人字齒輪及其加工方法

王清輝， 李治平

（天津市祥威傳動設備有限公司，天津 300380）

0 引言

齒輪機構是機械傳動中最重要、應用最廣泛的一種傳動形式，其優點是能保證傳動比恒定不變，能傳遞足夠大的動力；運動精度和傳動效率高，工作可靠，壽命長，結構緊湊［1］。根據相嚙合齒輪軸線的相對位置關系，分為平行軸齒輪傳動（圓柱齒輪傳動）、相交軸齒輪傳動（錐齒輪傳動）和交錯軸齒輪傳動（如準雙曲面齒輪）；根據齒廓的形狀分為漸開線圓柱齒輪、擺線圓柱齒輪、圓弧圓柱齒輪和雙圓弧圓柱齒輪等。考慮承載能力的大小、加工制造的難易程度和對中心距偏差的敏感性等因素，漸開線齒形比擺線、圓弧線或其他一些齒形具有更多的優越性，因此，我們在工程中廣泛應用的是漸開線圓柱齒輪。漸開線圓柱齒輪傳動包含直齒圓柱齒輪傳動、斜齒圓柱齒輪傳動和人字齒圓柱齒輪傳動三種。

1 漸開線齒廓曲面的形成

當一直線在一圓周上做純滾動時，該直線上任一點的軌跡稱為該圓的漸開線；按照漸開線的形成原理，我們來生成齒輪的漸開線曲面。當一平面在一圓柱（即基圓柱）上做純滾動時，該平面上與任意條直線的軌跡稱為該圓柱的漸開線曲面，當平面上的直線與基圓柱軸線平行時，就產生了直齒輪圓柱齒輪的齒廓曲面；當平面上的直線與基圓柱軸線成一角度β（螺旋角）時，就產生了斜齒輪圓柱齒輪的齒廓曲面。

2 人字齒輪傳動的優點

人字齒輪是指把一個齒輪做成結構對稱的、螺旋角方向相反的一對斜齒輪。

圓柱齒輪傳動的一大優點就是傳動的平穩性，平穩傳動前提是要保證傳動的連續性，即前一對輪齒脫離嚙合之前，后一對輪齒就應開始進入嚙合。當前一對輪齒的嚙出與后一對輪齒的嚙入同時發生時稱齒輪傳動的重合度ε=1，理論上講，此時就保證齒輪的連續傳動，但考慮齒輪制造和安裝中的誤差，應使重合度ε＞1。重合度ε值的增大，不僅可以提高齒輪傳動的平穩性，還可以提高齒輪傳動的承載能力。

從這一特性來看，斜齒圓柱齒輪傳動要比直齒圓柱齒輪傳動更有優勢，傳動更加平穩。因為斜齒輪除了具有直齒輪的端面重合度εα外，還具有其特有的縱向重合度εβ。

式中：εγ為斜齒輪嚙合重合度；b為齒輪齒寬；mn為齒輪法向模數；β為齒輪螺旋角。

由式（2）可知，εβ始終是大于0的值，且隨著齒寬和螺旋角的增大而增大，在理論上，齒輪螺旋角β和齒寬b都沒有限制，從而使斜齒輪的重合度可以達到很大的數值，但實際應用中，由于制造設備的限制、自身結構的限制和傳動系統受力的限制等因素，齒寬和螺旋角不可以不受限制地增大。一般情況下，斜齒輪的螺旋角取值為8°～17°，齒寬b滿足b≥0.9π·mn/（sinβ）。

為了得到更大重合度的齒輪傳動，人字齒圓柱齒輪傳動應運而生，因其克服了斜齒圓柱齒輪傳動缺點，即隨著螺旋角的增大，傳動時引起的軸向力也相應地增大，影響整個傳動系統平穩性。人字齒圓柱齒輪有效地解決了這一問題，由于人字齒圓柱齒輪的一部分齒寬為左螺旋齒，另一部分為右螺旋齒，其兩部分輪齒的左、右螺旋角大小相等，方向相反，剛好自我抵消了傳動時產生的軸向力因此不會隨著螺旋角的增大而對傳動系統產生不利影響，人字齒圓柱齒輪的傳動比斜齒圓柱齒輪的傳動更加平穩、安靜。一般而言螺旋角取25°～40°，但其缺點是制造比較困難，特別是對齒輪的制造精度要求較高時更為明顯。

3 人字齒輪加工

由于人字齒輪結構上的特殊性，使其加工較普通的斜齒輪要復雜一些，對于設備的要求也比斜齒輪加工的設備要求高。技術要求方面除了要滿足斜齒輪的精度要求外，還對左、右齒輪齒槽延長線交點位置（后文稱人字齒輪中線）有要求，通常該交點要在齒輪兩定位端面的中線上。這也是人字齒輪加工的一個難點，下面介紹幾種常見的加工方法。

3 .1 軟齒面齒輪（嚙合齒輪副的齒面硬度小于350 HB）

對于軟齒面齒輪較常見的加工方法有仿形法加工和展成法加工。

1）仿形法是指采用數控加工中心機床并配以指形銑刀進行銑削加工。此種加工方法齒輪的精度受刀具影響較大，齒輪齒部的精度較低，通常能達到DIN8級左右的精度，但人字齒輪中線位置較準確，整體的加工效率也較低。

2）展成法是指采用數控滾齒機進行滾削加工。其中，滾齒機控制軟件若帶有人字齒輪加工功能可采用人字齒加工程序進行加工，對于人字齒輪中線位置比較容易保證，關鍵是將齒輪加工的安裝高度輸入準確即可；若不帶有人字齒輪加工功能，則需要在加工前對左、右旋的兩齒輪齒面上進行劃線，以此確定出人字齒輪中線的位置，然后分別根據劃線位置對刀進行左、右齒輪的滾削加工，此方法加工出的人字齒輪中線位置不容易保證，需要由劃線的精度和對刀的準確性共同決定；整體來講采用滾削方法生產出的齒輪齒部精度較高（可達到DIN7級），其加工效率也比較高。

3.2 硬齒面齒輪

硬齒面齒輪通常是對齒輪材料進行滲碳或者是滲氮處理，使得齒輪的表面硬度在60 HRC左右，齒輪若進行滲氮處理需要在熱處理前將加工完齒部，其加工方法與軟齒面齒輪相同；齒輪若進行滲碳處理需在熱處理后加工完齒部，其加工方法通常是磨齒加工，磨齒時可以對人字齒中心線進行調整，由于滾齒留量有限，因此人字齒中心線調整量有限，人字齒中心線的位置由熱處理前的加工精度決定，但采用磨齒加工的齒輪精度可達到DIN5級以上。目前，擁有這樣加工能力的企業并不多。

4 結語

由于人字齒輪具有自動抵消軸向力的特性，因此增大螺旋角對整個傳動系統的受力沒有影響，但另一方面較大的螺旋角可以得到較大的重合度，使得傳動更加平穩。采用人字齒輪副的齒輪箱具有傳動平穩、噪聲低、體積小、重量輕、傳遞功率大、使用壽命長的顯著特點，具有較高的社會綜合效益。可見，人字齒輪傳動是齒輪傳動機構的一個重要發展方向，需要我們進一步提升現有的制造水平。

［1］ 楊家軍，張衛國.機械設計基礎［M］.武漢：華中科技大學出版社，2002：91.