齿轮传动链的设计技巧

在精密机械中，齿轮传动链的设计，大致可按下列步骤进行：

1．根据传动的要求和工作特点，正确选择传动形式。

2．决定传动级数，并分配各级传动比。

3．确定各级齿轮的齿数和模数；计算齿轮的主要几何尺寸。

4．对于精密齿轮传动链，有时需进行误差的分析和估算。

5．传动的结构设计，包括：齿轮的结构、齿轮与轴的联接方法等。对于精密齿轮传动链，有时需设计消除空回的结构。

1 齿轮传动形式的选择

如前所述，齿轮的传动形式很多，设计时要根据齿轮传动的使用要求、工作特点，正确地选择最合理的传动形式。在一般情况下，可根据以下几点进行选择：

1．结构条件对齿轮传动的要求。例如，空间位置对传动布置的限制，各传动轴的相互位置关系等。

2．对齿轮传动的精度要求。

3．齿轮传动的工作速度及传动平稳性和无噪声的要求。

4．齿轮传动的工艺性因素（这一点必须和具体的生产设备条件及生产批量结合起来考虑）。

5．考虑传动效率和润滑条件等。

2 传动比的分配

传动比的分配是齿轮传动链设计中的重要问题之一。传动比分配的是否合理，将影响整个传动链的结构布局及其工作性能，因此，在设计中必须根据使用要求，合理地进行传动比的分配。

齿轮传动链的总传动比，往往是根据具体要求事先给定的。总传动比给出之后，据此确定传动级数并分配各级传动比。

一般说来，齿轮传动链的传动级数少些较好。因为传动级数愈多，传动链的结构就愈复杂。传动级数少，不但可以使结构简化，同时还有利于提高传动效率，减小传动误差和提高工作精度。

但在总传动比一定的情况下，由于传动级数的减少，势必引起各级传动比数值的增大。若各级传动比（单级传动比）数值过大，将会使传动链的结构不紧凑。同时，当单级传动比过大时，从动轮的直径就会很大，致使齿轮的转动惯量随之增加，这对于要求转动惯量较小的齿轮传动链是不希望的。因此，应根据齿轮传动链的具体工作要求，合理地确定其传动级数。

设计时可参考下列原则进行传动比的分配。

1．按先小后大的原则分配传动比

2．按最小体积的原则分配传动比

3．按最小转动惯量原则分配传动比

3 齿数、模数的确定

1．齿数的确定

为避免根切，对于压力角为20°标准直齿圆柱齿轮最小齿数

，斜齿圆柱齿轮

。如果齿数必须取得较少，可采用变位齿轮。

中心距一定时，增加齿数能使重合度增大，提高传动平稳性；在满足弯曲强度的前提下，应适当减小模数，增大齿数。高速齿轮或对噪声有严格要求的齿轮传动建议取

对于重要的传动或重载高速传动，大小轮齿互为质数，这样轮齿磨损均匀，有利于提高寿命。

蜗杆螺旋线的头数，一般可取1～4。在蜗杆直径和模数一定时，增加蜗杆螺旋线的头数，可增大分度圆柱螺旋导程角，因而提高了传动效率，但此时加工工艺性较差。用于示数传动的精密蜗杆传动，则应采用单头蜗杆，以避免由于相邻两螺旋线的齿距误差而引起周期性的传动误差。另外，蜗杆螺旋线头数的增加，将会丧失自锁性。

2．模数的确定

在精密机械中，若齿轮传动仅用来传递运动或传递的转矩很小，齿轮的模数一般不宜按照强度计算的方法确定，而是根据结构条件选定。一般都是依传动装置的外廓尺寸选定齿轮的中心距。如果齿轮传动的传动比和齿数也已选定，则齿轮的模数可用下式求出

应当指出，求出的模数m，应圆整为标准模数。

对于传递转矩较大的齿轮，其模数需按强度计算方法确定。

4 齿轮传动的空回及消除方法

1．空回和产生空回的因素

所谓空回，就是当主动轮反向转动时从动轮滞后的一种现象。滞后的转角即为空回误差角。产生空回的主要原因是由于一对齿轮有侧隙存在。从理论上来说，一对啮合齿轮可以是无侧隙的。但在某些情况下，侧隙对传动的正常工作是必要的。由于侧隙的存在，可以避免由于零件的加工误差而使轮齿卡住；此外，它还提供了储存润滑油的空间，以及考虑到由于温度变化而引起零件尺寸的变化等因素。但是侧隙在反向传动中引起的空回误差，将直接影响传动精度。

产生空回的主要因素是：就齿轮本身而言，有中心距变大、齿厚偏差、基圆偏心和齿形误差等。此外，齿轮装在轴上时的偏心、滚动轴承转动座圈的径向偏摆和固定座圈与壳体的配合间隙等也会对空回产生影响。

在减速链中，最后一级（或最后几级）齿轮的空回误差对整个传动链的空回误差影响最大。因此，提高最后一级（或最后几级）齿轮的制造精度，对降低整个传动链的空回误差是有重要意义的。同时，各级传动比按先小后大进行排列较为合理。

2．消除或减小空回的方法

① 利用弹簧力

② 固定双片齿轮

③ 利用接触游丝

④ 调整中心距法

5 齿轮传动链的结构设计

传动链结构设计的基本问题在于正确解决齿轮的结构、齿轮与轴的联接方法等。

1．齿轮的结构设计

通过齿轮传动的强度计算，只能确定出齿轮的主要尺寸，如齿数、模数、齿宽、螺旋角、分度圆直径等，而齿圈、轮辐、轮毂等的结构形式及尺寸大小，通常都是由结构设计而定。

下图所示的为精密机械中推荐采用的直齿和斜齿圆柱齿轮的结构。

圆柱齿轮的典型结构

当齿轮的齿根圆直径与轴径接近时，可以将齿轮和轴做成整体的，称为齿轮轴（上图(a)）。如果齿轮的直径比轴的直径大得多，则应把齿轮和轴分开来制造。直径较小的齿轮可做成实心的（上图(b)）。顶圆直径da≤500 mm的齿轮可以是锻造的或铸造的，常采用辐板式结构。有时为了减轻齿轮的重量，可在腹板上开孔（图9-20(c)）。当齿轮 大而薄时，可采用组合式结构（下图(a)）。这种齿轮最适于需用有色金属制造轮缘的情况，此时轮毂用钢制造而轮缘用板料制造，这样能节省贵重的有色金属。对于非金属齿轮，也考虑做成组合式的，否则齿轮与轴的联接常会产生困难（下图(b)）。

组合齿轮结构

圆锥齿轮的典型结构如下图所示。当直径较小时，可采用齿轮轴形式；当直径较大时，也可在腹板上开孔以减轻重量。

圆锥齿轮的典型结构

常见的蜗轮蜗杆典型结构如下面两个图所示。一般将蜗杆和轴作成一体，称为蜗杆轴。

蜗杆轴

蜗轮的结构

蜗轮的结构一般为组合式结构，齿圈用青铜制造，轮芯用铸铁或钢制造。上图(a)为组合式过盈联接，这种结构常由青铜齿圈与铸铁轮芯组成，多用于尺寸不大或工作温度变化较小的蜗轮。上图(b)为组合式螺栓联接，这种结构装拆方便，多用于尺寸较大或易磨损的蜗轮。上图(c)为整体式，主要用于铸铁蜗轮或尺寸很小的青铜蜗轮。上图(d)为拼铸式，将青铜齿圈浇铸在铸铁轮芯上，常用于成批生产的蜗轮。2．齿轮与轴的联接

齿轮与轴的联接方法是传动链结构设计中重要内容之一，因为联接方法的好坏，将直接影响传动精度和工作可靠性。

由于齿轮传动链的工作条件（传递转矩、拆卸的频繁程度等）、结构的空间位置，以及装配的可能性等情况的不同，因此齿轮与轴的联接方式也是多种多样的。总的来说，在齿轮和轴的联接中，要求联接牢固，能够传递的转矩大，能保证轴与齿轮的同轴度和垂直度。

不同的联接方法，对于保证以上要求的完备程度各不相同，因此应根据传动链的特点合理选择。

常用的联接方法有以下几种：

① 销联接

如右图(a)所示，此种方法在小型精密机械中用得较多。它的优点是结构简单，工作可靠，能传递中等大小的转矩，不易产生空回。缺点是，装配时齿轮不能自由绕轴转动到适合的位置，以减小偏心的有害影响；同时，不宜用在齿轮直径太大之处，因为轮缘会挡住钻卡，以致不能顺利钻出销钉孔。

若齿轮需经常拆换，可用圆锥销联接（右图(b)）。圆柱销和圆锥销的直径一般取轴径的1/4，最大不超过1/3，以免过多地削弱轴的强度和刚度。

② 螺钉联接

下图(a)所示的为用紧定螺钉沿齿轮轮毂径向固定齿轮，该方法装卸方便，但传递转矩小，螺钉容易松动，且拧紧螺钉时会引起齿轮的偏心。下图(b)为在齿轮和轴的分界面上钻孔攻螺纹，并拧入紧定螺钉的固定结构。传动时，紧定螺钉受剪切和挤压作用。优点是结构简单，便于装卸，轴向尺寸小，宜用于轮毂很短（或无轮毂）而外径小的齿轮。缺点是传递转矩小，且易在使用中产生空回，故也不宜用于精密齿轮传动链中。下图(c)为用螺钉直接将齿轮固定在轴套凸缘上的结构。齿轮的定心靠其内孔与轴套外圆的配合保证，垂直度则靠轴肩的端面与齿轮端面的贴紧来保证。这种结构主要用于非金属齿轮的联接。此法在保证同轴度和垂直度方面较好。

螺钉联接

③ 键联接

如下图所示，最常用的是平键和半圆键。键联接一般多用于传递转矩较大和尺寸较大的齿轮传动。它的优点是装卸方便，工作可靠，缺点是同轴度较差，沿圆周方向不能调整。

来源：锂电那些事