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齿轮发展研究综述3王丽娟黄清世邹雯长江大学机械工程学院,湖北荆州434023摘要笔者对齿轮从古代到现在的发展历程进行了综述,并对各过程的齿轮从材料和齿形两方面特点、应用情况进行了详细介绍,指出现有齿轮存在的问题,最后综述这些缺点,提出了错联齿轮,以解决各种齿轮的不足。关键词齿轮渐开线啮合承载能力中图分类号TH132.41文献标识码A文章编号10074414200801001702ResearchonthesummarizationofthegeardevelopmentWangLijuan,HuangQingshi,ZouWenSchoolofmechanicalengineeringofYangtzeuniversity,HubeiJingzhou434023,ChinaAbstractTheauthorsummedupthegearwheeldevelopmentprocessfromancientrytotoday,anddetailedlyintroducedvari2ousgear′scharacteristicandapplyingcondition,thenpointedouttheirproblems.Finallybroughtforwardthenewtypegearalternatelinkedgeartoresolvetheseshortcoming.Keywordsgearinvolutemeshcarryingcapacity1引言齿轮传动是机械传动中的主要形式之一,由于它具有速比范围大、功率范围广、结构紧凑可靠等优点,已广泛应用于各种机械设备和仪器仪表中,成为现有机械产品中所占比重最大的一种传动。齿轮从发明到现在经历了无数次更新换代,主要向高速、重载、平稳性、体积小、低噪等方向发展。2齿轮发展历程齿轮的发展要追溯到公元前,迄今已有3000年的历史。远古时代人们为了传递动力,发明了齿轮,这一发明实现了转动的传递,在我国汉代发明的指南车上就有齿轮的传动装置,当时的齿轮是用木料制造或用金属铸成的,只能传递轴间的回转运动,不能保证传动平衡性,同时齿轮的承载能力也很小。在国外,机械传动的记载始于古罗马时代,人们在水力碾磨中也用到了木制齿轮传动,但齿轮的齿形是直线形,同样不能保证运动的平稳性,并且木制齿轮的承载能力也受到限制。在瑞典,人们在谷物碾磨中使用石头做成斜齿轮传递动力,虽然比木制齿轮承载能力高,但加工困难。到了14世纪,钟的发明使人们开始研究金属齿轮传动以减小尺寸,以便在钟中得到应用。18世纪初,蒸汽机问世,并被很快运用,这进一步促进了齿轮传动的发展。此外,这一时期水力纺织机械、冶金机械的发明与运用,又促使大功率、高质量的木制、金属的齿轮传动问世。在齿轮材料没有改进的情况下,19世纪末期,人们开始研究齿轮的齿形,并向小型化、长寿命、更可靠的齿轮传动装置发展,促进了对齿轮传动的研究,20世纪初摆线齿轮和渐开线齿轮相继出现。但由于摆线齿轮制造和安装较困难,限制了发展,目前只在钟表领域应用。渐开线齿轮传动的类型有直齿轮、斜齿轮、锥齿轮和蜗杆传动,20世纪60~70年代我国渐开线齿轮主要采用滚齿加工工艺,用这种方法生产的齿轮硬度不高,接触强度低、寿命短,而用在船舶、电厂涡轮机的大型高速齿轮传动由于其节线速度高,要求这些齿轮有高精度,于是加速了磨齿加工工艺的发展。斜齿轮是在直齿轮的基础上发展起来的,由于直齿轮寿命短,承载能力有限等缺点,从而在后来的机械传动装置中,人们开始尝试在同样厚度的齿轮上,增加接触线长度的斜齿,即斜齿轮,它无论在性能上还是加工上,都较直齿轮复杂,但在斜齿轮的传动过程中,存在着对传动系统不利的啮合力的轴向分力,为此又发明了人字齿轮,但人字齿轮的加工更复杂1,2。21世纪随着材料科学的发展,齿轮由金属材料逐渐向高分子材料转变,如塑料齿轮已被广泛应用,以减轻齿轮的重量。随着生活质量的提高,对使用工具也越来越追求完善,为了实现传动性能的优化,人们对齿轮的认识逐渐深入。20世纪40年代,渐开线理论开始出现,到50年代为了提高承载能力,提出了齿轮齿廓和齿向修形的设计方法。60年代,人们开始研究直齿、斜齿和锥齿轮等的表面疲劳强度和可靠性,研究表明渐开线齿轮传动在啮合点是纯滚动,因此其传动平稳性、效率、使用寿命受到限制。在国际齿轮会议上71第21卷第1期2008年2月机械研究与应用MECHANICALRESEARCHAPPLICATIONVol21No120082023收稿日期20071207作者简介王丽娟1979,女,山西阳泉人,硕士,研究方向机械传动。Essen提出圆弧齿轮具有润滑性能好的特点,啮合摩檫损失减小,提高了齿轮的寿命3,4。我国已将错齿双圆弧人字齿轮列入国家标准,2002年,文献5中对它的刚度,以及错位前后的刚度变化作了分析。70年代,出现了曲线锥齿轮、环面蜗杆、点接触蜗杆以及圆弧齿轮等新型传动装置。80年代,齿轮传动系统中又增加了少齿差行星传动、新型伺服传动、新型蜗杆传动等新类型。这时的设计理论有弹性变形、热变形、制造误差的啮合理论、局部共轭、失配啮合理论等2。90年代国外的产品在技术上普遍经历了一次新的更新换代,使承载能力大幅提高,模块化设计程度更高,更容易实现零件的批量化生产,此外进一步采取降噪措施,改进了密封和外观。3新型齿轮的发展齿轮传动主要靠轮齿的啮合,由于渐开线外齿轮传动的轮齿啮合是凸廓对凸廓,接触应力大,使其承载能力受到限制。针对上述缺点提出了双圆弧齿轮,它是凸凹面接触,虽然降低了接触应力,提高了承载能力,但适用于低速重载的场合。21世纪,世界齿轮研究的重点在于高速、重载、长寿命、低成本传动系统的研究,人们分别从齿轮的齿形6、齿轮啮合的原理着手7。在计算机日益发展的时代,机械也逐渐向智能化、自动化方向发展,于是趋向运用计算机软件来模拟、研究齿轮的啮合原理,运用优化、有限元等现代设计理论方法设计齿轮逐步发展,其目的在于获得新型的,高效、低噪声、高性能齿轮。很多作者对齿轮轮齿齿廓进行了研究,例如文献8中表述了一种新型曲线的齿轮,被称为LogiX齿轮,齿面曲线是由一系列微线段组成,在各线段的连接处,让曲线上相邻点的相对曲率半径为零,这种齿轮具有承载能力高、小型化等优势。文献9中的点线啮合齿轮是2004年发明的一种新型齿轮传动形式,在这样的一对齿轮副中,两个相啮合的齿轮的齿面分别为内凹和外凸的齿面轮廓形式,笔者详细介绍了这种齿轮副的齿面形式、啮合状况和加工方法。这种齿轮传动类型具有大功率、低噪音、高效率、承载能力强等优点。蒋立冬在文献10中对非对称渐开线直齿轮进行了有限元分析,这种齿轮在同一轮齿上两侧齿廓的渐开线不对称。齿形的变化,增加了设计与加工的难度。随着机械加工手段的提高,非圆齿轮的加工成为可能,在机器人设计与制造中,机器人腕部的球形齿轮也可以生产,从而扩大了齿轮传动的研究范畴。4错联齿轮随着整个工业化水平的提高,对齿轮的传动性能要求也不断提高,提高承载能力就是主要方面之一。为了提高齿轮传动的承载能力,曾经采用内外摆线、圆弧、抛物线、变态长幅渐开线等曲线作为齿廓曲线和一些新型齿轮,它们都可以有效增大轮齿的综合曲率半径和齿根截面,取得了较好的效果。但因这些齿廓均无可分性,同时对制造、安装的精度要求较高,使其应用受到了限制。错联齿轮是笔者在导师的指引下提出的一种新型齿轮,该齿轮采用具有可分性且制造容易的渐开线做齿廓,能较大地提高传动的承载能力。错联齿轮传动的齿面重合度较原传动有成倍的增加。这样既可提高承载能力,也可提高传动的平稳性。而且,错联齿轮传动还可用于原来无法用直齿轮传动实现的超短齿、少齿数情况,适应了微型机械的发展需要。错联齿轮有望在某些有特殊要求的场合获得应用,目前笔者正在进行错联齿轮理论方面的研究。参考文献1石照耀,李秀明.中国齿轮工业的现状与发展前景J.双月策划,200561113.2秦大同.机械传动科学技术的发展历史与研究进展J.机械工程学报,2003,39123743.3武昭晖,王铁.低速重载齿轮传动的解决方案J.煤矿机械,200032123.4朱孝录.齿轮承载能力分析M.北京高等教育出版社,1992.5孙俊岭,崔学政,路永明,等.错齿双圆弧人字齿轮的刚度计算J.石油大学学报自然科学版,2002,2636971.6WangPizeng,ChenWenxian,ChuYunmian.Thedesignoftheinvo2lutecirculararcgearingC.ZhengzhouTheinternationalconfer2enceongearing,1998,15105961.7PeterOmandRasmussen,TorbenOleAndersen,FrankT.Jorgensen,etal.DevelopmentofahighperformancemagneticgearJ.IEEETransactionsonindustryapplications,2005,413764770.8FengXianying,WangAiqun,LindaLee.StudyonthedesignPrinci2pleoftheLogiXtoothprofileandselectionofitsinherentbasicpa2rametersJ.Advancedmanufacturingtechnology,2004,2411127897939Qihanluo,Haixing,Junrongwang,yuchuanzhang,etal.Transmis2sionofpointlinemeshinggearJ.Theinternationalofadvancedmanufacturingtechnology,200615354357.10蒋立冬,常山.非对称渐开线直齿轮齿廓设计与有限元分析J.热能动力工程,2003,185478481.81Vol21No12008202机械研究与应用MECHANICALRESEARCHAPPLICATION第21卷第1期2008年2月
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