1、摘要：齒輪傳動是機械傳動中最重要的傳動之一，其形式很多，運用廣泛大至宇宙飛船, 小至手表、精密儀器,從國防機械到民用機械， 從重工業機械到輕工業、農業機械, 無不廣泛地采用齒輪傳動。本文旨在介紹齒輪的起源與發展歷程以及發展趨勢。關鍵字：齒輪 發展 傳動 前景概述：齒輪傳動是機械傳動中最重要的傳動之一，其形式很多，運用廣泛大至宇宙飛船, 小至手表、精密儀器,從國防機械到民用機械， 從重工業機械到輕工業、農業機械, 無不廣泛地采用齒輪傳動。齒輪的車主要有以下幾大特點：1、傳動效率高，在常用的機械傳動中，以齒輪的傳動效率最高，如一級圓柱齒輪的傳動效率可以達到99%。這對大功率傳動十分重要。2、結構緊

2、湊，在同樣的使用條件下，齒輪所需要的空間尺寸一般比較小。3、工作可靠壽命長，設計制造正確合理、使用維護良好的齒輪傳動，工作十分可靠壽命可以達到一二十年，這也是其他機械傳動所不能比的。4、傳動比穩定，傳動比穩定往往是對傳動性能的基本要求。但是齒輪傳動的制造以及安裝精度要求很高，價格較貴，而且不適于傳動距離較大的場合。齒輪機構的類型很多，根據一對齒輪在嚙合過程中及其瞬時傳動比（i12=1/2）是否恒定，將齒輪機構分為圓形（i12=常數）齒輪機構和非圓形齒輪機構（i12常數）。應用最廣泛的是圓形齒輪機構，而非圓形齒輪機構則應用與一些有特殊要求的機械傳動中。根據齒輪兩軸間的相對位置不同，圓形齒輪結構可

3、以分成如下幾類：1、用于平行軸間傳動的齒輪機構。下圖中（a）為外齒嚙合齒輪機構（external meshing gears mechanism），兩齒輪轉向相反；圖（b）為內嚙合齒輪機構（internal meshing gears mechanism）,兩轉輪轉向相同。圖（c）為齒輪與齒條結構（pinion and rack mechanism），齒條作直線移動。圖a、b、c中各齒輪的齒向與齒輪軸線方向一致，成為直齒輪。圖（d）中輪齒的齒向相對于齒輪的軸線傾斜了一定角度，稱為斜齒輪；圖（e）為人字齒輪（double-helical gear），它可以視為由螺旋角相反的兩個斜齒輪組成的。2、

4、用于相交軸間傳動的齒輪機構。如下圖所示，它有直齒和曲齒之分，直齒應用范圍最廣，而曲線齒錐齒輪（spiral bevel gear）由于其傳動平穩，承載能力高，常用于高速重載的傳動中，如汽車、拖拉機、飛機等的傳動中。3、用于交錯軸間傳動的齒輪機構。如下圖所示，圖（a）為交錯軸斜齒輪機構（crossed helical gear mechanism），圖（b）為蝸桿機構（worm and worm wheel mechanism）圖（c）為準雙曲面齒輪機構（hypoid gear mechanism ）。齒輪的起源：據史料記載，遠在公元前400-200年的中國古代就已開始使用齒輪，在我國山西出土的

5、青銅齒輪是迄今已發現的最古老齒輪，作為反映古代科學技術成就指南車就是以齒輪機構為核心的機械裝置。17世紀末，人們才開始研究，能正確傳遞運動的輪齒形狀。18世紀，歐洲工業革命以后，齒輪傳動的應用日益廣泛；先是發展擺線齒輪，而后是漸開線齒輪，一直到20世紀初，漸開線齒輪已在應用中占了優勢。早在1694年，法國學者Philippe De La Hire首先提出漸開線可作為齒形曲線。1733年，法國人M.Camus提出輪齒接觸點的公法線必須通過中心連線上的節點。一條輔助瞬心線分別沿大輪和小輪的瞬心線(節圓)純滾動時，與輔助瞬心線固聯的輔助齒形在大輪和小輪上所包絡形成的兩齒廓曲線是彼此共軛的，這就是Ca

6、mus定理。它考慮了兩齒面的嚙合狀態；明確建立了現代關于接觸點軌跡的概念。1765年，瑞士的LEuler提出漸開線齒形解析研究的數學基礎，闡明了相嚙合的一對齒輪，其齒形曲線的曲率半徑和曲率中心位置的關系。后來，Savary進一步完成這一方法，成為現在的Eu-let-Savary方程。對漸開線齒形應用作出貢獻的是Roteft WUlls，他提出中心距變化時，漸開線齒輪具有角速比不變的優點。1873年，德國工程師Hoppe提出，對不同齒數的齒輪在壓力角改變時的漸開線齒形，從而奠定了現代變位齒輪的思想基礎。19世紀末，展成切齒法的原理及利用此原理切齒的專用機床與刀具的相繼出現，使齒輪加工具有較完備的

7、手段后，漸開線齒形更顯示出巨大的優勢。切齒時只要將切齒工具從正常的嚙合位置稍加移動，就能用標準刀具在機床上切出相應的變位齒輪。1908年，瑞士MAAG研究了變位方法并制造出展成加工插齒機，后來，英國BSS、美國AGMA、德國DIN相繼對齒輪變位提出了多種計算方法。為了提高動力傳動齒輪的使用壽命并減小其尺寸，除從材料，熱處理及結構等方面改進外，圓弧齒形的齒輪獲得了發展。1907年，英國人Frank Humphris最早發表了圓弧齒形。1926年，瑞土人Eruest Wildhaber取得法面圓弧齒形斜齒輪的專利權。1955年，蘇聯的MLNovikov完成了圓弧齒形齒輪的實用研究并獲得列寧勛章。1

8、970年，英國RolhRoyce公司工程師RM.Studer取得了雙圓弧齒輪的美國專利。這種齒輪現已日益為人們所重視，在生產中發揮了顯著效益。齒輪是能互相嚙合的有齒的機械零件，它在機械傳動及整個機械領域中的應用極其廣泛。現代齒輪技術已達到：齒輪模數O.004100毫米；齒輪直徑由1毫米150米；傳遞功率可達上十萬千瓦；轉速可達幾十萬轉/分；最高的圓周速度達300米/秒。齒輪在傳動中的應用很早就出現了。公元前三百多年，古希臘哲學家亞里士多德在機械問題中，就闡述了用青銅或鑄鐵齒輪傳遞旋轉運動的問題。中國古代發明的指南車中已應用了整套的輪系。不過，古代的齒輪是用木料制造或用金屬鑄成的，只能傳遞軸間的

9、回轉運動，不能保證傳動的平穩性，齒輪的承載能力也很小。隨著生產的發展，齒輪運轉的平穩性受到重視。1674年丹麥天文學家羅默首次提出用外擺線作齒廓曲線，以得到運轉平穩的齒輪。18世紀工業革命時期，齒輪技術得到高速發展，人們對齒輪進行了大量的研究。1733年法國數學家卡米發表了齒廓嚙合基本定律；1765年瑞士數學家歐拉建議采用漸開線作齒廓曲線。19世紀出現的滾齒機和插齒機，解決了大量生產高精度齒輪的問題。1900年，普福特為滾齒機裝上差動裝置，能在滾齒機上加工出斜齒輪，從此用滾齒機來滾切齒輪得到普及，展成法加工齒輪占了壓倒優勢，漸開線齒輪成為應用最廣的齒輪。1899年，拉舍最先實施了變位齒輪的方案

10、。變位齒輪不僅能避免輪齒根切，還可以湊配出中心距和提高齒輪的承載能力。1923年美國懷爾德哈伯最先提出圓弧齒廓的齒輪，1955年蘇諾維科夫對圓弧齒輪進行了深入的研究，圓弧齒輪遂得以應用于生產。這種齒輪的承載能力和效率都較高，但尚不及漸開線齒輪那樣易于制造，還有待進一步改進。齒輪的發展趨勢：動力傳動齒輪裝置正沿著小型化、高速化、標準化方向發展特殊齒輪的應用、行星齒輪裝置的發展、低振動、低噪聲齒輪裝置的研制是齒輪設計方面的一些特點。為達到齒輪裝置小型化目的，可以提高現有漸開線齒輪的承載推力。各國普遍采用硬齒面技術，提高硬度以縮小裝置的尺寸，也可應用以圓弧齒輪為代表的特殊齒形。圓弧齒輪的端面齒廓或法

11、面齒廓為圓弧，其綜合曲率半徑大，齒廓為凹凸齒嚙合，故在齒輪尺寸和材料相同的情況下，圓弧齒輪的承載能力為漸開線圓柱齒輪的1.5-2倍。英法合作研制的艦載直升飛機主傳動系統采用圓弧齒輪后，使減速器高度大為降低。隨著船舶動力由中速柴油機代替的趨勢，在大型船上采用大功率行星齒輪裝置確有成效。現在冶金、礦山、水泥一軋機等大型傳動裝置中，行星齒輪以其體積小、同軸性好、效率高的優點而應用愈來愈多。 由于機械設備向大型化發展，齒輪的工作參數提高了。如高速齒輪的傳遞功率為1000-30000kw。齒輪圓周速度為20200ms（1200-12000rmin），設計工作壽命為5X104-10X104小時；軋鋼機齒輪

12、的圓周速度已由每秒幾米提高到20m/s，甚至3050m/s。傳遞扭炬達l00200t.m, 要求使用壽命在2030年以上。這些齒輪的精度等級一般在38級。并對平穩性與噪聲有較高的要求。對于高速齒輪（包括透平機械齒輪）。在圓周速度超過100ms時 由于運轉中的熱效應 要求在設計始對產生的熱變形進行修正，使齒輪在工作時達到一個正常的嚙合狀態。特別對于高速重載齒輪。更要加以考慮。其次，對于低速重載齒輪 如軋鋼機齒輪，由于采用硬齒面齒輪后，其齒面負荷系數增加而引起的整個齒輪裝置系統的彈性變形變得突出了，所以有時也要對反映到齒面的彈性變形進行修正。這種對齒輪輪齒修形的技術是目前大功率、高速、重載齒輪制造

13、的一個重要趨勢。在齒輪制造技術方面重點是進行硬齒面加工，尤其是大型硬齒面齒輪的切切與熱處理工藝的發展，如超硬切齒、滾內齒、成形磨齒、大模數齒輪珩齒、彈性砂輪拋光、輪齒修形、以及深層沙碳等新工藝正在生產上不斷地試驗與應用。 齒輪制造工藝的發展很大程度上表現在精度等級與生產效率的提高自七十年代以來各種齒輪的制造精度，普遍提高一級左右有的甚至23級一般低速齒輪精度由過去的89級提高到78級。機床齒輪由68級提高到46級。軋機齒輪由78級提高到56級。對于模數不大的中小規格齒輪，由于高性能滾齒機的開發，加上刀具材料的改善，滾齒效率有了顯著提高。采用多頭滾刀，在大進給且條件下，可達到的切削速度為90m/

14、s。如用超硬滾刀加工模數3左右的調質鋼齒輪，切削過度可達200ms提高插齒效率，要受到插齒機刀具往復運動機構的限制。最近在開發采用刀具卸載，使用靜壓軸承，增強刀架與立柱剛性等新結構后，效率有明顯提高。新型插齒機的沖程數可達到2000次分。由于硬齒面齒輪廣泛應用，以及高速、高性能要求的齒輪日益增多，因此要求磨齒加工，在效率和質量上都要提高。一般來說。展成法磨齒用得較普遍而成形法磨齒則少MAAG磨齒法，雖然磨齒精度高，但效率低。不適合重磨削。而Niles與Hofler公司生產的單砂輪磨齒機剛性好 精度可靠，適合于大進給量加工，效率高。近年來，為提高效率也在改進磨制方法，如減少磨削次數，壓縮展成長度

15、，縮短尾削沖程；為此MAAG公司提出的K一磨削法與Niles公司提出的雙面磨削法都提高了實際磨削效率。目前對于成批磨削中、小用數齒輪，傾向于采用蝸桿砂輪磨齒機，磨削效率很高，對于磨削大模數齒輪，除可應用能重磨削的單砂輪磨齒外，采用成形圖削方法。也是一種高效磨削的有效途徑。此外，還有一些新的工藝方法，如美國格利森公司研制的GTRACNo765型軌道式切齒機，每小時能加工88個齒輪，比普通滾齒機提高34倍。雙刀盤高效切齒工藝切削速度可達137m/s，粗、精加工一個m=1.5mm、外徑2443mm、齒寬19mm的斜齒輪，只需6秒鐘，其效率為該齒的510倍美國密芝根工具公司的多刀頭插齒，效率比普通插齒

16、提高510倍，汽車行業齒輪冷成型工藝，冷擠、熱軋等少無切削工藝也不斷獲得新的發展。關于齒輪材料與熱處理隨著便自面齒輪的發展，也逐漸受到人們的重視。齒輪用鋼的發展趨勢；一是含Cr，Ni，Mo的低合金鋼；二是硼鋼；三是碳氮共滲用鋼；四是易切削鋼。由于我國缺乏Ni、Cr，常用20CrMnTi滲碳鋼或用含硼加稀土鋼。重型機械常用18CrMnNiMo滲碳鋼或中碳合金鋼。機床行業食用40Cr，38CrMoAl等鋼以及高速齒輪用25Cr2MoV鋼進行氮化。滲碳淬火齒輪可以獲得高的表面硬度、耐磨性、韌性和抗沖擊性能，能提供高的抗點蝕、抗疲勞性能。心部和滲碳層的性能主要取決于選用何種熱處理工藝，如將齒輪調質處理

17、到360HB時，其齒面接觸疲勞極限應力ph-750N/mm2，如表面淬火到HRC56-60-時，pJ1500N/mm2,如表面滲碳到同樣硬度時yi.-1200N/mm2，對于調質齒輪由于齒輪刀具材料的改進已將小齒輪的齒面硬度提高到360HB,大齒輪提高到280HB以上。 齒輪滲碳大多數采用氣體滲碳法。常用丙烷氣發生爐生成氣體，送入滲碳爐進行，也有用液注式滲碳爐，使有機液體在爐內氣化進行滲碳這種方法占地少，原料與處理費用低：爐子不穩定工作時間也短，有利于節約能源和成本最近發展的真空離滲碳法，尤其對于深層滲碳要求的齒輪，可進一步縮短時間，減少變形。 電子計算機在各工業領域的應用；促進了各項技術的發展同樣，在齒輪的設計、計算方面進展也很快，人們利用計算機能對各種可能的設計方實進行計算、分析和比較，并通過優選，取得較為理想的結果例如在分析齒面接觸區，求嚙合線與相對速度夾角中，對彈流潤滑計算以及幾何參數計算等方面編制了程序。還有，在齒輪修形計算與齒輪承載能力計算方面都編有程序我國已編制了GB3480-83漸開線圓柱齒輪承載能力計算標準的程序軟件,供生產應用在齒輪加工方面，可以利用計算機控制整個切齒過程使制造質量穩定可靠目前，國內在研究應用微機對弧齒錐齒輪的切齒調整卡進行計算，可對加工偏差及時調