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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 : 1007 - 4414 (2008) 01 - 0017 - 02Research on the summar iza tion of the gear developm en tW ang L i - juan, Huang Q ing - shi, Zou W en(School of m echanical engineering of Yangtze university, Hubei J ingzhou 434023, China)Abstract: The author summed up the gear wheel development p rocess from ancientry to today, and detailedly introduced vari2ous gear s characteristic and app lying condition , then pointed out their p roblem s. Finally brought forward the new type gear -alternate - linked gear to resolve these shortcom ing.Key words: gear; involute; mesh; carrying capacity1 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MECHAN ICAL RESEARCH & APPL ICATION Vol 21 No 120082023 收 稿 日 期 : 2007 - 12 - 07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 , 2005 (6) : 11 - 13. 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, 39 (12) : 37 - 43. 3 武 昭 晖 ,王 铁 . 低 速 重 载 齿 轮 传 动 的 解 决 方 案 J . 煤 矿 机 械 ,2000 (3) : 21 - 23. 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, 26 (3) : 69 - 71. 6 W ang Pizeng, Chen W enxian, Chu Yunm ian. The design of the invo2lute - circular arc gearing C . Zhengzhou: The international confer2ence on gearing, 1998, 1 (5 - 10) : 59 - 61. 7 Peter Omand Rasmussen, Torben O le Andersen, Frank T. Jorgensen,et a