人字齿轮及其加工方法

王清辉， 李治平

（天津市祥威传动设备有限公司，天津 300380）

0 引言

齿轮机构是机械传动中最重要、应用最广泛的一种传动形式，其优点是能保证传动比恒定不变，能传递足够大的动力；运动精度和传动效率高，工作可靠，寿命长，结构紧凑［1］。根据相啮合齿轮轴线的相对位置关系，分为平行轴齿轮传动（圆柱齿轮传动）、相交轴齿轮传动（锥齿轮传动）和交错轴齿轮传动（如准双曲面齿轮）；根据齿廓的形状分为渐开线圆柱齿轮、摆线圆柱齿轮、圆弧圆柱齿轮和双圆弧圆柱齿轮等。考虑承载能力的大小、加工制造的难易程度和对中心距偏差的敏感性等因素，渐开线齿形比摆线、圆弧线或其他一些齿形具有更多的优越性，因此，我们在工程中广泛应用的是渐开线圆柱齿轮。渐开线圆柱齿轮传动包含直齿圆柱齿轮传动、斜齿圆柱齿轮传动和人字齿圆柱齿轮传动三种。

1 渐开线齿廓曲面的形成

当一直线在一圆周上做纯滚动时，该直线上任一点的轨迹称为该圆的渐开线；按照渐开线的形成原理，我们来生成齿轮的渐开线曲面。当一平面在一圆柱（即基圆柱）上做纯滚动时，该平面上与任意条直线的轨迹称为该圆柱的渐开线曲面，当平面上的直线与基圆柱轴线平行时，就产生了直齿轮圆柱齿轮的齿廓曲面；当平面上的直线与基圆柱轴线成一角度β（螺旋角）时，就产生了斜齿轮圆柱齿轮的齿廓曲面。

2 人字齿轮传动的优点

人字齿轮是指把一个齿轮做成结构对称的、螺旋角方向相反的一对斜齿轮。

圆柱齿轮传动的一大优点就是传动的平稳性，平稳传动前提是要保证传动的连续性，即前一对轮齿脱离啮合之前，后一对轮齿就应开始进入啮合。当前一对轮齿的啮出与后一对轮齿的啮入同时发生时称齿轮传动的重合度ε=1，理论上讲，此时就保证齿轮的连续传动，但考虑齿轮制造和安装中的误差，应使重合度ε＞1。重合度ε值的增大，不仅可以提高齿轮传动的平稳性，还可以提高齿轮传动的承载能力。

从这一特性来看，斜齿圆柱齿轮传动要比直齿圆柱齿轮传动更有优势，传动更加平稳。因为斜齿轮除了具有直齿轮的端面重合度εα外，还具有其特有的纵向重合度εβ。

式中：εγ为斜齿轮啮合重合度；b为齿轮齿宽；mn为齿轮法向模数；β为齿轮螺旋角。

由式（2）可知，εβ始终是大于0的值，且随着齿宽和螺旋角的增大而增大，在理论上，齿轮螺旋角β和齿宽b都没有限制，从而使斜齿轮的重合度可以达到很大的数值，但实际应用中，由于制造设备的限制、自身结构的限制和传动系统受力的限制等因素，齿宽和螺旋角不可以不受限制地增大。一般情况下，斜齿轮的螺旋角取值为8°～17°，齿宽b满足b≥0.9π·mn/（sinβ）。

为了得到更大重合度的齿轮传动，人字齿圆柱齿轮传动应运而生，因其克服了斜齿圆柱齿轮传动缺点，即随着螺旋角的增大，传动时引起的轴向力也相应地增大，影响整个传动系统平稳性。人字齿圆柱齿轮有效地解决了这一问题，由于人字齿圆柱齿轮的一部分齿宽为左螺旋齿，另一部分为右螺旋齿，其两部分轮齿的左、右螺旋角大小相等，方向相反，刚好自我抵消了传动时产生的轴向力因此不会随着螺旋角的增大而对传动系统产生不利影响，人字齿圆柱齿轮的传动比斜齿圆柱齿轮的传动更加平稳、安静。一般而言螺旋角取25°～40°，但其缺点是制造比较困难，特别是对齿轮的制造精度要求较高时更为明显。

3 人字齿轮加工

由于人字齿轮结构上的特殊性，使其加工较普通的斜齿轮要复杂一些，对于设备的要求也比斜齿轮加工的设备要求高。技术要求方面除了要满足斜齿轮的精度要求外，还对左、右齿轮齿槽延长线交点位置（后文称人字齿轮中线）有要求，通常该交点要在齿轮两定位端面的中线上。这也是人字齿轮加工的一个难点，下面介绍几种常见的加工方法。

3 .1 软齿面齿轮（啮合齿轮副的齿面硬度小于350 HB）

对于软齿面齿轮较常见的加工方法有仿形法加工和展成法加工。

1）仿形法是指采用数控加工中心机床并配以指形铣刀进行铣削加工。此种加工方法齿轮的精度受刀具影响较大，齿轮齿部的精度较低，通常能达到DIN8级左右的精度，但人字齿轮中线位置较准确，整体的加工效率也较低。

2）展成法是指采用数控滚齿机进行滚削加工。其中，滚齿机控制软件若带有人字齿轮加工功能可采用人字齿加工程序进行加工，对于人字齿轮中线位置比较容易保证，关键是将齿轮加工的安装高度输入准确即可；若不带有人字齿轮加工功能，则需要在加工前对左、右旋的两齿轮齿面上进行划线，以此确定出人字齿轮中线的位置，然后分别根据划线位置对刀进行左、右齿轮的滚削加工，此方法加工出的人字齿轮中线位置不容易保证，需要由划线的精度和对刀的准确性共同决定；整体来讲采用滚削方法生产出的齿轮齿部精度较高（可达到DIN7级），其加工效率也比较高。

3.2 硬齿面齿轮

硬齿面齿轮通常是对齿轮材料进行渗碳或者是渗氮处理，使得齿轮的表面硬度在60 HRC左右，齿轮若进行渗氮处理需要在热处理前将加工完齿部，其加工方法与软齿面齿轮相同；齿轮若进行渗碳处理需在热处理后加工完齿部，其加工方法通常是磨齿加工，磨齿时可以对人字齿中心线进行调整，由于滚齿留量有限，因此人字齿中心线调整量有限，人字齿中心线的位置由热处理前的加工精度决定，但采用磨齿加工的齿轮精度可达到DIN5级以上。目前，拥有这样加工能力的企业并不多。

4 结语

由于人字齿轮具有自动抵消轴向力的特性，因此增大螺旋角对整个传动系统的受力没有影响，但另一方面较大的螺旋角可以得到较大的重合度，使得传动更加平稳。采用人字齿轮副的齿轮箱具有传动平稳、噪声低、体积小、重量轻、传递功率大、使用寿命长的显著特点，具有较高的社会综合效益。可见，人字齿轮传动是齿轮传动机构的一个重要发展方向，需要我们进一步提升现有的制造水平。

［1］ 杨家军，张卫国.机械设计基础［M］.武汉：华中科技大学出版社，2002：91.