本站原创摘 要：齿轮在机械设备中的作用很重要,它必须具备各项充足的工作能力,来确保一整个工作期间的寿命不会导致失效,针对各种工作中发生的情况及导致失效的形式,应该分别确立相应的设计准则.根据一般使用的齿轮传动来设计,按保证齿根弯曲疲劳强度及保证齿面接触疲劳强度来计算.对于高速大功率的齿轮传动,按保证齿面抗效合能力的准则来计算.
关 键 词：机械工程；齿轮；转动设计
1机器在经济建设中的作用
机器的优点：即能承担人力所不能或不便进行的工作,又能较人工生产改进产品质量,特别是能大大提高劳动生产率和改善劳动条件.同时,只有使用机器,才能集中进行大量生产,并对生产进行严格的分工与科学的管理；也只有使用机器,才便于实现产品的标准化、系列化和通用化,尤其便于实现高度的机械化.因此,机械工业能够起到为国民经济各部门提供技术装备和促进技术改造的重要作用,通过大量设计制造和广泛使用各种各样先进的机器,就能促进国民经济的发展,推动我国的社会主义现代化建设.
1.1齿轮转动的特点：优点是转动比恒定,使用的功率和速度范围广,结构紧凑、效率高,工作可靠且寿命长：缺点是需要用专门的加工设备和刀具,成本相对过高,对制造安装精度要求较高,不宜用于轴间距离较大的转动.
1.2齿轮转动的类型
类型有平行轴齿轮转动（圆柱齿轮转动）、相交轴齿轮转动（锥齿轮转动）、交错轴齿轮转动（圆柱螺旋齿轮转动）.其中圆柱齿轮转动又分为斜齿轮圆柱齿轮转动和人字齿轮转动两种.
1.3齿轮的精度
1.3.1渐开线的形成：当直线沿一半径的圆做纯滚动时,直线上任一点的轨迹就是该圆的渐开线.这个圆叫做渐开线的基圆.
1.3.2渐开线的性质：a、发生线在基圆上滚过的一段长度就等于基圆上相应的弧长b、渐开线上任意一点法线恒切于基圆,切点是渐开线上的曲率中心,越接近基圆,曲率半径越小反之越大.渐开线上任一点的法线与该点速度方向之间所夹的锐角称为该点的压力角c、渐开线的形状与基圆半径有关,圆半径越大,渐开线越平展,综合曲率半径越大,直线也是渐开线d、基圆内无渐开线.
1.3.3齿廓齿合定律
互相齿合转动的一对齿轮,任一瞬时的转动比与连心线被其齿合齿廓在接触点处的公法线所分成的两段的长度成反比.齿轮转动的瞬时角速比（转动比）齿廓形状影响转动功能,若转动比变化――从动轮转速不均匀――惯性力、振动力、噪音-转动精度；转动比恒定的条件：不论两齿廓在何位置接触,过其接触点所作两齿廓的公法线均须与连心线交于一定点.
1.3.4齿廓曲线的确定
凡能满足齿廓齿合基本定律（或某种便转动比定律）的一对齿廓,称为共轭齿廓.实际选用,须考虑设计、制造、安装、使用等因素.常用：渐开线、摆线、圆弧线、抛物线等.
1.3.5渐开线齿廓的齿合特性
渐开线齿轮符合齿廓齿合基本定律,即能保证定传动比转动；渐开线在转动过程中,齿合线和齿合角始终不变；渐开线齿轮传力性能好.
1.3.6渐开线齿轮的切齿原理
近代齿轮加工方法很多,如切削法、铸造法、热压法、冲压法、电加工法等,但从加工的原理角度看,可将齿轮加工方法归为两大类：仿形法和范成法.
2齿轮转动的失效形式及设计准则
2.1齿轮传动就装置型来说,有开式、半开式及闭式之分；就使用情况来说,有低速、高速及轻载、重载之别；齿轮有较脆、较韧、齿面有较硬、较软,所以齿轮材料的性能及热处理工艺不同.由于上述条件的不同,齿轮传动自然就出现了各种不同的失效形式,齿轮传动出现问题轮齿也就失效了,一般就会出现轮齿折断和工作齿面磨损、点蚀、胶合及塑性变形等.
2.2轮齿折断
轮齿受载后的齿根处产生的变曲应力为最大,再加上齿根处过渡部分的尺寸发生了急剧的变化,以及沿齿宽方向留下的加工刀痕等引起的应力集中作用,当轮齿重复受载后,齿根处就会产生疲劳裂纹,并逐步扩展,致使齿轮折断.
在斜圆柱齿轮传动中,轮齿工作面上的接触线为一斜线,轮齿受载后,如有荷载集中时,就会发生局部折断.若制造及安装不良或轴的弯曲变形过大,轮齿局部受载过大时,即使是直齿圆柱齿轮,也会发生局部折断.
增大齿根过渡圆角的半径,消除该处的加刀痕,可以降低应力集中作用；增大轴及支撑的刚度,可以减小齿面上局部受载的程度；使齿芯材料具有足够的韧性；以及在齿根处施加适当的强化措施等,都可提高轮齿的折断能力.
2.3设计准则
综上分析介绍可知,所设计出的齿轮传动在具体的工作状况下,必须具备各项充足的工作能力,来确保一整个工作期间的寿命不会导致失效.因此,针对各种工作中发生的情况及导致失效的形式,应该分别确立相应的设计准则.但是如齿面磨损、塑性变形等由于尚未建立起广为工程实际使用,而且行之有效的计算方法及设计数据,所以目前设计出一般使用的齿轮传动时,通常只按保证齿根弯曲疲劳强度及保证齿面接触疲劳强度两准则进行计算.相对于高速大功率的齿轮传动,还要按保证齿面抗效合能力的准则进行计算.至于维护其他失效的能力,就目前虽然一般不进行计算,但应该采取相应的防范措施,以增强轮齿抵抗这些失效的能力.
由实践得知,在闭式齿轮传动中,通常以保证齿面接触疲劳强度为主.但对于齿面的硬度很高,齿芯强度又低的齿轮或材质较脆的齿轮,则以保证齿根弯曲疲劳强度为主.目前仅以保证齿根弯曲疲劳强度作为设计准则.
3齿轮的结构设计
齿轮的结构设计与齿轮的几何尺寸,毛坯、材料、加工方法、使用要求及经济性等因素有关,进行齿轮的结构设计时,必须综合以上各方面的因素,通常是先按齿轮的直径大小,选定合适的结构形式,然后再根据荐用的经验数据进行结构设计.
对于直径很小的钢制齿轮,当为圆柱齿轮时,若齿根圆到键槽底部的距离e<2mt；当为圆锥齿轮时,按齿轮小端尺寸计算而得的e<1.6m时,均应将齿轮和轴做成一体,叫做齿轮轴.若e值超过上述尺寸时,齿轮与轴以分开制造为合理.
当齿顶圆直径da≤160mm时,可做成实心结构的齿轮,但航空产品中的齿轮,虽da≤160mm,也有做成腹板式的.当齿顶圆直径d<500mm,可做成腹板式的结构,腹板上开孔的数目按结构尺寸大小及需要确定.
齿顶圆直径da>300mm的铸造圆锥齿轮,可做成带加强肋的腹板式结构,加强肋的厚度C1≈0.8C,其他结构对与腹板式相同.
当齿顶圆直径400 齿轮结构设计时,还要进行齿轮和轴的联接设计.通常采用单键连接.但当齿轮转速较高时,要考虑轮芯的平衡及中性.这时齿轮和轴的联接应采用花键或双键连接.对于沿轴滑称的齿轮,为了操作灵活,也就应采用花键或双导键连接. 总之,以上论述了机械设计关于齿轮的转动方面,可以看出,机械中的任何一个重要的部件都要进行严格的设计,机械工业起到重要的作用是为国民经济提供技术装备和改进技术的重要作用,我们必须大量设计制造,大量培养高端人才,对他们进行系统培训系统学习定期考核,才能使用各种先进的机械,才能是我国的机械制造业更加完善,更加处于世界先进行列里,才能成为机械制造的大强国,才能推动我国的建设步伐,赶超世界先进潮流. 作者简介：王金利（1974.6-）,男,内蒙古赤峰市,工程师,本科.