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為什么很多齒輪的齒是斜的? ​

發布于:2021-3-10 13:55:53    點擊量:


在遠古時代




人類在生活中發現物體和動物的運動方式,有直性遠動,如水流、動物行走和奔跑、拋出去的石頭;也有圓周遠動,如原木的滾動、龍卷風、水漩渦等。


在蒸汽輪機發明之前的冷源動力時代

人們可持續的利用原生態動力幾乎都是直線運動,如水力、風力、畜力。人們把這些直線運動傳遞為直線運動很容易,如牛耕田,馬拉木頭,水漂木排。在如何把直線運動狀態轉換為圓周運動卻摸索了較長的時間(也就3000年),如怎樣用水流來推動水車,馬力來拉動馬車。


其實,水流來推動水車、馬力來拉動馬車,就是最原始的、原生態的齒輪傳動中的齒輪和齒條形成的一對齒合傳動。當然這不是真正的齒輪,而是粗糙表面的相互摩擦,把直線運動變成了圓周遠動。

熱源動力時代

到蒸汽輪機發明后,人們進入了熱源動力時代。熱源動力更容易得到的是圓周運動,如蒸汽輪機、電動機。如何把圓周運動在各零件之間高效的傳遞, 能更好地利用能源?

齒輪幾乎是神一般的解決方式。特別是對方向改變(軸向90度變化)、轉動速度的改變(減速機)的運動傳遞,和把圓周運動轉化為直線運動的運動轉化,齒輪起著不可替代的作用。在現代的機電遠動設備和交通工具中,幾乎都少不了它。


齒輪既然這么重要,在探討要使用斜齒輪之前,先來了解一下齒輪。


01

什么是齒輪 ?

齒輪是指輪緣上有齒輪連續嚙合傳遞運動和動力的機械元件。粗看一眼,和鋸子有些像似。我們來直觀感受一下齒輪是什么樣的,見下圖。

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齒輪


02

齒輪的起源

齒輪的起源和發展,有著中、西并進的發展路徑。像其他發明和科技一樣,在沒有交流的情況下,各自開發,發展結果卻歸一了。

在西方,齒輪的發展歷程大約如下:

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古希臘出土的齒輪裝置


在中國,齒輪的發展歷程大致如下:

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戰國末期鐵質青銅齒輪                               漢初青銅人字齒輪


03

齒輪的運用

汽車里面重要的部件變速箱就是不同齒輪的組合應用,從而起著傳動并調速的作用;你可能見過拆開的機械表的外殼,里面是很復雜地齒輪組。而常見的用到齒輪的裝置或設備有電動玩具小汽車、火車、飛機、輪船、風電風車等。

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汽車變速箱


那齒輪在這些設備中到底起什么作用呢?齒輪是能互相嚙合的有齒的機械零件,它起著傳遞動能和傳遞運動的作用。例如火車,動力源是電機,電機高速轉動,比需要的轉速快,就需要減速。齒輪箱接是連接電機軸和列車軸的部件,它通過與電機相聯接小齒輪帶動大齒輪,從而把動能傳遞給列車軸,帶動車輪轉動,火車跑起來。并起到降低轉速提高扭矩的作用。

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傳動軸與電機


齒輪在機械傳動及整個機械領域中的應用極其廣泛。它傳動準確,傳動比恒定,傳遞功率和速度范圍大,傳動效率高;結構緊湊,使用壽命長。當然,齒輪傳動也有缺點,例如噪聲大,不適于長距離傳動,以及制造和裝配要求高等。


04

齒輪的類型

傳動有不同的形式,例如把轉動變為直線運動,把直線運動變為轉動,單純傳遞轉動等,還有是傳遞高轉速還是大扭矩。這些都需要不同的齒輪和齒輪組合。


齒輪還可按其外形分為圓柱齒輪、錐齒輪、非圓齒輪、齒條、蝸桿蝸輪;按齒線形狀分為直齒輪、斜齒輪、人字齒輪、曲線齒輪;按輪齒所在的表面分為外齒輪、內齒輪;按制造方法可分為鑄造齒輪、切制齒輪、軋制齒輪、燒結齒輪等。

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常見的齒輪傳動類型


在這眾多的齒輪中,直齒輪用得最廣泛,用于普通的減速傳動和加速傳動;齒輪齒條用于圓周運動和直線運動的相互轉換;錐面齒輪用于傳遞空間兩相錯軸之間的運動;蝸桿用于大傳動比(也就是加、減速大)的傳動。


這其中很多齒輪的齒是斜的。這是為何?


我們先了解一下齒輪的幾何特征。

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齒輪剖析圖


其中的齒廓曲面,就是我們說的齒形,齒輪中齒形決定了該齒輪的傳動特性。古代沒有嚴謹的數學態度作為基礎,人們只是根據經驗去生產不同齒形的齒輪。隨著到現代科技的發展,為了獲得更大的傳動效率,減少摩擦,減少進入齒合和退出齒合的沖擊,人們應用數學和力學等知識來研究齒輪,設計出各種齒形的齒輪,如漸開線齒輪,擺線齒輪,圓弧齒輪等。追求齒輪時是理論上的點接觸。但這些都是直齒輪的參數,如果齒輪是斜齒輪,就得還有一個重要參數螺旋角。


05

為什么很多齒輪的齒是斜的?

要回答這個問題,我們先了解一下什么是斜齒輪。


斜齒輪它是相對于直齒輪而言的。斜齒輪不是指齒廓面是斜的,而是指齒牙在圓柱面伸展的方向不是平行于基軸的,而是跟基軸形成一個夾角(也叫螺旋角)沿著圓柱面螺旋伸展的。而直齒輪齒牙的伸展是平行于基軸的。斜齒輪的齒廓面一樣可以做成漸開線、擺線、圓弧面等。

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               直齒輪                              斜齒輪                斜齒輪的螺旋角


而正是斜齒輪螺旋角的存在,使得斜齒輪在傳動過程中擁有了直齒輪不具備的下列優點。


嚙合性能好  齒輪的運轉過程是齒牙周期性地進入齒合和退出齒合的過程,直齒輪的進入齒合和退出齒合是整條齒合線同時進入同時退出的,而斜齒輪是齒合線由點接觸開始,齒合線由短到長逐步進入齒合的。于是在進入和退出過程中, 斜齒輪傳動平穩,沖擊、振動和噪聲較小。適合使用在高速傳動中。

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                齒合過程                       直齒輪齒合                斜齒輪齒合


重合度大 由于螺旋角的存在,使得斜齒輪的傳動時,重合度大。通俗點說就是在相同時間單量里,進入齒合狀態的齒牙多,接觸面大。


例如齒輪傳動系中,若是選用直齒圓柱齒輪,在相互嚙合的一對齒輪中,會有1.5~2.5組齒牙相互貼合。若是選用斜齒輪,一對齒輪副中可以實現2.5~3.5組齒牙同時貼合。這樣就能適合大載荷傳動,而且機構緊湊。隨著螺旋角的加大,重合度就會加大。當然,過大的螺旋角會帶來軸向力的加大,也就說明不能無限制的加大螺旋角。


傳動精度高(角速度誤差和扭矩誤差) 影響傳動精度的主要是下面三個因素:設計誤差、齒距誤差、摩擦力。設計誤差和齒距誤差直齒輪和斜齒輪都有,不談。但摩檫力就不同了,直齒輪嚙合時是直線-直線接觸,摩擦力同向,而斜齒輪嚙合時是曲線-曲線接觸,因此摩擦力很大一部分會相互抵消,從而消除齒距誤差對精度的影響,斜齒輪摩擦力造成的扭矩波動更小。


正因為斜齒輪具有這些優點,當遇到傳遞高轉速、高載荷,又要求傳動平穩、噪音小、空間受限的工況時,往往會選用斜齒輪。于是,我們會見到很多齒輪是斜的。


但然,事物都由兩面性,由有優點就有缺點。


由于螺旋角的存在,斜齒輪嚙合傳動中,從嚙合點開始,齒輪在徑向和軸向都會受力。而直齒輪不存在軸向受力。軸向分力對于齒輪傳動是有害的,它使得裝置之間的摩擦力增大,使裝置易于磨損或損害。而螺旋角越大所產生的軸向力越大。為了不使斜齒輪產生過大的軸向力,設計時一般取螺旋角=8~15。


為了解決斜齒輪的軸向力問題,需要在齒輪軸在基座或其他裝置上固定的時候,需要使用到推力軸承,以承受從齒輪傳遞到齒輪軸的軸向負載,或者使用人字齒輪。人字齒輪可以減少軸向分力的影響,但是人字齒輪制造比較麻煩。兩種方法都會增加設備成本。

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人字齒輪


06

齒輪的現狀和未來

齒輪發展到現在,很多數學和物理知識都被應用到齒輪設計中。設計基本上已經觸碰到了天花板。各種齒輪設計基本標準化了。想設計出跳躍性革命性進步的齒輪,可能性不大。


采用取有效措施,用信息技術改造提升齒輪制造行業,如3D打印和使用自動化、智能化設備,降低成本和能源消耗; 推動計算機集成制造系統等在齒輪行業的應用,形成強大的先進裝備制造體系等。從而改進齒輪產品的精度和經濟效益。開發新的復合型齒輪材料,使齒輪更緊湊,更耐用,更潤滑,耐高溫,更輕便才是行業的發展方向。



轉自-西門子中國

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