轮齿

汉语词语

齿轮上的每一个用于啮合的凸起部分，能和另一轮上的突起部分相啮合以传递力和运动，均称为轮齿。一般说来，这些凸起部分呈辐射状排列。它被用于与配对齿轮上的类似的凸起部分接触，由此导致齿轮的持续啮合运转。

概念

齿轮上的每一个用于啮合的凸起部分，均称为轮齿。一般说来，这些凸起部分呈辐射状排列。它被用于与配对齿轮上的类似的凸起部分接触，由此导致齿轮的持续啮合运转。

齿轮整个圆周上轮齿的总数称为齿数，一般以字母z表示。

齿轮

齿轮是机械设备的重要基础零件。埃及、巴比伦早在公元前400～前200年开始使用齿轮，中国在战国末期至秦代(公元前221以前)开始使用。亚里士多德(公元前384～前322)所著的《机械问题》是关于齿轮的最早文献记载。齿轮应用极广，其传动比可高达100～200(单级)，圆周速度范围为0.1～200 m/s，转速范围为1～20000 r/min，最大传递功率可达50000 kW，低速重载时转矩高达1.4×10N·m，高精度圆柱齿轮副的传动效率可达0.99以上，使用寿命一般为5～10年，较好时可达20～30年。

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。

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。

轮齿修缘

轮齿修缘是齿廓修形的一种，指的是在齿顶附近对齿廓形状进行有意识的修削。通常是把渐开线齿轮齿顶的一小部分齿廓曲线 (分度圆压力角α=20°的渐开线) 修成α>20°的渐开线。

由于齿轮的齿形及基节等的制造误差，以及齿轮啮合时轮齿产生的弹性变形，都会使轮齿进入啮合时发生瞬时冲击和干涉而引起传动噪声加大，若对齿形进行适当的修缘则有助于减小或避免干涉，使噪声降低。

轮齿的修缘量是在一定载荷下测得的，通常，轮齿修缘量根据最常用的驱动载荷来确定。修缘量过大会破坏有效工作齿廓，过小则会失去修缘的作用。因此，对于特定的齿轮传动，最好是通过试验求得最佳修缘量。

对于中、小模数齿轮，比较合适的修缘量为：齿顶直线方向δc≈(0.01～0.015) m;齿高方向hc≈(0.4～0.5)m(其中m为齿轮模数)。

轮齿折断

轮齿折断是指齿轮一个或多个齿的整体或其局部的断裂。它通常是由于轮齿的交变应力超过了材料的疲劳极限所造成。有时，也可能由短时过载所造成。

轮齿折断大致可分三种情况：疲劳折断、过载折断和随机断裂。

疲劳折断

疲劳折断是指起源于齿根处的疲劳裂纹不断扩展所造成的断齿。这种疲劳裂纹常发生在齿根圆角半径方向，呈细线状。疲劳折断的断口一般分为疲劳扩展区和瞬时折断区。疲劳扩展区的表面通常较光滑，常可观察到由疲劳源开始的 “贝壳纹” 状的疲劳扩展迹线。疲劳源及其附近区域，在外观上常呈 “眼” 状，但有的 “眼” 在宏观上不明显。瞬时折断区的表面粗糙，参差不齐。

疲劳断齿的据本原因是：轮齿在过高的交变应力多次作用下，从齿根疲劳源起始的疲劳裂纹不断扩展，使轮齿剩余截面上的应力超过其极限应力。传动系统中的动载荷、轮齿接触不良、齿根圆角半径过小和齿根表面粗糙度过高、滚切时的拉伤、材料中的夹杂物、热处理产生的微裂纹、磨削烧伤及其他有害残余应力等因素，都会促成轮齿疲劳折断。

疲劳折断的对策：修改齿轮的几何参数、降低齿根表面粗糙度、对齿根进行正确的喷丸处理、增大齿根圆角半径、对齿根圆角区进行调整以降低齿根危险截面的弯曲疲劳应力，对材料进行适当的热处理以获得较好的金相组织，以及尽可能降低有害的残余应力等措施均有助于防止疲劳折断。

随机断裂

随机断裂是指不与齿根圆角截面有关的疲劳断齿，它可以由缺陷或过高的有害残余应力所诱发。断裂部位随缺陷或过高的有害残余应力位置而定。其断口与一般疲劳折断的断口相似。

随机断裂通常是由于轮齿缺陷、点蚀或其他应力集中源在该处形成过高局部应力集中引起的。夹杂物、微细磨削裂纹等轮齿缺陷在交变应力作用下不断扩展导致齿的断裂。不适当的热处理所形成的过高有害残余应力能引起齿的局部断裂。较大的异物进入啮合处也会使局部轮齿产生低周疲劳折断。

随机断裂的对策：在设计时，选择合理的参数和结构; 消除产生过高局部应力集中或过高有害残余应力的条件; 确保材料的品质；严格控制加工工艺过程防止产生各种缺陷和防止硬性异物进入啮合。

轮齿塑性变形

在过大的应力作用下，轮齿材料因屈服产生塑性流动而形成齿面或齿体的塑性变形。它一般多发生于硬度低的齿轮上，但在重载作用下，硬度高的齿轮上也常发生。

轮齿在啮合过程中，其齿面表层的塑性变形是沿其摩擦力的方向产生的，如由于主动轮齿上所受的摩擦力是背离相对滑动速度为零的节线分别朝向齿顶及齿根作用的，故产生塑性变形后，齿面沿节线处就形成沟槽；而从动轮齿上所受的摩擦力则是分别由齿顶及齿根朝向节线作用的，故产生塑性变形后，齿面沿节线处就形成脊棱 (图1所示)。

轮齿干涉损伤

这种损伤是由齿廓啮合干涉造成的。其特征是齿顶部，尤其是齿根部有明显的金属移动痕迹。齿根部挖出沟槽，齿顶部被滚圆。通常，干涉损伤可引起齿面磨损、塑性变形、胶合甚至导致轮齿折断。

啮合参数设计不合理、加工齿形误差过大、安装中心距过小、工作中热变形过大等，都可造成轮齿不正常啮合而引起干涉损伤。相啮合的轮齿顶部和根部载荷过大或啮合过紧，有可能使润滑油膜失效，造成齿顶、齿根部金属急剧移动，导致整个齿面损伤。

避免轮齿干涉损伤可采取下列对策：应在设计和加工过程中，从轮齿几何形状，切削刀具以及制造安装等方面加以避免。选择适当的润滑油和冷却措施也是有效的。

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