齿轮传动及其在门座起重机的运用

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：齿轮传动是利用两齿轮的轮齿相互啮合传递动力和运动的机械传动。齿轮传动根据齿廓形式不同，有渐开线齿轮传动、摆线齿轮传动、圆弧齿轮传动等。图2－21齿轮传动的类型图2－21齿轮传动的类型齿轮材料及其热处理齿轮材料及其热处理是影响齿轮承载能力和使用寿命的关键因素。门座起重机的回转机构就是通过大型齿轮传动实现扩大货物的装卸范围的。

齿轮传动是机械传动中最重要的一种传动形式，各种机械设备几乎都离不开齿轮传动，包括汽车、飞机、发电设备等。齿轮传动是利用两齿轮的轮齿相互啮合传递动力和运动的机械传动。在平时的学习过程中及后续的工作中，要学会相互配合，团结合作，发挥所长，才能顺利完成任务，共同进步。

（1）齿轮传动的类型

通常可按齿轮轴线的相对位置、齿轮啮合的情况、齿轮曲线的形状、齿轮传动的工作条件及齿面的硬度等进行分类。

齿轮传动根据齿廓形式不同，有渐开线齿轮传动、摆线齿轮传动、圆弧齿轮传动等。应用最广泛的是渐开线齿轮传动，其传动的速度和功率范围很大；线速度可达200 m／s；功率可达40 000 kW；传动效率高，一对齿轮可达0.98～0.995；传动比稳定；结构紧凑；对中心距的敏感性小，即互换性好，装配和维修方便；可以进行变位切削及各种修形、修缘，从而提高传动质量；易于进行精密加工。但制造成本较高，需要专门的机床、刀具和测量仪器等。

齿轮传动按其工作条件，可以分为开式齿轮传动和闭式齿轮传动。在开式传动中，齿轮暴露在外界，杂物容易侵入齿轮啮合区域，不能保证良好的润滑，且传动系统精度和刚度都较低，故只适用于低速传动。在闭式传动中，齿轮封闭在刚度很好的箱体内，能保持良好的润滑。

根据传动过程中两个齿轮轴线的相对位置，齿轮传动可分为三类：圆柱齿轮传动、圆锥齿轮传动和蜗杆蜗轮传动。圆柱齿轮传动用于两轴线平行时的传动，圆柱齿轮的轮齿有直齿、斜齿和人字齿三种，如图2－21（a）～图2－21（e）所示。圆锥齿轮传动用于两轴线相交时的传动，如图2－21（f）所示。蜗杆蜗轮传动用于两轴线交错时的传动，如图2－21（g）所示。

图2－21　齿轮传动的类型

齿轮材料及其热处理

齿轮材料及其热处理是影响齿轮承载能力和使用寿命的关键因素。根据齿轮的失效形式，在选择齿轮材料及其热处理时，要综合考虑轮齿的工作条件（如载荷的大小、工作环境等）、加工工艺、材料来源及经济性等因素，使齿轮在满足性能要求的同时具有较低的成本。为了使齿轮能够正常地工作，应满足“齿面要硬，齿芯要韧”的要求，即轮齿表面具有较高的硬度，以增强它的抗点蚀、抗磨损、抗胶合和抗塑性变形的能力；轮齿芯部具有较好的韧性，以增强它承受冲击载荷的能力。

（1）齿轮的材料

齿轮常用的材料有钢、铸铁、非金属材料等。齿轮的常用材料是锻钢，只有当齿轮的尺寸较大（400 mm＜a＜600 mm）或结构复杂不容易锻造时，才采用铸钢。在一些低速轻载的开式齿轮传动中，也常采用铸铁齿轮。在高速、小功率、精度要求不高或需要低噪声的特殊齿轮传动中，可以采用非金属材料齿轮。

1）锻钢

锻钢（包括各种轧钢）的力学性能比铸钢要好，因此齿轮材料首选锻钢。

软齿面齿轮：常用的材料有45、50、40Cr、35SiMn，热处理方法一般是调质或正火处理，其齿面硬度较低，齿面的精加工可以在热处理后进行，以消除热处理变形，保持齿轮的精度，易于跑合，但是不能充分发挥材料的承载能力，广泛应用于对强度和精度要求不太高的一般中低速齿轮传动，以及热处理和齿面精加工比较困难的大型齿轮。

硬齿面齿轮：常用的材料有20Cr、20CrMnTi、38CrMoAl、45、40Cr等，采用渗碳淬火、表面淬火、整体淬火等热处理。硬齿面正逐渐得到广泛使用。

2）铸钢

耐磨性和强度均较好，承载能力稍低于锻钢，常用于尺寸较大（400 mm＜d＜600 mm）且不宜锻造的场合。

3）铸铁

抗弯及耐冲击性较差，主要用于低速、工作平稳、传递功率不大和对尺寸与重量无严格要求的开式齿轮。

4）非金属材料

常用的非金属材料如夹布胶木、尼龙，弹性模量小，在承受相同载荷的情况下，接触应力低，但它的硬度、接触强度和抗弯强度低。常用于高速、小功率、精度不高或要求噪声低的场合。

（2）齿轮热处理

齿轮热处理工艺一般有调质正火、碳渗（或碳氮共渗）、氮化、感应淬火四类。当前总的趋势是提高齿面硬度，渗碳淬火齿轮的承载能力可比调质齿轮高2～3倍。

调质处理通常用于中碳钢和中碳合金钢齿轮。调质后材料的综合性能良好，容易切削和跑合。正火处理通常用于中碳钢齿轮。正火处理可以消除内应力，细化晶粒，改善材料的力学性能和切削性能。

硬齿面齿轮的硬度大于350HBS，故采用的热处理方法是表面淬火、表面渗碳淬火与渗氮。表面淬火处理通常用于中碳钢和中碳合金钢齿轮。经过表面淬火后齿面硬度一般为40～55HRC，这不仅增强了轮齿齿面抗点蚀和抗磨损的能力，而且齿芯仍然保持良好的韧性，故可以承受一定的冲击载荷。渗碳淬火齿轮可以获得很高的表面硬度、耐磨性、韧性和抗冲击性能，能提供高的抗点蚀、抗疲劳性能。

与大齿轮相比，小齿轮循环次数较多，而且齿根较薄。两个软齿面齿轮配对时，一般使小齿轮的齿面硬度比大齿轮高出30～50HBS，使一对软齿面传动的大小齿轮的寿命接近相等，也有利于提高轮齿的抗胶合能力。而两个硬齿面齿轮配对时的大小齿轮的硬度大致相同。

（2）齿轮传动的应用

齿轮已涉足各行各业的多种产品，如图2－22所示。减速器、汽车及门座起重机等均为齿轮传动应用的例子。门座起重机的回转机构就是通过大型齿轮传动实现扩大货物的装卸范围的。