王成广　张森

摘  要：简述了机械齿轮传动的特点，通过对齿轮传动国内外研究现状的综述，详细的分析了机械齿轮传动的技术要点，并以此提出相应的优化设计建议，为工程实践提供参考依据。

关键词：齿轮;优化设计;传动;振动

机械齿轮传动主要作用是帮助我们传递物体运动，也帮助我们传递动力。在机械齿轮传动过程中，对齿轮的要求也很高，务必保证齿轮平稳运转，并要有足够的承载能力承受物体重量。

1  齿轮传动基本原理

齿轮传动是指由齿轮副传递运动和动力的装置，它是现代各种设备中应用最广泛的一种机械传动方式。齿轮传动是靠齿与齿的啮合进行工作的，轮齿是齿轮直接参与工作的部分，即一对相同模数（齿的形体）的齿轮相互啮合将动力或运动由甲轴传送给乙轴，以完成动力或运动传递。它的传动比较准确，效率高，结构紧凑，工作可靠，寿命长。

齿轮传动按其主要功能可分为：运动传递、动力传递、或运动和动力传递兼而有之。以运动传递为主要功能的齿轮传动，其研究目标是提高传动精度。而以动力传递为主要功能的齿轮传动，其研究则主要围绕以下几个方面进行：提高承载能力，降低振动噪声，提高传动效率，节约制造资源，提高加工效率，避免环境污染。如图1所。

图1 动力传动齿轮研究的任务

2  齿轮传动研究现状

2.1 国外研究现状

关于齿轮传动研究领域比较有影响力的国际会议主要涉及德国国际齿轮会议、日本国际运动与动力传动会议、中国齿轮（机械传动、动力传动）国际会议;美国动力传动与齿轮会议。在上述国际齿轮会议中，又以德国的国际齿轮会议影响最大，其特点是参加国家多、高水平学者多，学术界和工业界均很重视。研究内容主要围绕失效机理，传动效率和绿色传动几个方面展开，详见下述表1和表2所示。

2.2 国内研究现状

中国进入工业化国家，中国齿轮传动的发展具有重要意义，其过程可大致分为四个阶段。

第一阶段是从20 世纪40 年代末到20 世纪60 年代，中国开始有了自己的齿轮工业，其间共有160 家左右齿轮制造厂（车间）。1956 年成立了（北京）机械科学研究院，下设齿轮传动研究室，这是中国最早的齿轮技术研究开发机构。

第二阶段是20 世纪70 年代。那时齿轮生产厂家约有200家左右，涉足齿轮技术的研究所有7所，诸如郑州机械研究所，西安重型机械研究所，成都工具研究所等等。同时，从事齿轮传动技术研究的高等院校大约有10 ;所。

第三阶段是20 世纪80 年代。那时，主要齿轮生产厂家发展到500 多家，研究所10 余所，而从事齿轮传动技术研究的高等院校上升到30 余所。

第四阶段是20 世纪80 年代到21 世纪初。这一时期中国的齿轮传动技术已趋于成熟，主要齿轮制造企业有600 余家，产值达31 亿美元。在这期间，从事齿轮传动技术的研究所为10个，高等院校20 余所。

3  优化设计分析

齿轮传动是靠齿与齿的啮合进行工作的，轮齿是齿轮直接参与工作的部分，所以齿轮的失效主要发生在轮齿上。根据齿轮的失效形式可以在轮齿破坏、齿面腐蚀、齿面摩擦、齿面胶合以及塑性变形等方面加以优化。

3.1 轮齿破坏

轮齿破坏通常有两种情况：一种是由于多次重复的弯曲应力和应力集中造成的疲劳破坏;另一种是由于突然产生严重过载或冲击载荷作用引起的过载破坏。尤其是脆性材料（铸铁、淬火钢等）制成的齿轮更容易发生轮齿脆断。两种破坏均起始于轮齿受拉应力的一侧。增大齿根过渡圆角半径、改善材料的力学性能、降低表面粗糙度以减小应力集中，以及对齿根处进行强化处理（如喷丸、滚挤压）等，均可提高轮齿的抗折断能力。

3.2 齿面腐蚀

轮齿工作时，前面啮合处在交变接触应力的多次反复作用下，在靠近节线的齿面上会产生若干小裂纹。随着裂纹的扩展，将导致小块金属剥落，类似于腐蚀破坏。齿面腐蚀的继续扩展会影响传动的平稳性，并产生振动和噪声，导致齿轮不能正常工作。齿面的损伤腐蚀是润滑良好的闭式齿轮传动常见的失效形式。提高齿面硬度和降低表面粗糙度值，均可提高齿面的抗腐蚀能力。

3.3 齿面摩擦

轮齿啮合时，由于相对滑动，特别是外界硬质微粒进入啮合工作面之间时，会导致轮齿表面磨损，产生较大的摩擦。齿面逐渐磨损后，齿面将失去正确的齿形，严重时导致轮齿过薄而折断，齿面磨损对开式齿轮传动有重要影响，摩擦力显著。为了减少磨损，重要的齿轮传动应采用闭式传动，并注意润滑。

3.4 齿面胶合

在高速重载的齿轮传动中，齿面间的压力大、温升高、润滑效果差，当瞬时温度过高时，将使两齿面局部熔融、金属相互粘连，当两齿面做相对运动时，粘住的地方被撕破，从而在齿面上沿着滑动方向形成带状或大面积的伤痕，低速重载的传动不易形成油膜，摩擦发热虽不大，但也可能因重载而出现冷胶合。采用黏度较大或抗胶合性能好的润滑油，降低表面粗糙度以形成良好的润滑条件;提高齿面硬度等均可增强齿面的抗胶合能力。

3.5 塑性变形

硬度较低的软齿面齿轮，在低速重载时，由于齿面压力过大，在摩擦力作用下，齿面金属产生塑性流动而失去原来的齿形。提高齿面硬度和采用黏度较高的润滑油，均有助于防止或减轻齿面塑性变形。

4、结论

通过对齿轮传动国内外研究现状的综述，总结了机械齿轮传动的技术要点以及优化建议。为了能够确保机械齿轮持续稳定地传动，就需相关技术人员能够积极投身于实践探索当中，以积累更多的实践经验，全面把握机械齿轮的传动失效特性，择取最佳的优化措施，保证机械齿轮可一直处于稳定性的传动状态，避免传动失效问题出现。结论如下：

（1）以提高加工效率、节约资源、保护环境为目的的机械齿轮的优化设计制造得到了越来越多的关注。

（2）提高齿轮传动的综合性能，需要通过设计、制造、动力特性、新材料以及材料加工处理等多项技术的综合应用。

参考文献

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第一作者简介：王成广，男，2000年2月5日，河南省上蔡县，机械设计制造及其自动化，在读本科，学生，华北水利水电大学。

第二作者简介：张森，男，1999年9月，河南省郸城县，机械设计制造及其自动化，在读本科，学生，华北水利水电大学。