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為什么很多齒輪的齒是斜的? ?

發(fā)布于:2021-3-10 13:55:53    點(diǎn)擊量:


在遠(yuǎn)古時(shí)代




人類在生活中發(fā)現(xiàn)物體和動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)方式,有直性遠(yuǎn)動(dòng),如水流、動(dòng)物行走和奔跑、拋出去的石頭;也有圓周遠(yuǎn)動(dòng),如原木的滾動(dòng)、龍卷風(fēng)、水漩渦等。


在蒸汽輪機(jī)發(fā)明之前的冷源動(dòng)力時(shí)代

人們可持續(xù)的利用原生態(tài)動(dòng)力幾乎都是直線運(yùn)動(dòng),如水力、風(fēng)力、畜力。人們把這些直線運(yùn)動(dòng)傳遞為直線運(yùn)動(dòng)很容易,如牛耕田,馬拉木頭,水漂木排。在如何把直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為圓周運(yùn)動(dòng)卻摸索了較長(zhǎng)的時(shí)間(也就3000年),如怎樣用水流來推動(dòng)水車,馬力來拉動(dòng)馬車。


其實(shí),水流來推動(dòng)水車、馬力來拉動(dòng)馬車,就是最原始的、原生態(tài)的齒輪傳動(dòng)中的齒輪和齒條形成的一對(duì)齒合傳動(dòng)。當(dāng)然這不是真正的齒輪,而是粗糙表面的相互摩擦,把直線運(yùn)動(dòng)變成了圓周遠(yuǎn)動(dòng)。

熱源動(dòng)力時(shí)代

到蒸汽輪機(jī)發(fā)明后,人們進(jìn)入了熱源動(dòng)力時(shí)代。熱源動(dòng)力更容易得到的是圓周運(yùn)動(dòng),如蒸汽輪機(jī)、電動(dòng)機(jī)。如何把圓周運(yùn)動(dòng)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(duì)方向改變(軸向90度變化)、轉(zhuǎn)動(dòng)速度的改變(減速機(jī))的運(yùn)動(dòng)傳遞,和把圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化,齒輪起著不可替代的作用。在現(xiàn)代的機(jī)電遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)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(xù)嚙合傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的機(jī)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。


02

齒輪的起源

齒輪的起源和發(fā)展,有著中、西并進(jìn)的發(fā)展路徑。像其他發(fā)明和科技一樣,在沒有交流的情況下,各自開發(fā),發(fā)展結(jié)果卻歸一了。


03

齒輪的運(yùn)用

汽車?yán)锩嬷匾牟考兯傧渚褪遣煌X輪的組合應(yīng)用,從而起著傳動(dòng)并調(diào)速的作用;你可能見過拆開的機(jī)械表的外殼,里面是很復(fù)雜地齒輪組。而常見的用到齒輪的裝置或設(shè)備有電動(dòng)玩具小汽車、火車、飛機(jī)、輪船、風(fēng)電風(fēng)車等。

汽車變速箱


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


齒輪在機(jī)械傳動(dòng)及整個(gè)機(jī)械領(lǐng)域中的應(yīng)用極其廣泛。它傳動(dòng)準(zhǔn)確,傳動(dòng)比恒定,傳遞功率和速度范圍大,傳動(dòng)效率高;結(jié)構(gòu)緊湊,使用壽命長(zhǎng)。當(dāng)然,齒輪傳動(dòng)也有缺點(diǎn),例如噪聲大,不適于長(zhǎng)距離傳動(dòng),以及制造和裝配要求高等。


04

齒輪的類型

傳動(dòng)有不同的形式,例如把轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)橹本運(yùn)動(dòng),把直線運(yùn)動(dòng)變?yōu)檗D(zhuǎn)動(dòng),單純傳遞轉(zhuǎn)動(dòng)等,還有是傳遞高轉(zhuǎn)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(nèi)齒輪;按制造方法可分為鑄造齒輪、切制齒輪、軋制齒輪、燒結(jié)齒輪等。


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(dòng)和加速傳動(dòng);齒輪齒條用于圓周運(yùn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)的相互轉(zhuǎn)換;錐面齒輪用于傳遞空間兩相錯(cuò)軸之間的運(yùn)動(dòng);蝸桿用于大傳動(dòng)比(也就是加、減速大)的傳動(dòng)。


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。


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(dòng)特性。古代沒有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)態(tài)度作為基礎(chǔ),人們只是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)去生產(chǎn)不同齒形的齒輪。隨著到現(xiàn)代科技的發(fā)展,為了獲得更大的傳動(dòng)效率,減少摩擦,減少進(jìn)入齒合和退出齒合的沖擊,人們應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)等知識(shí)來研究齒輪,設(shè)計(jì)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(shí)是理論上的點(diǎn)接觸。但這些都是直齒輪的參數(shù),如果齒輪是斜齒輪,就得還有一個(gè)重要參數(shù)螺旋角


05

為什么很多齒輪的齒是斜的?

要回答這個(gè)問題,我們先了解一下什么是斜齒輪。


斜齒輪它是相對(duì)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(gè)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。


而正是斜齒輪螺旋角的存在,使得斜齒輪在傳動(dòng)過程中擁有了直齒輪不具備的下列優(yōu)點(diǎn)


嚙合性能好  齒輪的運(yùn)轉(zhuǎn)過程是齒牙周期性地進(jìn)入齒合和退出齒合的過程,直齒輪的進(jìn)入齒合和退出齒合是整條齒合線同時(shí)進(jìn)入同時(shí)退出的,而斜齒輪是齒合線由點(diǎn)接觸開始,齒合線由短到長(zhǎng)逐步進(jìn)入齒合的。于是在進(jìn)入和退出過程中, 斜齒輪傳動(dòng)平穩(wěn),沖擊、振動(dòng)和噪聲較小。適合使用在高速傳動(dòng)中。


重合度大 由于螺旋角的存在,使得斜齒輪的傳動(dòng)時(shí),重合度大。通俗點(diǎn)說就是在相同時(shí)間單量里,進(jìn)入齒合狀態(tài)的齒牙多,接觸面大。


例如齒輪傳動(dòng)系中,若是選用直齒圓柱齒輪,在相互嚙合的一對(duì)齒輪中,會(huì)有1.5~2.5組齒牙相互貼合。若是選用斜齒輪,一對(duì)齒輪副中可以實(shí)現(xiàn)2.5~3.5組齒牙同時(shí)貼合。這樣就能適合大載荷傳動(dòng),而且機(jī)構(gòu)緊湊。隨著螺旋角的加大,重合度就會(huì)加大。當(dāng)然,過大的螺旋角會(huì)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(dòng)精度高(角速度誤差和扭矩誤差) 影響傳動(dòng)精度的主要是下面三個(gè)因素:設(shè)計(jì)誤差、齒距誤差、摩擦力。設(shè)計(jì)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(shí)是直線-直線接觸,摩擦力同向,而斜齒輪嚙合時(shí)是曲線-曲線接觸,因此摩擦力很大一部分會(huì)相互抵消,從而消除齒距誤差對(duì)精度的影響,斜齒輪摩擦力造成的扭矩波動(dòng)更小。


正因?yàn)樾饼X輪具有這些優(yōu)點(diǎn),當(dāng)遇到傳遞高轉(zhuǎn)速、高載荷,又要求傳動(dòng)平穩(wěn)、噪音小、空間受限的工況時(shí),往往會(huì)選用斜齒輪。于是,我們會(huì)見到很多齒輪是斜的。


但然,事物都由兩面性,由有優(yōu)點(diǎn)就有缺點(diǎn)


由于螺旋角的存在,斜齒輪嚙合傳動(dòng)中,從嚙合點(diǎn)開始,齒輪在徑向和軸向都會(huì)受力。而直齒輪不存在軸向受力。軸向分力對(duì)于齒輪傳動(dòng)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(chǎn)生的軸向力越大。為了不使斜齒輪產(chǎn)生過大的軸向力,設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)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(fù)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(huì)增加設(shè)備成本。


06

齒輪的現(xiàn)狀和未來

齒輪發(fā)展到現(xiàn)在,很多數(shù)學(xué)和物理知識(shí)都被應(yīng)用到齒輪設(shè)計(jì)中。設(shè)計(jì)基本上已經(jīng)觸碰到了天花板。各種齒輪設(shè)計(jì)基本標(biāo)準(zhǔn)化了。想設(shè)計(jì)出跳躍性革命性進(jìn)步的齒輪,可能性不大。


采用取有效措施,用信息技術(shù)改造提升齒輪制造行業(yè),如3D打印和使用自動(dòng)化、智能化設(shè)備,降低成本和能源消耗; 推動(dòng)計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)等在齒輪行業(yè)的應(yīng)用,形成強(qiáng)大的先進(jìn)裝備制造體系等。從而改進(jìn)齒輪產(chǎn)品的精度和經(jīng)濟(jì)效益。開發(fā)新的復(fù)合型齒輪材料,使齒輪更緊湊,更耐用,更潤(rùn)滑,耐高溫,更輕便才是行業(yè)的發(fā)展方向。



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