輪齒

齒輪是機械設備的重要基礎零件。埃及、巴比倫早在開始使用齒輪，中國在戰國末期至秦代(公元前221以前)開始使用。亞里士多德()所著的《機械問題》是關於齒輪的最早文獻記載。齒輪應用極廣，其傳動比可高達(單級)，圓周速度範圍為轉速範圍為，最大傳遞功率可達50000kW，低速重載時轉矩高達，高精度圓柱齒輪副的傳動效率可達0.99以上，使用壽命一般為，較好時可達。

齒輪可按齒形、齒輪外形、齒線形狀、輪齒所在的表面和製造方法等分類。

齒輪的齒形包括齒廓曲線、壓力角、齒高和變位。漸開線齒輪比較容易製造，因此現代使用的齒輪中，漸開線齒輪占絕對多數，而擺線齒輪和圓弧齒輪應用較少。

在壓力角方面，小壓力角齒輪的承載能力較小；而大壓力角齒輪，雖然承載能力較高，但在傳遞轉矩相同的情況下軸承的負荷增大，因此僅用於特殊情況。而齒輪的齒高已標準化，一般均採用標準齒高。變位齒輪的優點較多，已遍及各類機械設備中。

另外，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；按製造方法可分為鑄造齒輪、切制齒輪、軋制齒輪、燒結齒輪等。

齒輪的製造材料和熱處理過程對齒輪的承載能力和尺寸重量有很大的影響。20世紀50年代前，齒輪多用碳鋼，60年代改用合金鋼，而70年代多用表面硬化鋼。按硬度，齒面可區分為軟齒面和硬齒面兩種。

軟齒面的齒輪承載能力較低，但製造比較容易，跑合性好，多用於傳動尺寸和重量無嚴格限制，以及小量生產的一般機械中。因為配對的齒輪中，小輪負擔較重，因此為使大小齒輪工作壽命大致相等，小輪齒面硬度一般要比大輪的高。

硬齒面齒輪的承載能力高，它是在齒輪精切之後，再進行淬火、表面淬火或滲碳淬火處理，以提高硬度。但在熱處理中，齒輪不可避免地會產生變形，因此在熱處理之後須進行磨削、研磨或精切，以消除因變形產生的誤差，提高齒輪的精度。

輪齒修緣是齒廓修形的一種，指的是在齒頂附近對齒廓形狀進行有意識的修削。通常是把漸開線齒輪齒頂的一小部分齒廓曲線(分度圓壓力角的漸開線)修成的漸開線。

由於齒輪的齒形及基節等的製造誤差，以及齒輪嚙合時輪齒產生的彈性變形，都會使輪齒進入嚙合時發生瞬時衝擊和干涉而引起傳動雜訊加大，若對齒形進行適當的修緣則有助於減小或避免干涉，使雜訊降低。

輪齒的修緣量是在一定載荷下測得的，通常，輪齒修緣量根據最常用的驅動載荷來確定。修緣量過大會破壞有效工作齒廓，過小則會失去修緣的作用。因此，對於特定的齒輪傳動，最好是通過試驗求得最佳修緣量。

對於中、小模數齒輪，比較合適的修緣量為：齒頂直線方向;齒高方向其中m為齒輪模數)。

輪齒折斷是指齒輪一個或多個齒的整體或其局部的斷裂。它通常是由於輪齒的交變應力超過了材料的疲勞極限所造成。有時，也可能由短時過載所造成。

輪齒折斷大致可分三種情況：疲勞折斷、過載折斷和隨機斷裂。

疲勞折斷是指起源於齒根處的疲勞裂紋不斷擴展所造成的斷齒。這種疲勞裂紋常發生在齒根圓角半徑方向，呈細線狀。疲勞折斷的斷口一般分為疲勞擴展區和瞬時折斷區。疲勞擴展區的表面通常較光滑，常可觀察到由疲勞源開始的“貝殼紋”狀的疲勞擴展跡線。疲勞源及其附近區域，在外觀上常呈“眼”狀，但有的“眼”在宏觀上不明顯。瞬時折斷區的表面粗糙，參差不齊。

疲勞斷齒的基本原因是：輪齒在過高的交變應力多次作用下，從齒根疲勞源起始的疲勞裂紋不斷擴展，使輪齒剩餘截面上的應力超過其極限應力。傳動系統中的動載荷、輪齒接觸不良、齒根圓角半徑過小和齒根表面粗糙度過高、滾切時的拉傷、材料中的夾雜物、熱處理產生的微裂紋、磨削燒傷及其他有害殘餘應力等因素，都會促成輪齒疲勞折斷。

疲勞折斷的對策：修改齒輪的幾何參數、降低齒根表面粗糙度、對齒根進行正確的噴丸處理、增大齒根圓角半徑、對齒根圓角區進行調整以降低齒根危險截面的彎曲疲勞應力，對材料進行適當的熱處理以獲得較好的金相組織，以及儘可能降低有害的殘餘應力等措施均有助於防止疲勞折斷。

隨機斷裂是指不與齒根圓角截面有關的疲勞斷齒，它可以由缺陷或過高的有害殘餘應力所誘發。斷裂部位隨缺陷或過高的有害殘餘應力位置而定。其斷口與一般疲勞折斷的斷口相似。

隨機斷裂通常是由於輪齒缺陷、點蝕或其他應力集中源在該處形成過高局部應力集中引起的。夾雜物、微細磨削裂紋等輪齒缺陷在交變應力作用下不斷擴展導致齒的斷裂。不適當的熱處理所形成的過高有害殘餘應力能引起齒的局部斷裂。較大的異物進入嚙合處也會使局部輪齒產生低周疲勞折斷。

隨機斷裂的對策：在設計時，選擇合理的參數和結構;消除產生過高局部應力集中或過高有害殘餘應力的條件;確保材料的品質；嚴格控制加工工藝過程防止產生各種缺陷和防止硬性異物進入嚙合。

在過大的應力作用下，輪齒材料因屈服產生塑性流動而形成齒面或齒體的塑性變形。它一般多發生於硬度低的齒輪上，但在重載作用下，硬度高的齒輪上也常發生。

輪齒在嚙合過程中，其齒面表層的塑性變形是沿其摩擦力的方向產生的，如由於主動輪齒上所受的摩擦力是背離相對滑動速度為零的節線分別朝向齒頂及齒根作用的，故產生塑性變形后，齒面沿節線處就形成溝槽；而從動輪齒上所受的摩擦力則是分別由齒頂及齒根朝向節線作用的，故產生塑性變形后，齒面沿節線處就形成脊棱(如圖1所示)。

這種損傷是由齒廓嚙合干涉造成的。其特徵是齒頂部，尤其是齒根部有明顯的金屬移動痕迹。齒根部挖出溝槽，齒頂部被滾圓。通常，干涉損傷可引起齒面磨損、塑性變形、膠合甚至導致輪齒折斷。

嚙合參數設計不合理、加工齒形誤差過大、安裝中心距過小、工作中熱變形過大等，都可造成輪齒不正常嚙合而引起干涉損傷。相嚙合的輪齒頂部和根部載荷過大或嚙合過緊，有可能使潤滑油膜失效，造成齒頂、齒根部金屬急劇移動，導致整個齒面損傷。

避免輪齒干涉損傷可採取下列對策：應在設計和加工過程中，從輪齒幾何形狀，切削刀具以及製造安裝等方面加以避免。選擇適當的潤滑油和冷卻措施也是有效的。