齒輪基礎(chǔ)知識講義演講人：日期:目錄CATALOGUE02.齒輪工作原理04.齒輪材料與制造05.齒輪應(yīng)用領(lǐng)域01.03.齒輪類型與結(jié)構(gòu)06.維護(hù)與故障齒輪基本概念齒輪基本概念01PART齒輪定義與作用齒輪是通過齒面嚙合傳遞動力和運動的機(jī)械元件，廣泛應(yīng)用于機(jī)床、汽車、航空航天等領(lǐng)域，具有傳動比精確、承載能力強的特點。機(jī)械傳動核心部件改變運動形式與方向功率分流與變速功能除傳遞旋轉(zhuǎn)運動外，齒輪可通過錐齒輪、蝸輪蝸桿等結(jié)構(gòu)實現(xiàn)空間交錯軸傳動，或通過齒條齒輪機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動。在變速箱中，齒輪組通過不同齒數(shù)組合實現(xiàn)多級變速；在差速器中，行星齒輪系統(tǒng)實現(xiàn)動力分配，確保車輛轉(zhuǎn)彎穩(wěn)定性。主要分類方式按齒廓曲線分類包括漸開線齒輪（最常用，易加工且傳動平穩(wěn)）、擺線齒輪（鐘表等精密設(shè)備）、圓弧齒輪（重載高速場合，接觸應(yīng)力?。０摧S線相對位置分類平行軸齒輪（如直齒、斜齒圓柱齒輪）、相交軸齒輪（如直齒/螺旋錐齒輪）、交錯軸齒輪（如蝸輪蝸桿、雙曲面齒輪）。按齒向特征分類直齒輪（齒向平行軸線，制造簡單但噪音大）、斜齒輪（齒向傾斜，傳動平穩(wěn)但產(chǎn)生軸向力）、人字齒輪（抵消軸向力，用于重型機(jī)械）。基本參數(shù)術(shù)語模數(shù)（Module）齒輪尺寸的核心參數(shù)，定義為分度圓直徑與齒數(shù)的比值，直接影響齒輪強度，國際標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)系列為0.5~50mm。壓力角（PressureAngle）嚙合點受力方向與運動方向的夾角，常見20°（平衡強度與噪音）和14.5°（舊標(biāo)準(zhǔn)，漸淘汰），影響齒形和承載能力。分度圓（PitchCircle）理論嚙合的理想圓，其直徑?jīng)Q定齒輪傳動比，齒厚與齒槽寬在此圓上相等，是齒輪設(shè)計的基準(zhǔn)圓。重合度（ContactRatio）同時嚙合齒數(shù)的平均值，大于1.2可確保連續(xù)傳動，斜齒輪因齒向重疊通常具有更高的重合度。齒輪工作原理02PART嚙合傳動機(jī)制標(biāo)準(zhǔn)壓力角為20°，嚙合角的變化影響齒面接觸應(yīng)力和彎曲強度，需根據(jù)工況選擇合適參數(shù)。嚙合角與壓力角適當(dāng)?shù)凝X側(cè)間隙可補償熱膨脹和裝配誤差，但過大會導(dǎo)致沖擊和回差，需通過精密加工和調(diào)整實現(xiàn)優(yōu)化。齒側(cè)間隙控制重合度指同時參與嚙合的齒對數(shù)，重合度越高，傳動越平穩(wěn)；通常要求重合度大于1.2以降低單齒承載和噪聲。重合度與傳動平穩(wěn)性齒輪齒廓采用漸開線設(shè)計，確保連續(xù)平穩(wěn)的傳動接觸，減少沖擊和振動，同時保證傳動過程中瞬時傳動比恒定。漸開線嚙合原理傳動比等于從動輪齒數(shù)與主動輪齒數(shù)之比，直接決定輸出轉(zhuǎn)速和扭矩，例如減速傳動中齒數(shù)比大于1。多級傳動總傳動比為各級傳動比乘積，需綜合考慮空間布局和效率損失，避免過大的單級減速比導(dǎo)致齒根應(yīng)力集中。行星輪系的傳動比計算需結(jié)合太陽輪、行星架和齒圈的齒數(shù)關(guān)系，常用公式包括固定齒圈或太陽輪的不同工況推導(dǎo)。通過變位系數(shù)調(diào)整中心距或改善嚙合性能時，需重新校核實際傳動比與理論值的偏差。傳動比計算齒數(shù)比與速比關(guān)系多級齒輪傳動計算行星齒輪系統(tǒng)速比變位齒輪的修正計算摩擦損失與潤滑條件齒面摩擦損耗占主要部分，潤滑油黏度、極壓添加劑和供油方式（飛濺/強制潤滑）直接影響效率，建議選用高精度齒輪油。齒面粗糙度與加工精度齒面粗糙度Ra值需控制在0.8μm以下，精度等級（如ISO1328的6級）越高，嚙合接觸面積越大，效率損失越小。載荷分布不均偏載或軸系不對中會導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，增加滑動摩擦，需通過鼓形修形或齒向修緣優(yōu)化載荷分布。材料與熱處理工藝滲碳淬火齒輪表面硬度達(dá)HRC58-62時可顯著降低磨損，但過度硬化可能引發(fā)微裂紋，需平衡硬度和韌性。效率影響因素齒輪類型與結(jié)構(gòu)03PART直齒齒輪特點直齒齒輪的齒廓為直線且平行于軸線，加工工藝成熟，生產(chǎn)成本低，適用于標(biāo)準(zhǔn)化批量生產(chǎn)。結(jié)構(gòu)簡單易制造由于齒向與軸線平行，運轉(zhuǎn)時不會產(chǎn)生軸向分力，軸承設(shè)計無需額外考慮軸向載荷問題。軸向力為零嚙合過程中齒面接觸線為平行線，摩擦損耗較小，傳動效率可達(dá)98%以上，適合高速輕載場景。傳動效率高010302嚙合時齒面同時接觸或分離，易產(chǎn)生沖擊和噪聲，不適用于高精度或低噪音要求的場合。噪聲與振動明顯04斜齒的傾斜角度增加了重合度，單齒受力減小，可承受更大載荷，常用于重型機(jī)械和工業(yè)設(shè)備。承載能力更強螺旋角導(dǎo)致運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生軸向分力，需搭配推力軸承或采用人字齒輪結(jié)構(gòu)以抵消軸向力影響。存在軸向力01020304斜齒輪的螺旋齒設(shè)計使嚙合過程逐漸接觸，減少沖擊和振動，適用于汽車變速箱等高精度傳動系統(tǒng)。平穩(wěn)性與低噪聲斜齒需專用機(jī)床和刀具加工，制造精度要求高，成本顯著高于直齒齒輪。加工復(fù)雜度高斜齒齒輪特性錐齒齒輪應(yīng)用空間相交軸傳動錐齒輪專用于兩軸相交（通常為90°）的傳動場景，如汽車差速器、機(jī)床分度機(jī)構(gòu)等。02040301直齒錐齒經(jīng)濟(jì)性直齒錐齒輪加工簡單但傳動平穩(wěn)性較差，適用于低速輕載設(shè)備如農(nóng)機(jī)傳動裝置。螺旋錐齒高性能螺旋錐齒輪通過曲線齒設(shè)計進(jìn)一步降低噪聲并提高承載能力，多用于航空發(fā)動機(jī)和高端越野車驅(qū)動橋。準(zhǔn)雙曲面齒輪特殊應(yīng)用通過軸線偏移設(shè)計實現(xiàn)緊湊空間布局，常見于汽車后橋傳動系統(tǒng)，兼具高扭矩和低噪音特性。齒輪材料與制造04PART常用材料選擇合金結(jié)構(gòu)鋼如20CrMnTi、40Cr等，具有高強度、良好的淬透性和耐磨性，適用于承受重載或沖擊載荷的齒輪，需經(jīng)過滲碳淬火等熱處理工藝提升表面硬度。01不銹鋼材料如304、316等奧氏體不銹鋼，耐腐蝕性強，適用于食品、化工等特殊環(huán)境，但需注意其較低的硬度和耐磨性可能限制其在高負(fù)荷場景的應(yīng)用。鑄鐵材料如HT250、QT600-3等，成本低且減震性能好，適用于低速、輕載齒輪，但抗沖擊性和疲勞強度較差，需通過球墨化處理改善性能。非金屬材料如尼龍、聚甲醛（POM），重量輕且噪聲低，適用于輕載、低轉(zhuǎn)速的傳動場景，但需考慮其熱膨脹系數(shù)和長期蠕變特性對精度的影響。020304加工工藝流程滲碳淬火、氮化等工藝提升表面硬度，后續(xù)通過研磨或拋光消除變形，最終進(jìn)行動平衡測試以保障運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性。熱處理與精整通過滾齒、插齒或剃齒等工藝成形齒面，高精度齒輪需采用磨齒或珩齒工藝，確保齒形誤差控制在微米級。齒形加工采用車削、銑削等工藝去除余量，形成齒輪基本輪廓，需預(yù)留精加工余量以補償熱處理變形。粗加工與半精加工通過鍛造或鑄造獲得齒輪毛坯，鍛造可細(xì)化晶粒提升機(jī)械性能，鑄造則適合復(fù)雜形狀但需控制縮孔和夾雜缺陷。毛坯制備表面處理技術(shù)將齒輪置于富碳介質(zhì)中加熱，使表層碳含量增加后淬火，獲得高硬度（HRC58-62）的耐磨層，芯部保持韌性，適用于重載齒輪。滲碳淬火在真空環(huán)境中通過等離子體轟擊滲氮，形成硬度高（HV1000以上）且變形小的氮化層，顯著提升抗疲勞和耐腐蝕性能。通過高速彈丸沖擊齒面產(chǎn)生壓應(yīng)力層，延緩疲勞裂紋萌生，尤其適用于航空齒輪等對疲勞壽命要求嚴(yán)苛的領(lǐng)域。離子氮化如化學(xué)鍍鎳或電鍍硬鉻，可增強表面耐蝕性并降低摩擦系數(shù)，但需注意鍍層結(jié)合力和厚度均勻性對齒輪嚙合精度的影響。鍍層技術(shù)01020403噴丸強化齒輪應(yīng)用領(lǐng)域05PART重型機(jī)械傳動在數(shù)控機(jī)床、包裝機(jī)械等自動化設(shè)備中，齒輪通過精密嚙合實現(xiàn)精準(zhǔn)定位與速度調(diào)節(jié)，確保生產(chǎn)流程的穩(wěn)定性和重復(fù)精度。自動化生產(chǎn)線能源設(shè)備配套風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、水力渦輪機(jī)等能源裝備依賴齒輪箱實現(xiàn)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換，將自然能源高效轉(zhuǎn)化為電能，對齒輪的疲勞強度和抗腐蝕性要求極高。齒輪廣泛應(yīng)用于礦山機(jī)械、冶金設(shè)備等重型機(jī)械中，承擔(dān)高扭矩、高負(fù)荷的動力傳遞任務(wù)，其耐用性和可靠性直接影響設(shè)備運行效率。工業(yè)機(jī)械應(yīng)用汽車傳動系統(tǒng)變速箱核心部件齒輪組構(gòu)成手動/自動變速箱的核心結(jié)構(gòu)，通過不同齒比組合實現(xiàn)車速與扭矩的靈活切換，直接影響車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性和駕駛平順性。差速器功能實現(xiàn)汽車差速器采用行星齒輪結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)彎時平衡左右車輪轉(zhuǎn)速差，避免輪胎磨損并提升行駛安全性，需具備高抗沖擊性和耐磨性。新能源車驅(qū)動系統(tǒng)混合動力與純電動汽車的減速器采用輕量化齒輪設(shè)計，兼顧靜音性與傳動效率，以適配電機(jī)高轉(zhuǎn)速、低振動的特性需求。精密儀器使用鐘表機(jī)芯結(jié)構(gòu)微型齒輪在機(jī)械鐘表中承擔(dān)動力儲存與走時精度控制功能，要求材料具備極低的熱膨脹系數(shù)和超高的表面光潔度以確保長期穩(wěn)定性。光學(xué)設(shè)備調(diào)焦機(jī)構(gòu)手術(shù)機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)使用特種合金齒輪，需滿足無菌環(huán)境下的耐消毒性要求，同時保持傳動過程的絕對平穩(wěn)與低噪聲。顯微鏡、天文望遠(yuǎn)鏡等設(shè)備的聚焦系統(tǒng)采用蝸輪蝸桿齒輪副，實現(xiàn)亞微米級位移精度，齒輪的背隙控制與剛度是關(guān)鍵性能指標(biāo)。醫(yī)療機(jī)器人傳動維護(hù)與故障06PART日常維護(hù)要點潤滑管理定期檢查齒輪箱潤滑油狀態(tài)，確保油質(zhì)清潔無雜質(zhì)，并根據(jù)工況選擇合適的潤滑劑類型和黏度等級，以減少摩擦磨損和熱量積累。振動與噪聲監(jiān)測通過專業(yè)設(shè)備監(jiān)測齒輪運轉(zhuǎn)時的振動頻率和噪聲水平，異常波動可能預(yù)示齒輪對中不良、齒面損傷或軸承失效等問題。齒面檢查與清潔使用內(nèi)窺鏡或拆檢方式觀察齒面是否存在點蝕、剝落或劃痕，同時清除附著金屬碎屑和油污，避免二次損傷。緊固件與密封性檢查定期核查齒輪箱螺栓、聯(lián)軸器連接件的緊固狀態(tài)，并檢查密封件是否老化滲漏，防止?jié)櫥托孤┗蛲獠课廴疚锴秩?。常見故障模式齒面疲勞失效長期交變載荷導(dǎo)致齒面出現(xiàn)點蝕、剝落或裂紋，通常與材料強度不足、潤滑不良或過載運行相關(guān)。斷齒與崩齒突發(fā)性沖擊載荷或裝配誤差可能引發(fā)局部應(yīng)力集中，造成齒輪部分或整齒斷裂，需重點排查載荷突變和安裝精度問題。磨損與塑性變形長期運行后齒厚減薄或齒形畸變，多因潤滑不足、雜質(zhì)侵入或材料屈服強度不足所致，需定期更換磨損超限齒輪。膠合與擦傷高速重載工況下潤滑油膜破裂，齒面金屬直接接觸并粘連撕脫，表現(xiàn)為齒面粗糙或熔焊痕跡，需優(yōu)化潤滑條件或改進(jìn)齒面硬度匹配。通過采集齒輪箱振動信號并分析特征頻率成分，精準(zhǔn)定位故障類型（如偏心、齒隙過大或局部損傷），指導(dǎo)針對性維修。振