工程制图-齿轮

认识齿轮

轮泵工作原理很简单，就是一个主动轮一个从动轮，两个齿轮参数相同，在一个泵体内做旋转运动。在这个壳体内部形成类似一个“8”字形的工作区，齿轮的外径和两侧都与壳体紧密配合，传送介质从进油口进入，随着齿轮的旋转沿壳体运动，最后从出油口排出，最后将介质的压力转化成机械能进行做功。以下是四张齿轮泵工作原理图：

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在术语上讲，齿轮泵也叫正排量装置，即像一个缸筒内的活塞，当一个齿进入另一个齿的流体空间时，液体就被机械性地挤排出来。因为液体是不可压缩的，所以液体和齿就不能在同一时间占据同一空间，这样，液体就被排除了。由于齿的不断啮合，这一现象就连续在发生，因而也就在泵的出口提供了一个连续排除量，泵每转一转，排出的量是一样的。随着驱动轴的不间断地旋转，泵也就不间断地排出流体。泵的流量直接与泵的转速有关。实际上，在泵内有很少量的流体损失，这使泵的运行效率不能达到100％，因为这些流体被用来润滑轴承及齿轮两侧，而泵体也绝不可能无间隙配合，故不能使流体100％地从出口排出，所以少量的流体损失是必然的。然而泵还是可以良好地运行，对大多数挤出物料来说，仍可以达到93％～98％的效率。

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由此可以看出齿轮于我们生活生产是十分重要的。下面我们开始重点介绍齿轮：

齿轮的历史

齿轮在传动中的应用很早就出现了，公元前三百多年，古希腊哲学家亚里士多德在《机械问题》中，就阐述了用青铜或铸铁齿轮传递旋转运动的问题。中国古代发明的指南车中已应用了整套的轮系。不过，古代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，不能保证传动的平稳性，齿轮的承载能力也很小。据史料记载，远在公元前400~200年的中国古代就已开始使用齿轮，在我国山西出土的青铜齿轮是迄今已发现的最古老齿轮，作为反映古代科学技术成就的指南车就是以齿轮机构为核心的机械装置。17世纪末，人们才开始研究，能正确传递运动的轮齿形状。18世纪，欧洲工业革命以后，齿轮传动的应用日益广泛；先是发展摆线齿轮，而后是渐开线齿轮，一直到20世纪初，渐开线齿轮已在应用中占了优势。

早在1694年，法国学者PhilippeDeLaHire首先提出渐开线可作为齿形曲线。1733年，法国人提出轮齿接触点的公法线必须通过中心连线上的节点。一条辅助瞬心线分别沿大轮和小轮的瞬心线(节圆)纯滚动时，与辅助瞬心线固联的辅助齿形在大轮和小轮上所包络形成的两齿廓曲线是彼此共轭的，这就是Camus定理。它考虑了两齿面的啮合状态；明确建立了现代关于接触点轨迹的概念。1765年，瑞士的L．Euler提出渐开线齿形解析研究的数学基础，阐明了相啮合的一对齿轮，其齿形曲线的曲率半径和曲率中心位置的关系。后来，Savary进一步完成这一方法，成为现在的Eu-let-Savary方程。对渐开线齿形应用作出贡献的是RoteftWUlls，他提出中心距变化时，渐开线齿轮具有角速比不变的优点。1873年，德国工程师Hoppe提出，对不同齿数的齿轮在压力角改变时的渐开线齿形，从而奠定了现代变位齿轮的思想基础。

19世纪末，展成切齿法的原理及利用此原理切齿的专用机床与刀具的相继出现，使齿轮加工具军较完备的手段后，渐开线齿形更显示出巨大的优越性。切齿时只要将切齿工具从正常的啮合位置稍加移动，就能用标准刀具在机床上切出相应的变位齿轮。1908年，瑞士MAAG研究了变位方法并制造出展成加工插齿机，后来，英国BSS、美国AGMA、德国DIN相继对齿轮变位提出了多种计算方法。

为了提高动力传动齿轮的使用寿命并减小其尺寸，除从材料，热处理及结构等方面改进外，圆弧齿形的齿轮获得了发展。1907年，英国人FrankHumphris最早发表了圆弧齿形。1926年，瑞土人EruestWildhaber取得法面圆弧齿形斜齿轮的专利权。1955年，苏联的M．L．Novikov完成了圆弧齿形齿轮的实用研究并获得列宁勋章。1970年，英国Rolh—Royce公司工程师R．取得了双圆弧齿轮的美国专利。这种齿轮现已日益为人们所重视，在生产中发挥了显著效益。

齿轮是能互相啮合的有齿的机械零件，它在机械传动及整个机械领域中的应用极其广泛。现代齿轮技术已达到：齿轮模数～100毫米；齿轮直径由1毫米～150米；传递功率可达上十万千瓦；转速可达几十万转/分；最高的圆周速度达300米/秒。

随着生产的发展，齿轮运转的平稳性受到重视。1674年丹麦天文学家罗默首次提出用外摆线作齿廓曲线，以得到运转平稳的齿轮。

18世纪工业革命时期，齿轮技术得到高速发展，人们对齿轮进行了大量的研究。1733年法国数学家卡米发表了齿廓啮合基本定律；1765年瑞士数学家欧拉建议采用渐开线作齿廓曲线。

19世纪出现的滚齿机和插齿机，解决了大量生产高精度齿轮的问题。1900年，普福特为滚齿机装上差动装置，能在滚齿机上加工出斜齿轮，从此滚齿机滚切齿轮得到普及，展成法加工齿轮占了压倒优势，渐开线齿轮成为应用最广的齿轮。

1899年，拉舍最先实施了变位齿轮的方案。变位齿轮不仅能避免轮齿根切，还可以凑配中心距和提高齿轮的承载能力。1923年美国怀尔德哈伯最先提出圆弧齿廓的齿轮，1955年苏诺维科夫对圆弧齿轮进行了深入的研究，圆弧齿轮遂得以应用于生产。这种齿轮的承载能力和效率都较高，但尚不及渐开线齿轮那样易于制造，还有待进一步改进。

一般有轮齿、齿槽、端面、法面、齿顶圆、齿根圆、基圆、分度圆。

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简称齿，是齿轮上每一个用于啮合的凸起部分，这些凸起部分一般呈辐射状排列，配对齿轮上的轮齿互相接触，可使齿轮持续啮合运转；

是齿轮上两相邻轮齿之间的空间；端面是圆柱齿轮或圆柱蜗杆上，垂直于齿轮或蜗杆轴线的平面

指的是垂直于轮齿齿线的平面

是指齿顶端所在的圆

是指槽底所在的圆

形成渐开线的发生线作纯滚动的圆

是在端面内计算齿轮几何尺寸的基准圆。

按规格或尺寸大小分类，齿轮型号分为标准和非标准两种；

按国内外计量单位不同，齿轮型号分为公制和英制两种。

齿轮工作的基本原理：

一对齿轮啮合传动，齿廓在任意一点接触，传动比等于两轮连心线被接触点的公法线所分两线段的反比，这一规律称为齿廓啮合基本定律。若所有齿廓接触点的公法线交连心

线于固定点，则为定传动比齿廓啮合基本定律。

齿廓接触点的公法线与连心线的交点称为节点，一对齿廓啮合过程中节点在齿轮上的轨迹称为节线，节线是圆形的称为节圆。具有节圆的齿轮为圆形齿轮，否则为非圆形齿轮。

分类

齿轮可按齿形、齿轮外形、齿线形状、轮齿所在的表面和制造方法等分类。

齿轮的齿形包括齿廓曲线、压力角、齿高和变位。渐开线齿轮比较容易制造，因此现代使用的齿轮中，渐开线齿轮占绝对多数，而摆线齿轮和圆弧齿轮应用较少。

在压力角方面，小压力角齿轮的承载能力较小；而大压力角齿轮，虽然承载能力较高，但在传递转矩相同的情况下轴承的负荷增大，因此仅用于特殊情况。而齿轮的齿高已标准化，一般均采用标准齿高。变位齿轮的优点较多，已遍及各类机械设备中。

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另外，齿轮还可按其外形分为圆柱齿轮、锥齿轮、非圆齿轮、齿条、蜗杆蜗轮；按齿线形状分为直齿轮、斜齿轮、人字齿轮、曲线齿轮；按轮齿所在的表面分为外齿轮、内齿轮；按制造方法可分为铸造齿轮、切制齿轮、轧制齿轮、烧结齿轮等。

齿轮的制造材料和热处理过程对齿轮的承载能力和尺寸重量有很大的影响。20世纪50年代前，齿轮多用碳钢，60年代改用合金钢，而70年代多用表面硬化钢。按硬度，齿面可区分为软齿面和硬齿面两种。

软齿面的齿轮承载能力较低，但制造比较容易，跑合性好，多用于传动尺寸和重量无严格限制，以及小量生产的一般机械中。因为配对的齿轮中，小轮负担较重，因此为使大小齿轮工作寿命大致相等，小轮齿面硬度一般要比大轮的高。

硬齿面齿轮的承载能力高，它是在齿轮精切之后，再进行淬火、表面淬火或渗碳淬火处理，以提高硬度。但在热处理中，齿轮不可避免地会产生变形，因此在热处理之后须进行磨削、研磨或精切，以消除因变形产生的误差，提高齿轮的精度。

制造齿轮常用的钢有调质钢、淬火钢、渗碳淬火钢和渗氮钢。铸钢的强度比锻钢稍低，常用于尺寸较大的齿轮；灰铸铁的机械性能较差，可用于轻载的开式齿轮传动中；球墨铸铁可部分地代替钢制造齿轮；塑料齿轮多用于轻载和要求噪声低的地方，与其配对的齿轮一般用导热性好的钢齿轮。

未来齿轮正向重载、高速、高精度和高效率等方向发展，并力求尺寸小、重量轻、寿命长和经济可靠。

而齿轮理论和制造工艺的发展将是进一步研究轮齿损伤的机理，这是建立可靠的强度计算方法的依据，是提高齿轮承载能力，延长齿轮寿命的理论基础；发展以圆弧齿廓为代表的新齿形；研究新型的齿轮材料和制造齿轮的新工艺；研究齿轮的弹性变形、制造和安装误差以及温度场的分布，进行轮齿修形，以改善齿轮运转的平稳性，并在满载时增大轮齿的接触面积，从而提高齿轮的承载能力。

摩擦、润滑理论和润滑技术是齿轮研究中的基础性工作，研究弹性流体动压润滑理论，推广采用合成润滑油和在油中适当地加入极压添加剂，不仅可提高齿面的承载能力，而且也能提高传动效率。

渐开线齿轮加工方法有2大类，一个是仿形法，用成型铣刀铣出齿轮的齿槽，是“模仿形状”的。

另一个是范成法（展成法）。

(1)滚齿机滚齿：可以加工8模数以下的斜齿

(2)铣床铣齿：可以加工直齿条

(3)插床插齿：可以加工内齿

(4)冷打机打齿：可以无屑加工

(5)刨齿机刨齿：可以加工16模数大齿轮

(6)精密铸齿：可以大批量加工廉价小齿轮

(7)磨齿机磨齿：可以加工精密母机上的齿轮

(8)压铸机铸齿：多数加工有色金属齿轮

(9)剃齿机：是一种齿轮精加工用的金属切削机床

齿轮的失效：

1、齿面磨损

对于开式齿轮传动或含有不清洁的润滑油的闭式齿轮传动，由于啮合齿面间的相对滑动，使一些较硬的磨粒进入了摩擦表面，从而使齿廓改变，侧隙加大，以至于齿轮过度减薄导致齿断。一般情况下，只有在润滑油中夹杂磨粒时，才会在运行中引起齿面磨粒磨损。

2、齿面胶合

对于高速重载的齿轮齿轮传动中，因齿面间的摩擦力较大，相对速度大，致使啮合区温度过高，一旦润滑条件不良，齿面间的油膜便会消失，使得两轮齿的金属表面直接接触，从而发生相互粘结。当两齿面继续相对运动时，较硬的齿面将较软的齿面上的部分材料沿滑动方向撕下而形成沟纹。

3、疲劳点蚀

相互啮合的两轮齿接触时，齿面间的作用力和反作用力使两工作表面上产生接触应力，由于啮合点的位置是变化的，且齿轮做的是周期性的运动，所以接触应力是按脉动循环变化的。齿面长时间在这种交变接触应力作用下，在齿面的刀痕处会出现小的裂纹，随着时间的推移，这种裂纹逐渐在表层横向扩展，裂纹形成环状后，使轮齿的表面产生微小面积的剥落而形成一些疲劳浅坑。

4、轮齿折断

在运行工程中承受载荷的齿轮，如同悬臂梁，其根部受到脉冲的周期性应力超过齿轮材料的疲劳极限时，会在根部产生裂纹，并逐步扩展，当剩余部分无法承受传动载荷时就会发生断齿现象。齿轮由于工作中严重的冲击、偏载以及材质不均匀也可能引起断齿。

5、齿面塑性变形

在冲击载荷或重载下，齿面易产生局部的塑性变形，从而使渐开线齿廓的曲面发生变形。

一对减速机齿轮的运动是通过一对一对的齿面啮合运动来完成的，一对叻合齿面的相对运动又包含滚动和滑动，对于传递动力的齿轮，要研究齿轮的受力和变形.需要应用力学知识，齿轮两齿面之间有润滑油，又涉及流体力学的知识.如果研究润带剂与齿轮表面相互作用生成的表面膜，需要物理、化学方面的知识。因此，在有润滑剂的条件下，要真实全面地反映齿轮传动的运动学和动力学问题都必须考虑润滑剂的存在。计人润滑剂的齿轮设计，是更加全面和完善的齿轮设计。

齿轮铸件也被称为铸钢齿轮。这是因为大多数的齿轮都是由铸钢制造的。在此，我分享一些有关生产齿轮铸件和相关的热处理信息。

齿轮铸件的重量通常从几公斤到数吨不等。

齿轮铸件的材料通常使用高碳铸钢，也有些使用含铬、镍、钼的合金钢，以达到很高的抗拉强度。通常大齿轮比小齿轮的物理需求低。

关于铸造工艺，通常地板成型工艺就适用并能满足正常需求。至于铸钢齿轮，如从动齿轮，齿轮和惰轮，使用石英砂的地板成型工艺是不错的选择。为什么呢，因为齿轮的大多数的部位都需要加工。所以，你不需要使用更高的铸造工艺。此外，关于中、大型钢铸件，使用石英砂的地板成型工艺几乎是唯一的选择。

关于热处理，当然，所有钢铸件都必须标准化以消除内部压力。齿轮铸件的某些部位可以焊接。如果铸造厂焊接铸件，必须对焊接位置退火。如果滚齿后硬度极高，你可以再次退火以降低硬度并消除内部硬点。在加工和滚齿后，齿轮淬火或称之为硬化处理，以提高齿轮齿的表面硬度。对于小齿轮，你可以做渗碳处理。对于大型从动齿轮，你可以做表面淬火处理。没有经过硬化处理的齿轮寿命很短，仅几个星期到几个月。

由于齿轮铸件对材料、缺陷、加工及热处理的要求更高。而且，齿轮铸件的订单量相对较少。因此，许多钢铁铸造厂不愿意制造。

一些齿轮由锻造工艺制造。锻造齿轮内部组织密度更好、强度更高。锻造齿轮可以用于更严格的工作条件。铸造齿轮强低度，但广泛应用于一般工作条件。锻造齿轮的成本高，而铸造齿轮的成本相对较低。买方应根据成本和使用条件选择合适的制造工艺。

齿轮的发展

目前中低档的齿轮模具在国内都能生产，高档的齿轮模具多依靠进口。国内专门做齿轮模具的工厂不多，大都由齿轮厂自己做齿轮模具，齿轮厂往往设一个工段或一个车间来承担这项工作。这就致使国内的齿轮模具产业发展难上加难。相关专家表示，要想促使我国齿轮模具产业更好更快的发展，就必须从根本上解决依赖问题，努力提高专业技术，以便更好的服务于国内齿轮模具产业。

随着齿轮行业竞争的不断加剧，大型齿轮企业间并购整合与资本运作日趋频繁，国内优秀的齿轮生产企业愈来愈重视对行业市场的研究，特别是对企业发展环境和客户需求趋势变化的深入研究。正因为如此，一大批国内优秀的齿轮品牌迅速崛起，逐渐成为齿轮行业中的翘楚！

2011年，齿轮行业总体销售额达到1780亿元人民币，同比增长23%;进口额虽还远远高于出口额，但出口增速则明显强于进口。

2012年齿轮行业发展可能呈现“前低后高、中速增长”的态势。去年四季度出现的行业增长放缓的趋势将延续到今年上半年。下半年，随着国家扩大内需政策的逐步到位，战略性新兴产业的发展以及国家“三基规划”的开始实施，必将提升现代装备制造业，从而带动整个齿轮行业新一轮的上升。预计齿轮行业销售收入将增长10%以上，出口增幅或将达15%。

各种各样的齿轮

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图表1斜齿轮图表2机械齿轮

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图表3直齿轮

图表4锥齿轮1

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齿轮是能互相啮合的有齿机械零件，它在机械传动及整个机械领域中的应用极其广泛。现代齿轮技术已达到齿轮模数0.004～100毫米；齿轮直径由1毫米～150米；传递功率可达十几万千瓦；转速可达几十万转/分；最高的圆周速度达300米/秒。

目前，我国齿轮行业内大约只有300家齿轮生产厂具有仪器基本配套的计量室，总计约有三坐标测量仪200多台，这些仪器大多是从国外进口的。各类机械、光电、数控齿轮测量仪器1000余台，其中齿轮测量中心30余台，还有圆度仪、测长仪、光学分度头、粗糙度仪、投影仪、万工显等各类测量仪器500余台。

在测量仪器中，总成测试仪器、蜗轮付检查仪约10余台，变速箱总成试验台和驱动桥试验台全国不超过50台，许多厂没有噪声仪、扭振仪等必备的仪器。在齿轮制造过程中必须对产品零件、部件和总成的质量要求进行严格的检测和控制，因而先进适用的测量技术和仪器是必备的条件。

在各类机械厂内不管齿轮传动件是自制或外购，均应装备齿轮、螺纹、花键测量仪器，否则无法控制传动件的制造质量。目前，齿轮、螺纹、花键测量仪器国内成都工具研究所、哈量精密量仪厂等基本可满足要求，即使是齿轮测量中心、齿轮刀具测量中心、齿轮副和蜗轮副检查仪、激光动态丝杠测量仪等国内也可供货。对于技术要求很高而财力充裕的用户，也可以考虑引进国外齿轮测量中心。

齿轮、蜗杆、螺杆等传动件必须有精度很高、结构复杂的铸铁、铝合金或焊接箱体支承，这些箱体有大量精密孔系和平面需要测量尺寸精度和相互位置精度。因此每个齿轮厂都应该配备不同规格、精度的三坐标测量仪。

为进一步提高我国齿轮行业的产品质量，提高行业竞争力，应尽快配备相应的各类精密测试仪器。在今后的几年中，我国大中型齿轮企业应配备三坐标测量机、齿轮测量中心和其他精密测量仪及配套完整的中心计量室，小型企业也要配备必要的精密测量仪器，从而保证我国齿轮产品的质量。

通用零部件行业：饱受磨砺低速前行

“尽管行业倍感艰难，企业饱受磨练，但在‘破蛹化蝶’式新的历史发展过程中，我国机械通用零部件行业依旧实现了低速前行。”中国机械通用零部件工业协会常务副理事长王长明日前告诉中国工业报记者。他对本报记者强调，虽然行业饱受主机发展缓慢、出口遭国际贸易保护的影响，外需不足，内需不旺，但行业逆势奋进，从高速增长阶段转入了高质量的稳定增长时期。因此，“2012年，通用零部件行业企业取得的成绩还是令人欣慰的。”

张国宝：高端装备技术必须自主研发

“我国的机械工业伴随着社会的风云变化，与祖国的命运息息相连，承载着光荣和梦想，走过了不平凡的历程。为建立中国的现代工业、现代科技、现代国防、现代教育体系，为中华民族的抗争、崛起和伟大复兴做出了自己的贡献。”原国家发改委副主任、国家能源局局长张国宝在第九届中国工业论坛的演讲中，开宗明义地赞美道。

据统计，2009年我国机械产品销售额达到1.5万亿美元，跃居世界第一，成为全球机械制造第一大国，国内市场占有率达到85%。“我国装备制造业的进步是中国工业发展的缩影，是中国从半封建半殖民地旧中国，在中国共产党领导下走向民族复兴、祖国强盛的写照。”张国宝说。

精密测试仪器在整个机械领域都有着非常广泛的应用，齿轮行业对精密测量仪器的需求表现得尤为明显，因为齿轮、蜗杆、螺杆等传动件必须有精度很高、结构复杂的铸铁、铝合金或焊接箱体支承，这些箱体有大量精密孔系和平面需要测量尺寸精度和相互位置精度。在今后的几年中，我国大中型齿轮企业应配备三坐标测量机、齿轮测量中心和其他精密测量仪及配套完整的中心计量室，小型企业也要配备必要的精密测量仪器，从而保证我国齿轮产品的质量，因此未来几年精密测试仪器将在齿轮行业迎来新的增长点。

齿轮的CAD图

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