李曉芳　閆其順

摘 要：該文總結(jié)了傳統(tǒng)的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，并對(duì)漸開(kāi)線柱齒鼓形齒輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、研究進(jìn)行探討，分析了其優(yōu)缺點(diǎn)。沿用此種齒輪機(jī)構(gòu)的研究和設(shè)計(jì)思路，該文提出了一種空間曲線的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的傳遞方案—空間齒輪齒條的設(shè)計(jì)思路和制造方法。這種傳動(dòng)裝置能解決齒輪機(jī)構(gòu)難進(jìn)行空間曲線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)體齒的齒輪加工困難的問(wèn)題，為該種齒輪機(jī)構(gòu)的研究提供了參考。

關(guān)鍵詞：齒輪 空間曲線 漸開(kāi)線 柱齒

中圖分類號(hào)：TH132 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2013）03（c）-00-02

在眾多的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，齒輪傳動(dòng)以傳動(dòng)比精確、傳動(dòng)平穩(wěn)、工作可靠、效率高、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)而應(yīng)用廣泛。通過(guò)齒輪機(jī)構(gòu)的不同組合，可以完成長(zhǎng)距離直線運(yùn)動(dòng)、軸交角為一定角度的變向直線運(yùn)動(dòng)，或者經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)可以傳遞空間曲線運(yùn)動(dòng)。下面就不同的齒輪類型能傳遞不同的空間運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行論述，并尋求一種能在實(shí)際中較快捷方便地實(shí)現(xiàn)空間曲線運(yùn)動(dòng)的齒輪裝置的結(jié)構(gòu)。

1 不同齒形的平面齒輪機(jī)構(gòu)、空間齒輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)及應(yīng)用

齒輪的齒形有漸開(kāi)線齒形、圓弧齒形等，對(duì)于不同的齒形，其傳動(dòng)特點(diǎn)也有所不同。漸開(kāi)線齒輪傳動(dòng)時(shí)，傳動(dòng)比恒定，嚙合線和嚙合角始終不變，而且傳動(dòng)過(guò)程中如果如果兩齒輪的中心距發(fā)生改變，不會(huì)影響傳動(dòng)比的精確性；圓弧齒形齒輪機(jī)構(gòu)在傳動(dòng)過(guò)程中，其接觸強(qiáng)度比漸開(kāi)線齒輪大得多，它對(duì)制造誤差和變形不敏感，適應(yīng)受載的情況，磨損小、效率高，而且圓弧齒輪沒(méi)有根切問(wèn)題，小齒輪的齒數(shù)可以很少，結(jié)構(gòu)緊湊。

平面齒輪機(jī)構(gòu)主要用來(lái)傳遞兩平行軸之間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，根據(jù)輪齒的方向可分為直齒輪、斜齒輪和人字齒輪。如果進(jìn)行多級(jí)傳動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)比較大的升速或降速傳動(dòng)，但是級(jí)數(shù)越多，齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的尺寸也就越大；空間齒輪機(jī)構(gòu)用于傳遞空間兩相交軸或兩交錯(cuò)軸間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，主要包括交錯(cuò)軸斜齒輪機(jī)構(gòu)、蝸桿蝸輪機(jī)構(gòu)和直齒圓錐齒輪機(jī)構(gòu)等。交錯(cuò)軸斜齒輪機(jī)構(gòu)由兩個(gè)斜齒輪組成，但兩齒輪的軸線不相互平行，而是空間交錯(cuò)，這種齒輪機(jī)構(gòu)可用改變螺旋角大小的方法配湊中心距，改變螺旋角的旋向可以改變從動(dòng)軸的轉(zhuǎn)向，但易磨損、效率低；蝸輪蝸桿用來(lái)傳遞呈90 °分布的兩軸之間的運(yùn)動(dòng)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)平穩(wěn)、當(dāng) 蝸桿導(dǎo)程角小于當(dāng)量摩擦角時(shí)有自鎖性等優(yōu)點(diǎn)，但磨損大；直齒圓錐齒輪傳動(dòng)用于傳遞相交軸間的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，輪齒分布在圓錐體上，齒形從大端到小端逐漸

收縮。

這些常規(guī)的齒輪機(jī)構(gòu)在傳動(dòng)過(guò)程中一般都有明確的方向性，如果想改變運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞的方向，要對(duì)齒輪機(jī)構(gòu)傳動(dòng)參數(shù)進(jìn)行更改。

2 漸開(kāi)線柱齒鼓形齒輪的傳動(dòng)及應(yīng)用

漸開(kāi)線柱齒鼓形齒輪機(jī)構(gòu)是在漸開(kāi)線齒輪傳動(dòng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，主要是用來(lái)傳遞空間長(zhǎng)距離連續(xù)曲線運(yùn)動(dòng)。由于這種運(yùn)動(dòng)的曲線形狀較直線要復(fù)雜，所以齒輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)也比較復(fù)雜。對(duì)于該種齒輪的研究，哈爾濱工業(yè)大學(xué)零五屆、零六屆機(jī)電學(xué)院的碩士研究生曾做了大量的研究。

通常情況下齒輪機(jī)構(gòu)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中是不可以傳遞空間長(zhǎng)距離連續(xù)曲線運(yùn)動(dòng)的，因?yàn)楫?dāng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)確定后，齒輪的軸交角是不可以改變的。漸開(kāi)線柱齒鼓形齒輪機(jī)構(gòu)可以傳遞這種運(yùn)動(dòng)，這是由于此種齒輪的齒的結(jié)構(gòu)具有特殊性。在沿空間直軌運(yùn)動(dòng)時(shí)，齒輪齒條的嚙合運(yùn)動(dòng)與通用的齒輪機(jī)構(gòu)嚙合運(yùn)動(dòng)相類似，能夠保證定傳動(dòng)比運(yùn)動(dòng)，若齒輪和齒條的模數(shù)和壓力角分別相等以及重合度大于或等于一定的許用值，即可完成運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的傳遞。在進(jìn)行空間轉(zhuǎn)彎時(shí)，由于齒輪的齒是回轉(zhuǎn)漸開(kāi)面，所以在進(jìn)行單齒嚙合時(shí)，即使齒輪的軸截面相對(duì)于導(dǎo)軌的軸截面的夾角發(fā)生變化，齒輪機(jī)構(gòu)的嚙合運(yùn)動(dòng)也不會(huì)發(fā)生改變。因?yàn)橥節(jié)u開(kāi)面齒廓可以在凹齒內(nèi)進(jìn)行純滾動(dòng)，不論齒輪的軸線相對(duì)于齒條怎樣轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)齒輪軸線和齒的軸線的截面上所截得的都是漸開(kāi)線齒輪的嚙合運(yùn)動(dòng)軌跡。在導(dǎo)引機(jī)構(gòu)的作用下，漸開(kāi)線柱齒鼓形齒輪的輪齒相對(duì)于齒條的錐孔有一定的偏轉(zhuǎn)，隨著驅(qū)動(dòng)齒輪的繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)齒輪輪齒和齒條齒槽的嚙合復(fù)位，不會(huì)像一般齒輪齒條傳動(dòng)在轉(zhuǎn)彎過(guò)程中齒與齒之間產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。而且，在齒輪齒條轉(zhuǎn)彎處的嚙合運(yùn)動(dòng)不會(huì)因?yàn)辇X輪和齒條的外圍發(fā)生干涉而停止，這也是把齒輪設(shè)計(jì)成鼓形的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

在空間彎軌段，齒輪的運(yùn)轉(zhuǎn)平面發(fā)生變化，這時(shí)由控制機(jī)構(gòu)控制裝置的轉(zhuǎn)彎，導(dǎo)引機(jī)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)向?qū)б?。由于齒輪的輪齒分布在同一平面內(nèi)，而且齒距固定不變，所以齒輪只能轉(zhuǎn)過(guò)一定半徑的弧度。若轉(zhuǎn)彎半徑較小而齒輪仍能運(yùn)轉(zhuǎn)，則此時(shí)齒輪機(jī)構(gòu)的嚙合運(yùn)動(dòng)不完全滿足齒輪嚙合原理，輪齒間靠純滑動(dòng)來(lái)運(yùn)轉(zhuǎn)，輪齒的磨損加劇并伴有較大的震動(dòng)和噪聲，會(huì)增加裝置的不安全因素。若空間彎軌帶有上翹或下翹的角度，則此時(shí)齒輪機(jī)構(gòu)的嚙合相當(dāng)于內(nèi)齒輪或外齒輪嚙合，為了避免出現(xiàn)嚙合干涉，要對(duì)上翹或下翹的角度有一定的范圍要求。

目前，對(duì)這種齒輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)理論的研究已經(jīng)比較深入，各種設(shè)計(jì)參數(shù)也比較齊全，但生產(chǎn)過(guò)程比較復(fù)雜。

3 空間曲線傳動(dòng)路徑齒輪機(jī)構(gòu)的研究

這里所定義的空間曲線包括直線和曲線形成的復(fù)雜曲線路徑，如圖1所示。針對(duì)這樣的空間路徑，一般的齒輪機(jī)構(gòu)很難滿足其傳動(dòng)要求。主要原因是：1.如圖所以的齒輪機(jī)構(gòu)在傳動(dòng)過(guò)程中，所示曲線實(shí)際上可以看成一個(gè)空間齒條，但是整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中其是固定不動(dòng)的；2.作為嚙合的另一個(gè)齒輪不但要做繞著自身軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還要沿著空間曲線做嚙合運(yùn)動(dòng)。要充分考慮到如何將齒輪和“空間齒條”連續(xù)、穩(wěn)固、可靠地“嚙合”在一起。

既然齒輪齒條要“嚙合”在一起，就要考慮齒輪、齒條上輪齒的形狀和分布。對(duì)于以往所用的漸開(kāi)線形輪齒，由于該種齒輪是靠嚙合運(yùn)動(dòng)的滾齒或插齒加工出來(lái)的，所以在空間上運(yùn)行，如果還采用該種齒廓形狀，加工難度勢(shì)必很大。對(duì)于圓弧齒論，齒輪齒面的承載能力較高，理論上為點(diǎn)接觸，故對(duì)安裝誤差不敏感，并易于跑合，無(wú)根切的最少齒數(shù)限制，并且兩齒面易于形成油楔，潤(rùn)滑條件好。

對(duì)于圖1所示的空間路徑，我們?cè)趯?duì)該傳動(dòng)裝置做傳動(dòng)要求是，重點(diǎn)放在能將運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力從一端傳動(dòng)到另一端，所以嚙合過(guò)程中的傳動(dòng)比可以不必十分精確，為了加工方便，降低加工成本，只要能將運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞過(guò)去就可以了。所以，在設(shè)計(jì)該種齒輪機(jī)構(gòu)時(shí)，空間齒輪按照?qǐng)A弧齒輪的加工方法進(jìn)行加工，而空間齒條的加工就相對(duì)較繁瑣，如圖2所示。

為了加工方便，空間齒條的加工要分段進(jìn)行，目的在于使齒條的形狀盡量簡(jiǎn)單。例如，如果分段后齒條呈直線形狀，則其加工可以按照齒輪齒條的加工原理進(jìn)行加工；如果分段后齒條呈平面曲線形狀，則可以按照內(nèi)、外嚙合的齒輪進(jìn)行加工。比較復(fù)雜的加工是空間曲線段的加工，該段齒條的參數(shù)設(shè)計(jì)可以按照齒輪的設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)定，在加工時(shí)盡量保證齒條上的凹齒軸心線處于鉛垂面上。如果按照齒輪加工方法來(lái)加工這種齒輪上的凸齒，難度比較大，因?yàn)檩嘄X是平頂?shù)男D(zhuǎn)體。所以在設(shè)計(jì)該種齒輪時(shí)，輪體和齒輪采用機(jī)械連接。設(shè)計(jì)輪體的時(shí)候，可以較一般齒輪的厚度稍微大些，這樣可以盡量減小因開(kāi)槽而使結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度降低問(wèn)題的產(chǎn)生。設(shè)計(jì)輪齒時(shí)，可以先把輪齒的齒廓按圓弧形設(shè)計(jì)出來(lái)，然后讓齒廓線沿著自身軸線旋轉(zhuǎn)180 °即可。在輪體和輪齒機(jī)械連接時(shí)還要注意安裝后要保證齒頂高、齒根高、分度圓等參數(shù)，這樣可以盡可能地保證齒輪機(jī)構(gòu)嚙合傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。

這種齒輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)較漸開(kāi)線柱齒鼓形齒輪的設(shè)計(jì)思路簡(jiǎn)單，制造容易，但傳動(dòng)比不能十分精確，相對(duì)來(lái)說(shuō)比較“粗糙”。

在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，我們本著傳動(dòng)精確、可靠、耐用的原則來(lái)設(shè)計(jì)和制造傳動(dòng)裝置。雖然該種傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)和制造乃至安裝都要較傳統(tǒng)的傳動(dòng)裝置復(fù)雜，但是它能夠解決其他裝置不能解決的問(wèn)題—空間曲線運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的傳遞，所以對(duì)該種裝置的理論研究和實(shí)際生產(chǎn)都有較大的社會(huì)價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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