齿轮

齿轮(Gear)是一种机械元件，通常用于传递动力和运动。它由两个或多个轮齿和齿槽组成，被广泛应用于各种设备和机器中，例如汽车、飞机、机床等。齿轮的工作原理是基于摩擦力来实现动力的传递。当两个齿轮相互啮合时，它们的齿廓会相互接触，产生摩擦力，从而实现动力的传递。齿轮的转速和转矩可以通过改变齿数和模数来调整，以满足不同的机械系统要求。，齿轮由轮齿、齿槽、齿根圆、齿顶圆等组成。根据不同的使用场合和要求，齿轮可以有直齿、斜齿、弧齿等不同形状的齿廓。此外，齿轮还可以分为圆柱齿轮和锥齿轮等不同类型。

齿轮的发明可以追溯到古代，但现代齿轮技术的发展则是在工业革命之后。据史料记载，远在公元前400~200年的中国古代就已开始使用齿轮。然而，直到17世纪末，人们才开始研究能正确传递运动的轮齿形状。18世纪，欧洲工业革命以后，齿轮传动的应用日益广泛；先是发展摆线齿轮，而后是渐开线齿轮，一直到20世纪初，渐开线齿轮已在应用中占了优势。其后又发展了变位齿轮、圆弧齿轮、锥齿轮、斜齿轮等等。齿轮行业的未来发展将追求更高的效率、更强的柔性生产能力、更定制化的产品、更环保的生产方式、更智能化的制造、更网络化的生产和更国际化的视野。

简史

齿轮的起源可以追溯到古代。据史料记载，远在公元前400~200年的中国古代就已开始使用齿轮。然而，那时的齿轮设计较为简单，主要用于简单的传动任务，如水力发电、纺织和冶金等领域的机械传动。

随着工业的发展和技术的进步，中世纪时期齿轮的应用逐渐广泛。在这个阶段，齿轮的设计得到了进一步的完善，出现了不同类型和用途的齿轮，如圆柱齿轮、锥齿轮、行星齿轮等。这些齿轮在各种机械设备中得到了广泛应用，如钟表、蒸汽机、纺织机等。

工业革命时期的齿轮发展尤为迅速。18世纪末至19世纪初，工业革命的兴起推动了齿轮技术的快速发展。渐开线齿轮的出现和不断完善是这一时期的重要成果之一，它使得齿轮的传动更加平稳、准确和高效。渐开线齿轮的设计和制造技术逐渐得到了完善和应用，成为现代机械传动的基础之一。除了渐开线齿轮外，这一时期还出现了各种不同类型和用途的齿轮，如直齿圆柱齿轮、斜齿圆柱齿轮、直齿锥齿轮、斜齿锥齿轮等。这些齿轮的设计和制造技术不断得到完善和应用，成为各种机械设备中的重要组成部分。

20世纪以来，随着科技的不断进步和创新，齿轮的设计和制造技术也在不断发展和完善。现代齿轮的应用领域更加广泛，不仅用于传统的机械传动领域，还涉及到汽车、航空航天、新能源等领域。新型材料和新工艺的不断涌现，使得齿轮的性能和质量得到了大幅提高，如高强度、高耐磨性、高精度等。计算机辅助设计和制造技术的引入，使得齿轮的设计和制造更加高效、精确和智能化。通过计算机辅助设计软件，设计师可以更加准确地模拟和分析齿轮的设计和性能，优化其结构和参数。同时，计算机辅助制造技术也使得齿轮的制造更加高效和精确，提高了生产效率和质量。

中国的发展

早在公元前7世纪至前6世纪，中国就开始使用齿轮的机械装置，如周代时期的指南车和汉朝的记里鼓车。这些早期的齿轮装置主要用于指示方向和测量距离，但它们的制造和设计都相对简单。

然而，真正的齿轮制造技术在中国的发展相对较晚。直到20世纪初，随着工业化的进程加速，中国开始引进齿轮制造技术，并逐渐开始了自己的齿轮制造历程。初期，中国的齿轮制造主要依赖于进口设备和原材料，技术和质量水平相对较低。

进入20世纪50年代，随着中国开始大力发展机械制造业，齿轮制造技术得到了快速发展。在此期间，中国的齿轮制造技术得到了很大的提升，开始向高精度、高效率、高可靠性的方向发展。政府对机械制造业的投入也大幅增加，推动了齿轮制造技术的研发和应用。

进入21世纪，中国的齿轮制造技术已经达到了国际先进水平。中国的齿轮制造企业不断壮大，逐渐成为了全球齿轮制造业的重要力量。这些企业不仅具备了大规模的生产能力，还拥有了一批高素质的技术人才和先进的生产设备。同时，中国的齿轮制造企业也在不断提高自身的技术水平和产品质量，以满足国内外市场的需求。如今，中国的齿轮制造行业已经形成了完整的产业链和规模效应，涵盖了原材料采购、零部件制造、总装组装、性能检测等多个环节。企业在不断提高产品性能和质量的同时，还加强了技术创新和研发能力，进一步提升了在国际市场的竞争力。

功能原理

齿轮在系统中主要实现以下功能：

结构

齿轮作为机械系统中不可或缺的一部分，其结构的设计和制造都经过精心的规划和测试。通常由齿轮轮毂、齿面和轮缘三部分组成。

基本分类

按外形特征分类

圆柱齿轮：圆柱齿轮是最常见的齿轮类型，通常用于平行轴之间的传动。它们的形状如同圆柱体，轮齿沿着圆柱体的轴向分布。根据齿向方向的不同，圆柱齿轮又分为直齿和斜齿两种。直齿齿轮的齿向与轴线平行，广泛应用于各个机械领域。斜齿齿轮的齿向与轴线呈一定的角度，能够承受较大的载荷，常用于重载传动。

圆锥齿轮：圆锥齿轮主要用于相交轴之间的传动，它们的形状如同圆锥体，轮齿沿着圆锥体的母线分布。圆锥齿轮通常分为直齿和斜齿两种，与圆柱齿轮的分类相似。圆锥齿轮在传动过程中能够承受较大的扭矩，常用于汽车、航空航天等领域。

蜗轮蜗杆：蜗轮蜗杆是一种特殊类型的齿轮，用于垂直或倾斜轴的传动。蜗轮的齿向呈螺旋形状，而蜗杆的齿向则与之相反。这种类型的齿轮常用于减速或增速传动，如涡轮蜗杆发动机、减速器等。蜗轮蜗杆具有较高的传动效率和自锁性，能够在恶劣的环境下工作。

按材料分类

金属齿轮：金属齿轮通常采用钢、铸铁、黄铜等材料制成。金属齿轮具有较高的强度和耐磨性，适用于各种机械传动需求。根据制造工艺的不同，金属齿轮可分为铸造齿轮、锻造齿轮、切削齿轮等。铸造齿轮通过将熔融的金属倒入模具中冷却而成，具有成本低、生产效率高等优点，但精度较低。锻造齿轮通过将金属坯料加热后进行锻打制成，具有较高的强度和耐磨性，适用于高负载的传动场合。切削齿轮通过切削加工方法制成，精度高且适用范围广，但制造成本较高。

非金属齿轮：非金属齿轮通常采用塑料、木材、玻璃等非金属材料制成。非金属齿轮具有较低的成本和良好的耐腐蚀性，适用于一些特定的传动场合，如塑料齿轮用于轻载低速的场合或者有腐蚀性介质的环境中。非金属齿轮的制造方法也相对简单，如注塑、压制等。

按制造方法分类

切削齿轮：切削齿轮是通过切削加工方法制成的。这种方法可以通过调整切削参数来控制齿轮的精度和形状。切削齿轮适用于批量生产和小型机械中，具有较高的精度和较低的制造成本。切削齿轮的生产效率高，但不适用于大型和复杂形状的齿轮加工。

铸造齿轮：铸造齿轮是通过将熔融的金属倒入模具中冷却而成的。铸造齿轮适用于大型机械和重载传动中，具有成本低、生产效率高等优点。铸造过程中易产生气孔、砂眼等缺陷，导致齿轮强度降低。为了提高铸造齿轮的性能，可以采用精密铸造、压力铸造等方法。

锻造齿轮：锻造齿轮是通过将金属坯料加热后进行锻打制成的。锻造齿轮具有较高的强度和耐磨性，适用于高负载的传动场合。锻造过程中材料的利用率较低，且需要较高的生产设备和工艺技术。为了提高锻造齿轮的性能，可以采用模锻、辊锻等方法。

粉末冶金齿轮：粉末冶金齿轮是通过将金属粉末进行烧结而成的。这种方法可以制造出具有复杂形状和小尺寸的齿轮，适用于一些特殊的传动场合。粉末冶金齿轮具有较高的材料密度和精度，但生产成本较高且易受污染。粉末冶金工艺可用于制造高强度、耐磨性好的齿轮材料。

应用领域

齿轮在各种设备和机械中的应用确实非常广泛，它们在这些设备或领域中发挥着重要的作用并带来特定的价值。以下是一些更加详细的介绍：

汽车工业：在汽车工业中，齿轮的应用非常关键。无论是手动变速箱、自动变速箱还是差速器，齿轮都是实现高效动力传输的核心部件。它们的设计和制造质量直接影响到汽车的加速性能、燃油经济性以及换挡的平顺性。通过精密的齿轮设计，可以实现高效的能量传输，提高汽车的燃油经济性，同时也能确保换挡的准确性和舒适性。

航空航天：在航空航天领域，齿轮被广泛应用于各种机械系统中，如发动机、液压传动系统、飞行控制系统等。由于航空航天设备对精度和效率的要求非常高，因此齿轮的制造需要高度精密的工艺和材料。此外，由于航空航天设备通常需要在极端环境下运行，因此齿轮必须能够承受高速、高温和高负载的工作环境。

能源产业：在能源产业中，风力、水力、火力发电厂以及核电站等都使用了大量的齿轮。这些大型齿轮用于传递巨大的能量，将旋转运动转化为电力。为了确保高效能量传输和设备的长期运行，齿轮的设计和制造需要考虑到材料的强度、耐磨性和耐腐蚀性。此外，对于核电站等高风险设备，齿轮的精度和可靠性也至关重要。

工业机械：在工业机械中，齿轮被广泛应用于各种设备和系统中，如机床、泵、压缩机、轧机等。在这些设备中，齿轮的作用是确保精确的定位、平稳的运动和高效的能量传输。通过使用精密的齿轮设计，可以减少振动和噪音，提高设备的运行精度和稳定性。此外，对于一些高精度设备，齿轮的制造需要高度的精度和耐腐蚀性，以确保设备的可靠性和持久性。

医疗器械：在一些医疗器械中，如旋转式手术器械、牙科用椅等，齿轮作为一种精密的传动元件起着非常重要的作用。在这些应用中，齿轮的制造需要高度的精度和耐腐蚀性，以确保医疗器械的安全性和可靠性。此外，由于医疗器械通常直接接触人体，因此齿轮的设计也需要考虑到舒适性和易用性。

发展趋势

齿轮行业的发展主要趋势包括以下几个方面：

同时，齿轮行业也面临着一些挑战：

材质与工艺

齿轮制造的主要工艺包括铸造、锻造、机加工、磨削等环节。

在材料方面，齿轮常用的材质有低碳钢、中碳钢、中碳合金钢、铸铁等。低碳钢适用于轻载、低速或中速、冲击力小、精度较低的一般齿轮；中碳钢适用于中等载荷和速度的齿轮；中碳合金钢适用于高载荷和高速的齿轮；铸铁适用于低速和大模数的开式传动装置中的齿轮。

其他

齿轮精度

齿轮精度是指对齿轮形状的综合误差所划分的一个等级，其中包括齿形、齿向、径跳等一些重要的参数，其中齿形是指齿的径向形状，齿向是指齿的纵向形状，径跳是指相邻两齿间距离的误差，一般我们汽车用的齿轮可由滚齿机加工完成，6~7级便可使用，而一些印刷机由于需要高速运转和批量印刷，故需要高精度齿轮以减小齿轮累计所造成的误差而使印刷效果下降，而国内生产的磨齿机可加工至4~5级，国外进口的高精度磨齿机可加工至3,~4级，更有一些可以加工至2级。而日本标准DIN 0级相当于中国评判的4级，一般误差以μm为单位，

失效形式

1、齿面磨损

对于开式齿轮传动或含有不清洁的润滑油的闭式齿轮传动，由于啮合齿面间的相对滑动，使一些较硬的磨粒进入了摩擦表面，从而使齿廓改变，侧隙加大，以至于齿轮过度减薄导致齿断。一般情况下，只有在润滑油中夹杂磨粒时，才会在运行中引起齿面磨粒磨损。

2、齿面胶合

对于高速重载的齿轮传动中，因齿面间的摩擦力较大，相对速度大，致使啮合区温度过高，一旦润滑条件不良，齿面间的油膜便会消失，使得两轮齿的金属表面直接接触，从而发生相互粘结。当两齿面继续相对运动时，较硬的齿面将较软的齿面上的部分材料沿滑动方向撕下而形成沟纹。

3、疲劳点蚀

相互啮合的两轮齿接触时，齿面间的作用力和反作用力使两工作表面上产生接触应力，由于啮合点的位置是变化的，且齿轮做的是周期性的运动，所以接触应力是按脉动循环变化的。齿面长时间在这种交变接触应力作用下，在齿面的刀痕处会出现小的裂纹，随着时间的推移，这种裂纹逐渐在表层横向扩展，裂纹形成环状后，使轮齿的表面产生微小面积的剥落而形成一些疲劳浅坑。

4、轮齿折断

在运行工程中承受载荷的齿轮，如同悬臂梁，其根部受到脉冲的周期性应力超过齿轮材料的疲劳极限时，会在根部产生裂纹，并逐步扩展，当剩余部分无法承受传动载荷时就会发生断齿现象。齿轮由于工作中严重的冲击、偏载以及材质不均匀也可能引起断齿。

5、齿面塑性变形

在冲击载荷或重载下，齿面易产生局部的塑性变形，从而使渐开线齿廓的曲面发生变形。

齿轮模数选择

齿轮模数国家标准为GB1357-78。

优先选用模数：0.1mm、0.12mm、0.15mm、0.2mm、0.25mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.8mm、1mm、1.25mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、4mm、5mm、6mm、8mm、10mm、12mm、 14mm、16mm、20mm、25mm、32mm、40mm、50mm；

可选模数：1.75mm、2.25mm、2.75mm、3.5mm、4.5mm、5.5mm、7mm、9mm、14mm、18mm、 22mm、28mm、36mm、45mm；

很少用模数：3.25mm、3.75mm、6.5mm、11mm、30mm；

参考资料

齿轮.西安科普网.2023-12-03

齿轮.e采网.2023-12-04

中国齿轮发展史、现状及趋势.中国知网.2023-12-03

面齿轮制造技术综述及未来发展趋势.中国知网.2023-12-03

齿轮的应用及发展史，长知识!.技术邻.2023-12-03

磁性齿轮的工作原理及其应用.中国知网.2023-12-03

2023年齿轮行业发展趋势分析 2023-2029年中国齿轮市场研究及发展前景预测报告.中国产业调研网.2023-12-04

齿轮的热处理工艺的制作方法.X技术.2023-12-04

齿轮材料.北京正基元齿轮有限公司.2023-12-04