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为什么很多齿轮的齿是斜的? ​

发布于:2021-3-10 13:55:53    点击量:


在远古时代




人类在生活中发现物体和动物的运动方式,有直性远动,如水流、动物行走和奔跑、抛出去的石头;也有圆周远动,如原木的滚动、龙卷风、水漩涡等。


在蒸汽轮机发明之前的冷源动力时代

人们可持续的利用原生态动力几乎都是直线运动,如水力、风力、畜力。人们把这些直线运动传递为直线运动很容易,如牛耕田,马拉木头,水漂木排。在如何把直线运动状态转换为圆周运动却摸索了较长的时间(也就3000年),如怎样用水流来推动水车,马力来拉动马车。


其实,水流来推动水车、马力来拉动马车,就是最原始的、原生态的齿轮传动中的齿轮和齿条形成的一对齿合传动。当然这不是真正的齿轮,而是粗糙表面的相互摩擦,把直线运动变成了圆周远动。

热源动力时代

到蒸汽轮机发明后,人们进入了热源动力时代。热源动力更容易得到的是圆周运动,如蒸汽轮机、电动机。如何把圆周运动在各零件之间高效的传递, 能更好地利用能源?

齿轮几乎是神一般的解决方式。特别是对方向改变(轴向90度变化)、转动速度的改变(减速机)的运动传递,和把圆周运动转化为直线运动的运动转化,齿轮起着不可替代的作用。在现代的机电远动设备和交通工具中,几乎都少不了它。


齿轮既然这么重要,在探讨要使用斜齿轮之前,先来了解一下齿轮。


01

什么是齿轮 ?

齿轮是指轮缘上有齿轮连续啮合传递运动和动力的机械元件。粗看一眼,和锯子有些像似。我们来直观感受一下齿轮是什么样的,见下图。

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齿轮


02

齿轮的起源

齿轮的起源和发展,有着中、西并进的发展路径。像其他发明和科技一样,在没有交流的情况下,各自开发,发展结果却归一了。

在西方,齿轮的发展历程大约如下:

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古希腊出土的齿轮装置


在中国,齿轮的发展历程大致如下:

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战国末期铁质青铜齿轮                               汉初青铜人字齿轮


03

齿轮的运用

汽车里面重要的部件变速箱就是不同齿轮的组合应用,从而起着传动并调速的作用;你可能见过拆开的机械表的外壳,里面是很复杂地齿轮组。而常见的用到齿轮的装置或设备有电动玩具小汽车、火车、飞机、轮船、风电风车等。

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汽车变速箱


那齿轮在这些设备中到底起什么作用呢?齿轮是能互相啮合的有齿的机械零件,它起着传递动能和传递运动的作用。例如火车,动力源是电机,电机高速转动,比需要的转速快,就需要减速。齿轮箱接是连接电机轴和列车轴的部件,它通过与电机相联接小齿轮带动大齿轮,从而把动能传递给列车轴,带动车轮转动,火车跑起来。并起到降低转速提高扭矩的作用。

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传动轴与电机


齿轮在机械传动及整个机械领域中的应用极其广泛。它传动准确,传动比恒定,传递功率和速度范围大,传动效率高;结构紧凑,使用寿命长。当然,齿轮传动也有缺点,例如噪声大,不适于长距离传动,以及制造和装配要求高等。


04

齿轮的类型

传动有不同的形式,例如把转动变为直线运动,把直线运动变为转动,单纯传递转动等,还有是传递高转速还是大扭矩。这些都需要不同的齿轮和齿轮组合。


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。

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常见的齿轮传动类型


在这众多的齿轮中,直齿轮用得最广泛,用于普通的减速传动和加速传动;齿轮齿条用于圆周运动和直线运动的相互转换;锥面齿轮用于传递空间两相错轴之间的运动;蜗杆用于大传动比(也就是加、减速大)的传动。


这其中很多齿轮的齿是斜的。这是为何?


我们先了解一下齿轮的几何特征。

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齿轮剖析图


其中的齿廓曲面,就是我们说的齿形,齿轮中齿形决定了该齿轮的传动特性。古代没有严谨的数学态度作为基础,人们只是根据经验去生产不同齿形的齿轮。随着到现代科技的发展,为了获得更大的传动效率,减少摩擦,减少进入齿合和退出齿合的冲击,人们应用数学和力学等知识来研究齿轮,设计出各种齿形的齿轮,如渐开线齿轮,摆线齿轮,圆弧齿轮等。追求齿轮时是理论上的点接触。但这些都是直齿轮的参数,如果齿轮是斜齿轮,就得还有一个重要参数螺旋角


05

为什么很多齿轮的齿是斜的?

要回答这个问题,我们先了解一下什么是斜齿轮。


斜齿轮它是相对于直齿轮而言的。斜齿轮不是指齿廓面是斜的,而是指齿牙在圆柱面伸展的方向不是平行于基轴的,而是跟基轴形成一个夹角(也叫螺旋角)沿着圆柱面螺旋伸展的。而直齿轮齿牙的伸展是平行于基轴的。斜齿轮的齿廓面一样可以做成渐开线、摆线、圆弧面等。

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               直齿轮                              斜齿轮                斜齿轮的螺旋角


而正是斜齿轮螺旋角的存在,使得斜齿轮在传动过程中拥有了直齿轮不具备的下列优点


啮合性能好  齿轮的运转过程是齿牙周期性地进入齿合和退出齿合的过程,直齿轮的进入齿合和退出齿合是整条齿合线同时进入同时退出的,而斜齿轮是齿合线由点接触开始,齿合线由短到长逐步进入齿合的。于是在进入和退出过程中, 斜齿轮传动平稳,冲击、振动和噪声较小。适合使用在高速传动中。

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                齿合过程                       直齿轮齿合                斜齿轮齿合


重合度大 由于螺旋角的存在,使得斜齿轮的传动时,重合度大。通俗点说就是在相同时间单量里,进入齿合状态的齿牙多,接触面大。


例如齿轮传动系中,若是选用直齿圆柱齿轮,在相互啮合的一对齿轮中,会有1.5~2.5组齿牙相互贴合。若是选用斜齿轮,一对齿轮副中可以实现2.5~3.5组齿牙同时贴合。这样就能适合大载荷传动,而且机构紧凑。随着螺旋角的加大,重合度就会加大。当然,过大的螺旋角会带来轴向力的加大,也就说明不能无限制的加大螺旋角。


传动精度高(角速度误差和扭矩误差) 影响传动精度的主要是下面三个因素:设计误差、齿距误差、摩擦力。设计误差和齿距误差直齿轮和斜齿轮都有,不谈。但摩檫力就不同了,直齿轮啮合时是直线-直线接触,摩擦力同向,而斜齿轮啮合时是曲线-曲线接触,因此摩擦力很大一部分会相互抵消,从而消除齿距误差对精度的影响,斜齿轮摩擦力造成的扭矩波动更小。


正因为斜齿轮具有这些优点,当遇到传递高转速、高载荷,又要求传动平稳、噪音小、空间受限的工况时,往往会选用斜齿轮。于是,我们会见到很多齿轮是斜的。


但然,事物都由两面性,由有优点就有缺点


由于螺旋角的存在,斜齿轮啮合传动中,从啮合点开始,齿轮在径向和轴向都会受力。而直齿轮不存在轴向受力。轴向分力对于齿轮传动是有害的,它使得装置之间的摩擦力增大,使装置易于磨损或损害。而螺旋角越大所产生的轴向力越大。为了不使斜齿轮产生过大的轴向力,设计时一般取螺旋角=8~15。


为了解决斜齿轮的轴向力问题,需要在齿轮轴在基座或其他装置上固定的时候,需要使用到推力轴承,以承受从齿轮传递到齿轮轴的轴向负载,或者使用人字齿轮。人字齿轮可以减少轴向分力的影响,但是人字齿轮制造比较麻烦。两种方法都会增加设备成本。

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人字齿轮


06

齿轮的现状和未来

齿轮发展到现在,很多数学和物理知识都被应用到齿轮设计中。设计基本上已经触碰到了天花板。各种齿轮设计基本标准化了。想设计出跳跃性革命性进步的齿轮,可能性不大。


采用取有效措施,用信息技术改造提升齿轮制造行业,如3D打印和使用自动化、智能化设备,降低成本和能源消耗; 推动计算机集成制造系统等在齿轮行业的应用,形成强大的先进装备制造体系等。从而改进齿轮产品的精度和经济效益。开发新的复合型齿轮材料,使齿轮更紧凑,更耐用,更润滑,耐高温,更轻便才是行业的发展方向。



转自-西门子中国

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