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传动 II · 齿轮与传动系统

层次:本科核心 + 业界核心零件。 齿轮是机械传动的主力。它看似只是"带齿的轮子",但齿廓的形状不是随意画的——它由一个严格的运动学要求推导而来。本页从这个要求出发,讲到齿轮的强度、失效与传动系统设计。

学习层:先用几何账本检查一对标准直齿轮

具体机械情境:给输送线减速箱配一对齿轮

一台输送线电机以 \(n_1=1500\,\mathrm{r/min}\) 驱动小齿轮,工程师要用一只大齿轮把速度降到约一半。先把齿轮简化成标准外啮合直齿轮:模数 \(m=3\,\mathrm{mm}\),齿数 \((z_1,z_2)=(20,40)\),压力角 \(\phi=20^\circ\)。在加工和装配前,要同时回答“速比是否正确”“中心距是多少”“啮合是否连续”和“齿数是否有根切风险”。

必须提交的预测

  1. \(z_2/z_1\) 从 \(2\) 增大到更大值时,从动轮转速 \(n_2\) 会增大还是减小?
  2. 若轴向重合度不计,理想刚体几何下至少一对齿接触的边界应是 \(\varepsilon_\alpha\ge1\) 还是 \(\varepsilon_\alpha<1\)?工程设计通常还会留出 \(>1\) 的余量。
  3. 在 \(\phi=20^\circ\) 下,\(z_1=20\) 是否高于 \(z_{\min}\approx2/\sin^2\phi\),因而通过本页的标准根切筛查?

正式模型:把速比、啮合线与根切分成三本账

取 \(r_i=mz_i/2\),标准中心距、基圆半径和齿顶圆半径分别为

\[ a=\frac{m(z_1+z_2)}{2},\qquad r_{b,i}=r_i\cos\phi,\qquad r_{a,i}=m\left(\frac{z_i}{2}+1\right). \]

两轮的理论啮合路径、基节和横向重合度是

\[ \begin{aligned} \text{path}&=\sqrt{r_{a1}^2-r_{b1}^2}+\sqrt{r_{a2}^2-r_{b2}^2}-a\sin\phi,\\ p_b&=\pi m\cos\phi,\qquad \varepsilon_\alpha=\frac{\text{path}}{p_b}. \end{aligned} \]

外啮合的速度账是 \(i=\omega_1/\omega_2=z_2/z_1\),两轴反向,故 \(n_2=n_1/i\)。理想刚体几何下 \(\varepsilon_\alpha\ge1\) 才至少有一对齿接触;工程上通常要求 \(\varepsilon_\alpha>1\) 以留下余量。标准全齿高、无变位的根切初筛用 \(z_{\min}\approx2/\sin^2\phi\),并分别检查 \(z_1,z_2\ge z_{\min}\)。默认值给出 \(a=90.00\,\mathrm{mm}\)、\(i=2.000\)、\(n_2=750.0\,\mathrm{r/min}\)、\(\varepsilon_\alpha\approx1.63\),所以几何接触成立且有工程余量,也通过这个根切筛查。

误区与模型边界

  • \(\varepsilon_\alpha\ge1\) 是理想几何下至少一对齿接触的边界;\(\varepsilon_\alpha>1\) 才表示留有正的工程余量,二者都不能替代齿根弯曲、齿面接触、润滑、噪声和轴系刚度校核。
  • \(z_{\min}\) 是标准压力角、标准全齿高的近似根切筛查;变位齿轮、短齿制、修形和非标准刀具会改变结论。
  • 上述路径公式只适用于标准全齿高、无变位、标准中心距与理想刚体几何。它不覆盖齿隙、齿形误差、弹性变形、轴线偏斜、斜齿轴向重合度或实际载荷分配。
  • 渐开线的恒传动比不等于无振动;啮合刚度周期变化、制造误差和轴承支承仍会激发啮合频率边带。
  • 根切筛查通过也不代表齿根有足够疲劳寿命;强度账必须回到载荷、齿宽、材料和修正系数。

对应 lab 的静态 fallback

无 JavaScript 时仍可核对:默认 \(m=3.00\,\mathrm{mm}\)、\((z_1,z_2)=(20,40)\)、\(\phi=20.0^\circ\)、\(n_1=1500\,\mathrm{r/min}\)。

几何/传动账本 默认读数 单位或判定
中心距 \(a\) 90.000 mm
基圆半径 \((r_{b1},r_{b2})\) (28.191, 56.382) mm
齿顶圆半径 \((r_{a1},r_{a2})\) (33.000, 63.000) mm
啮合路径 / 基节 14.48 / 8.86 mm
横向重合度 \(\varepsilon_\alpha\) 约 1.63 \(\ge1\) 几何接触,且 \(>1\) 有工程余量
速比 \(i\) / 从动转速 \(n_2\) 2.000 / 750.0 外啮合反向;r/min
\(z_{\min}\) / 根切筛查 约 17.10 / 20、40 两轮通过

脚本可用时,改变齿数或压力角会同步重算中心距、啮合路径和根切风险;结果揭示后调参不会重新锁回预测门。若把齿数降到筛查阈值以下,实验会明确标出风险,而不会把公式外推成“安全”。

迁移问题

如果输送线需要非标准中心距,且小齿轮只有 14 齿,你会怎样选择变位系数并重新检查重合度、齿顶变尖、齿根弯曲和中心距?请说明为什么此时不能直接把上面的标准 \(z_{\min}\) 当成最终设计结论。

一、齿廓啮合基本定律

要求:两轮以恒定传动比啮合。若传动比波动,从动轮就会周期性加减速 → 惯性力 → 振动与噪声(承第七页)。

基本定律:两齿廓在任一接触点的公法线,必须通过连心线上的一个固定点(节点 P)。

\[i = \frac{\omega_1}{\omega_2} = \frac{r_2}{r_1} = \text{常数}\]

满足这个条件的齿廓有多种,工程上主要用渐开线。

二、为什么是渐开线

渐开线的定义:一条直线在基圆上纯滚动时,直线上一点的轨迹。

渐开线齿廓的四个决定性优点(这四条解释了它统治齿轮世界的原因):

① 中心距可变而传动比不变。 装配误差、轴承磨损、热膨胀使中心距略有变化时,传动比仍严格恒定(只是压力角与齿隙略变)。这个性质对制造与装配极其宽容,是渐开线胜出的首要原因。

② 齿廓可用直边刀具加工。 渐开线齿轮的基本齿条是直线齿廓,因此可用简单的直线刃刀具(滚刀、插齿刀)以范成法加工——一把刀具可以加工同模数、任意齿数的齿轮。这是巨大的制造经济性优势。

③ 传力方向恒定。 啮合点始终沿啮合线(基圆的公切线)移动,压力角恒定 → 轴承受力方向不变,利于设计。

④ 可互换性。 同模数、同压力角的齿轮都能互相啮合。标准压力角 20° 是全球通用标准。

三、基本参数与几何

模数 \(m\) 是齿轮的"尺寸单位":

\[d = mz, \qquad p = \pi m\]

\(d\) 为分度圆直径,\(z\) 为齿数,\(p\) 为齿距。模数已标准化(1, 1.25, 1.5, 2, 2.5, 3, 4, 5…),因为刀具按模数配备。

两个必须掌握的概念:

① 重合度 \(\varepsilon\):平均同时啮合的齿数。

\[\varepsilon_\alpha \ge 1 \ \text{是标准全齿高、无变位直齿轮至少一对齿接触的理想几何边界}\]

在该标准直齿轮模型内,\(\varepsilon_\alpha\) 越大通常意味着载荷分担更均匀、噪声更小。标准直齿轮 \(\varepsilon_\alpha\) 常在 1.2–1.8;斜齿轮因有轴向重合度,总重合度可达 2–3 以上,因而运转平稳、噪声低——这是汽车变速箱普遍用斜齿轮的原因(代价是产生轴向力,需要止推轴承)。非标准全齿高、变位、修形或实际载荷下,应重新定义并校核重合度。

② 根切与最少齿数:齿数太少时,刀具会把齿根切去一部分,削弱强度。标准直齿轮(压力角 20°、正常齿)的理论最少齿数为 17。

变位齿轮是对策:把刀具径向移动一个距离加工。变位不改变模数与压力角,却能:

四、齿轮的两种失效模式

这是齿轮设计的核心——两种失效机理完全不同,必须分别校核:

齿轮的两种失效模式

图 11-1 齿轮的两类失效。齿根弯曲疲劳(上):齿被当作悬臂梁,齿根圆角处应力集中,裂纹从此萌生并扩展直至断齿——一旦发生即为灾难性失效。齿面接触疲劳(点蚀)(下):赫兹接触应力使次表面产生裂纹,材料逐片剥落——发展较缓,可通过监测发现。硬度状态会影响弯曲与接触强度的相对余量,但哪一项控制要由齿宽、模数、载荷、材料和修正系数计算确认,不能仅凭“硬/软齿面”绝对判断优先加大模数还是直径。

① 齿根弯曲疲劳(断齿):把齿看作悬臂梁,齿根圆角处应力集中(承第一页)。

\[\sigma_F = \frac{F_t}{bm}Y_F \cdot (\text{各修正系数})\]

关键:\(\sigma_F \propto 1/m\) → 提高弯曲强度靠增大模数(齿变大变粗)。

② 齿面接触疲劳(点蚀):赫兹接触应力(承第五页)导致次表面裂纹与剥落。

\[\sigma_H \propto \sqrt{\frac{F_t}{b d}} \cdot (\cdots)\]

关键:\(\sigma_H\) 与直径相关 → 提高接触强度靠增大直径(或提高齿面硬度)。

这个区别有直接的设计后果:

其他失效:胶合(高速重载下油膜破裂、齿面焊合撕裂——靠润滑油极压添加剂与降低闪温对抗)、磨粒磨损、塑性变形。

五、齿轮系与速比

定轴轮系:\(i_{\text{总}} = \prod i_k\),注意方向(外啮合反向、内啮合同向)。

行星轮系:用转化机构法(给整个系统加上 \(-\omega_H\),转化为定轴轮系)求解。

行星轮系的优点(现代传动的主流):

代价:制造精度要求高(多个行星轮必须均载,否则一个轮承担全部载荷),装配有齿数条件限制。

其他传动的定位:

六、传动系统设计的思路

分配速比的原则:

齿轮传动的噪声与振动:啮合频率 = 齿数 × 转速(承第七页那张表)。齿轮制造误差、齿距偏差、装配偏心会在啮合频率周围产生边带——频谱上的边带间距对应故障轴的转速,这是齿轮箱故障诊断的关键判据。

修形:为补偿受载变形与制造误差,高端齿轮会做齿廓修形与齿向修鼓——让齿在受载后才成为理想形状。这是"故意做不准,以便受载后正好准"的精妙做法,在风电齿轮箱、汽车变速箱中是标准工艺。

七、要点


下一页:轴系与轴承——机器的关节。以及一个常被低估的学科:摩擦学。机械系统的能量损失与失效,很大一部分发生在两个表面接触的地方。