒輪裝配距離不正確而導致同錐交點(diǎn)有誤差時(shí)，其效率會(huì )顯著(zhù)下降。
3.1 平行軸的齒輪
1）正齒輪
齒線(xiàn)與軸心線(xiàn)為平行方向的圓柱齒輪。因為易于加工，因此在動(dòng)力傳動(dòng)上使用最為廣泛。
2）齒條
與正齒輪嚙合的直線(xiàn)齒條狀齒輪?？梢钥闯墒钦X輪的節圓直徑變成無(wú)限大時(shí)的特殊情況。
3）內齒輪
與正齒輪相嚙合在圓環(huán)的內側加工有輪齒的齒輪。主要使用在行星齒輪傳動(dòng)機構及齒輪聯(lián)軸器等應用上。
4）斜齒齒輪
齒線(xiàn)為螺旋線(xiàn)的圓柱齒輪。因為比正齒輪強度高且運轉平穩，被廣泛使用。傳動(dòng)時(shí)產(chǎn)生軸向推力。
5）斜齒齒條，
與斜齒齒輪相嚙合的條狀齒輪。相當于斜齒齒輪的節徑變成無(wú)限大時(shí)的情形。
6）人字齒輪
齒線(xiàn)為左旋及右旋的兩個(gè)斜齒齒輪組合而成的齒輪。有在軸向不產(chǎn)生推力的優(yōu)點(diǎn)。
3.2 相交軸齒輪
1）直齒錐齒輪
齒線(xiàn)與節錐線(xiàn)的母線(xiàn)一致的錐齒輪。在錐齒輪中，屬于比較容易制造的類(lèi)型。所以，作為傳動(dòng)用錐齒輪應用范圍廣泛。
2）弧齒錐齒輪
齒線(xiàn)為曲線(xiàn)，帶有螺旋角的錐齒輪。雖然與直齒錐齒輪相比，制作難度較大，但是作為高強度、低噪音的齒輪使用也很廣泛。
3）零度錐齒輪
螺旋角為零度的曲線(xiàn)齒錐齒輪。因為同時(shí)具有直齒和曲齒錐齒輪的特征，齒面的受力情形與直齒錐齒輪相同。
3.3 交錯軸齒輪
1）圓柱蝸桿副
圓柱蝸桿副是圓柱蝸桿和與之嚙合的蝸輪的總稱(chēng)。運轉平靜及單對即可獲得大傳動(dòng)比為其最大的特征，但是有效率低的缺點(diǎn)。
2）交錯軸斜齒齒輪
圓柱蝸桿副在交錯軸間傳動(dòng)時(shí)的名稱(chēng)?？稍谛饼X齒輪副或斜齒齒輪與正齒輪副的情況下使用。運轉雖然平穩，但只適合于使用在輕負荷的情況下。
3.4 其他特殊齒輪
1）面齒輪
可與正齒輪或斜齒齒輪嚙合的圓盤(pán)狀齒輪。在直交軸及交錯軸間傳動(dòng)。
2）鼓形蝸桿副
鼓形蝸桿及與之嚙合的蝸輪的總稱(chēng)。雖然制造比較困難，但比起圓柱蝸桿副，可以傳動(dòng)大負荷。
3）準雙曲面齒輪
在交錯軸間傳動(dòng)的圓錐形齒輪。大小齒輪經(jīng)過(guò)偏心加工，與弧齒齒輪相似，嚙合原理非常復雜。
4. 齒輪的基本術(shù)語(yǔ)和尺寸計算
齒輪有很多齒輪所特有的術(shù)語(yǔ)和表現方法，為了使大家能更多的了解齒輪，在此介紹一些經(jīng)常使用的齒輪基本術(shù)語(yǔ)。
1）齒輪各部位的名稱(chēng)
2）表示輪齒的大小的術(shù)語(yǔ)是模數
m1、m3、m8…被稱(chēng)為模數1、模數3、模數8。模數是全世界通用的稱(chēng)呼，使用符號m（模數）和數字（毫米〉來(lái)表示輪齒的大小，數字越大，輪齒也越大。
另外，在使用英制單位的國家（比如美國），使用符號（徑節）及數字（分度圓直徑為1英吋時(shí)的齒輪的輪齒數）來(lái)表示輪齒的大小。比如：DP24、DP8等。還有使用符號（周節）和數字（毫米）來(lái)表示輪齒大小的比較特殊的稱(chēng)呼方法，比如CP5、CP10。
模數乘以圓周率即可得到齒距（p），齒距是相鄰兩齒間的長(cháng)度。
用公式表示就是：
p=圓周率 x 模數 = πm
不同模數的輪齒大小對比：
3）壓力角
壓力角是決定齒輪齒形的參數。即輪齒齒面的傾斜度。壓力角（α）一般采用20°。以前，壓力角為14.5°的齒輪曾經(jīng)很普及。
壓力角是在齒面的一點(diǎn)（一般是指節點(diǎn)）上，半徑線(xiàn)與齒形的切線(xiàn)間所成之角度。如圖所示，α為壓力角。因為α’=α，所以α’也是壓力角。
A齒與B齒的嚙合狀態(tài)從節點(diǎn)看上去時(shí)：
A齒在節點(diǎn)上推動(dòng)B點(diǎn)。這個(gè)時(shí)候的推動(dòng)力作用在A(yíng)齒及B齒的共同法線(xiàn)上。也就是說(shuō)，共同法線(xiàn)是力的作用方向，亦是承受壓力的方向，α則為壓力角。
模數（m）、壓力角（α）再加上齒數（z）是齒輪的三大基本參數，以此參數為基礎計算齒輪各部位尺寸。
4）齒高與齒厚
輪齒的高度由模數（m）來(lái)決定。
全齒高 h=2.25m（=齒根高+齒頂高）
齒頂高（ha）是從齒頂到分度線(xiàn)的高度。ha=1m。
齒根高（hf）是從齒根到分度線(xiàn)的高度。hf=1.25m。
齒厚 （s）的基準是齒距的一半。s=πm/2。
5）齒輪的直徑
決定齒輪大小的參數是齒輪的分度圓直徑（d）。以分度圓為基準，才能定出齒距、齒厚、齒高、齒頂高、齒根高。
分度圓直徑 d=zm
齒頂圓直徑da=d+2m
齒根圓直徑df=d-2.5m
分度圓在實(shí)際的齒輪中是無(wú)法直接看到的，因為分度圓是為了決定齒輪的大小而假設的圓。
6）中心距與齒隙
一對齒輪的分度圓相切嚙合時(shí)，中心距是兩個(gè)分度圓直徑的和的一半。
中心距a=（d1+d2）/2
在齒輪的嚙合中，要想得到圓滑的嚙合效果，齒隙是個(gè)重要的因素。齒隙是一對齒輪嚙合時(shí)齒面間的空隙。
齒輪的齒高方向也有空隙。這個(gè)空隙被稱(chēng)為頂隙（Clearance)。頂隙(c)是齒輪的齒根高與相配齒輪的齒頂高之差。
頂隙 c=1.25m-1m=0.25m
7）斜齒齒輪
將正齒輪的輪齒螺旋狀扭轉后的齒輪為斜齒齒輪。正齒輪幾何計箅的大部分都可適用于斜齒齒輪。斜齒齒輪，根據其基準面不同有2種方式：
端面（軸直角）基準（端面模數/壓力角〉
法面（齒直角）基準（法向模數/壓力角〉
端面模數mt和法向模數mn的關(guān)系式mt=mn/cosβ
8）螺旋方向與配合
斜齒齒輪、弧齒傘形齒輪等，輪齒呈螺旋狀的齒輪，螺旋方向和配合是一定的。螺旋方向是指當齒輪的中心軸指向上下，從正面看上去時(shí)，輪齒的方向指向右上的是[右旋]，左上的是[左旋]。各種齒輪的配合如下所示。
5. 最常用的齒輪齒形是漸開(kāi)線(xiàn)齒形
僅僅在摩擦輪的外周上分割出等分的齒距，裝上突起，然后相互嚙合轉動(dòng)的話(huà),會(huì )出現如下問(wèn)題：
輪齒傳動(dòng)時(shí)既要安靜又要圓滑，由此，誕生了漸開(kāi)曲線(xiàn)。
1）什么是漸開(kāi)線(xiàn)
將一端系有鉛筆的線(xiàn)纏在圓筒的外周上，然后在線(xiàn)繃緊的狀態(tài)下將線(xiàn)漸漸放開(kāi)。此時(shí)，鉛筆所畫(huà)出的曲線(xiàn)即為漸開(kāi)曲線(xiàn)。圓筒的外周被稱(chēng)為基圓。
2）8齒漸開(kāi)線(xiàn)齒輪示例
將圓筒8等分后，系上8根鉛筆，畫(huà)出8條漸開(kāi)曲線(xiàn)。然后，將線(xiàn)向相反方向纏繞，按同樣方法畫(huà)出8條曲線(xiàn)，這就是以漸開(kāi)曲線(xiàn)作為齒形，齒數為8的齒輪。
3）漸開(kāi)線(xiàn)齒輪的優(yōu)點(diǎn)
4）基圓和分度圓
基圓是形成漸開(kāi)線(xiàn)齒形的基礎圓。分度圓是決定齒輪大小的基準圓?；鶊A與分度圓是齒輪的重要幾何尺寸。漸開(kāi)線(xiàn)齒形是在基圓的外側形成的曲線(xiàn)。在基圓上壓力角為零度。
5）漸開(kāi)線(xiàn)齒輪的嚙合
兩個(gè)標準的漸開(kāi)線(xiàn)齒輪的分度圓在標準的中心距下相切嚙合。
兩輪嚙合時(shí)的模樣，看上去就像是分度圓直徑大小為d1、d2兩個(gè)摩擦輪（Friction wheels）在傳動(dòng)。但是，實(shí)際上漸開(kāi)線(xiàn)齒輪的嚙合取決于基圓而不是分度圓。
兩個(gè)齒輪齒形的嚙合接觸點(diǎn)按P1—P2—P3的順序在嚙合線(xiàn)上移動(dòng)。請注意驅動(dòng)齒輪中黃色的輪齒。這個(gè)齒開(kāi)始嚙合后的一段時(shí)間內，齒輪為兩齒嚙合（P1、P3）。嚙合繼續，當嚙合點(diǎn)移動(dòng)到分度圓上的點(diǎn)P2時(shí)，嚙合輪齒只剩下了一個(gè)。嚙合繼續進(jìn)行，嚙合點(diǎn)移動(dòng)到點(diǎn)P3時(shí)，下一個(gè)輪齒開(kāi)始在P1點(diǎn)嚙合，再次形成兩齒嚙合的狀態(tài)。就像這樣，齒輪的兩齒嚙合與單齒嚙合交互重復傳遞旋轉運動(dòng)。
基圓的公切線(xiàn)A一B被稱(chēng)為嚙合線(xiàn)。齒輪的嚙合點(diǎn)都在這條嚙合線(xiàn)上。
用一個(gè)形象的圖來(lái)表示，就好像皮帶交叉地套在兩個(gè)基圓的外周上做旋轉運動(dòng)傳遞動(dòng)力一樣。
6. 齒輪的變位分為正變位和負變位
我們通常使用的齒輪的齒廓一般都是標準的漸開(kāi)線(xiàn)，然而也存在一些情況需要對輪齒進(jìn)行變位，如調整中心距、防止小齒輪的根切等。
1）齒輪的齒數與形狀
漸開(kāi)線(xiàn)齒形曲線(xiàn)隨齒數多少而不同。齒數越多，齒形曲線(xiàn)越趨于直線(xiàn)。隨齒數增加，齒根的齒形變厚，輪齒強度增加。
由上圖可以看到，齒數為10的齒輪，其輪齒的齒根處部分漸開(kāi)線(xiàn)齒形被挖去，發(fā)生根切現象。但是如果對齒數z=10的齒輪采用正變位，增大齒頂圓直徑、增加輪齒的齒厚的話(huà)，可以得到與齒數200的齒輪同等程度的齒輪強度。
2）變位齒輪
下圖是齒數z=10的齒輪正變位切齒示意圖。切齒時(shí)，刀具沿半徑方向的移動(dòng)量xm（mm）稱(chēng)為徑向變位量〔簡(jiǎn)稱(chēng)變位量)。
xm=變位量（mm）
x=變位系數
m=模數（mm）
通過(guò)正變位的齒形變化。輪齒的齒厚增加，外徑（齒頂圓直徑〉也變大。齒輪通過(guò)采取正變位，可以避免根切（Undercut）的發(fā)生。對齒輪實(shí)行變位還可以達到其它的目的，如改變中心距，正變位可增加中心距，負變位可減少中心距。
不論是正變位還是負變位齒輪，都對變位量有限制。
3）正變位和負變位
變位有正變位和負變位。雖然齒高相同，但齒厚不同。齒厚變厚的為正變位齒輪，齒厚變薄的為負變位齒輪。
無(wú)法改變兩個(gè)齒輪的中心距時(shí)，對小齒輪進(jìn)行正變位（避免根切），對大齒輪進(jìn)行負變位，以使中心距相同。這種情況下，變位量的絕對值相等。
4）變位齒輪的嚙合
標準齒輪是在各個(gè)齒輪的分度圓相切狀態(tài)下嚙合。而經(jīng)過(guò)變位的齒輪的嚙合，如圖所示，是在嚙合節圓上相切嚙合。嚙合節圓上的壓力角稱(chēng)為嚙合角。嚙合角與分度圓上的壓力角（分度圓壓力角）不同。嚙合角是設計變位齒輪時(shí)的重要要素。
6）齒輪變位的作用
可以防止在加工時(shí)因為齒數少而產(chǎn)生的根切現象；通過(guò)變位可以得到所希望的中心距；在一對齒輪齒數比很大的情況下，對容易產(chǎn)生磨耗的小齒輪進(jìn)行正變位，使齒厚加厚。相反，對大齒輪進(jìn)行負變位，使齒厚變薄，以使得兩個(gè)齒輪的壽命接近。
7. 齒輪的精度
齒輪是傳遞動(dòng)力和旋轉的機械要素。對于齒輪的性能要求主要有：
要想滿(mǎn)足如上所述的要求，提高齒輪的精度將成為必須解決的課題。
1）齒輪精度的分類(lèi)
齒輪的精度大致可以分為三類(lèi)：
a）漸開(kāi)線(xiàn)齒形的正確度—齒形精度
b）齒面上齒線(xiàn)的正確度—齒線(xiàn)精度
c）齒/齒槽位置的正確度
2）齒形誤差
3）齒線(xiàn)誤差
4）齒距誤差
在以齒輪軸為中心的測定圓周上測量齒距值。
單齒距偏差（fpt）實(shí)際齒距與理論齒距的差。
齒距累積總偏差（Fp）測定全輪齒齒距偏差做出評價(jià)。齒距累積偏差曲線(xiàn)的總振幅值為齒距總偏差。
5）徑向跳動(dòng)（Fr）
將測頭（球形、圓柱形）相繼置于齒槽內，測定測頭到齒輪軸線(xiàn)的最大和最小徑向距離之差。齒輪軸的偏心量是徑向跳動(dòng)的一部分。
6）徑向綜合總偏差（Fi”）
到此為止，我們所敘述的齒形、齒距、齒線(xiàn)精度等，都是評價(jià)齒輪單體精度的方法。與此不同的是，還有將齒輪與測量齒輪嚙合后評價(jià)齒輪精度的兩齒面嚙合試驗的方法。被測齒輪的左右兩齒面與測量齒輪接觸嚙合，并旋轉一整周。記錄中心距離的變化。下圖是齒數為30的齒輪的試驗結果。單齒徑向綜合偏差的波浪線(xiàn)共有30個(gè)。徑向綜合總偏差值大約為徑向跳動(dòng)偏差與單齒徑向綜合偏差的和。
7）齒輪各種精度之間的關(guān)聯(lián)
齒輪的各部分精度之間是有關(guān)聯(lián)的，一般來(lái)說(shuō)，徑向跳動(dòng)與其它誤差的相關(guān)性強，各種齒距誤差間的相關(guān)性也很強。
8）高精度齒輪的條件
8. 齒輪計算公式
標準正齒輪的計算（小齒輪①，大齒輪②）
移位正齒輪計算公式（小齒輪①，大齒輪②）
標準螺旋齒的計算公式（齒直角方式）（小齒輪①，大齒輪②）
移位螺旋齒的計算公式（齒直角方式）（小齒輪①，大齒輪②）
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