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  • 1 # 使用者2149618505464

    目前所有回答都是錯的,正確答案是『斜齒輪受齒距誤差影響更小、傳動精度更高』,斜齒輪最大優勢是高傳動精度,其次才是『高強度』或『噪音/震動小』。

    即使是直齒輪,透過修形(或簡單地增加齒厚)也能達到『高強度』、透過變位也能達到『噪音/震動小』(端面重合度 = 2 即可,並不需要 3 的斜齒輪)。

    某些情況下(齒面強度低、齒根強度高的設計),斜齒輪的強度甚至還低於直齒輪。

    此外,斜齒輪的製造成本遠高於直齒輪(3 倍以上,特別是斜內齒圈,能做的公司不多),還需要使用角接觸軸承(價格是普通軸承 2~3 倍),絕大多數傳動系統對體積和重量並不敏感(至少不會達到錙銖必較的程度),而傳動精度幾乎是所有傳動系統的第一追求。

    (傳動精度有兩個指標,其一是角度誤差,其二是扭矩誤差,它們本質上是等價的,本文以『扭矩誤差』為主;本回答討論的是直徑不超過 300 mm 的常規齒輪,工業大齒輪不在討論範圍內;關於齒輪製造成本,評論區很多齒輪廠的朋友都發表了自己的看法,但這方面的討論是沒有意義也沒有盡頭的,齒輪和齒輪之間差異極大,要求不同、成本也不同,精密傳動中使用的斜齒輪製造成本確實遠高於直齒輪,但其他用途的齒輪,答主不是特別瞭解,因此不參與討論)

    1. 傳動平穩性很多朋友都提到了斜齒輪能提高傳動平穩性,但這個理解是片面的。

    傳動平穩性主要由線載荷曲線(齒輪齧合時受力變化曲線)決定:斜齒輪典型的線載荷曲線(3D)斜齒輪典型的線載荷曲線(2D)線載荷曲線受很多因素影響(齒厚、材料模量、表面硬化工藝、加工誤差...),齒輪型別(直齒輪/斜齒輪)的影響並不在第一位,甚至,同規格(模數、齒數、齒厚)下,直齒輪的線載荷曲線可能比斜齒輪更平滑:直齒輪典型的線載荷曲線(3D)直齒輪典型的線荷載曲線(2D)對比直齒輪和斜齒輪的傳動平穩性,就像大街上隨便指著一臺寶馬(斜齒輪)和一臺比亞迪(直齒輪)問誰更貴(傳動更平穩),這是沒有意義的,寶馬有低端款、比亞迪有高階款,同價位下寶馬也不一定比比亞迪好(同樣的製造成本下,斜齒輪的線載荷曲線不一定比直齒輪更平滑)。

    任何材料受力時都會形變、受力過程都是漸變的,現代的齒輪接觸分析(TCA,Tooth Contact Analysis)早已打破了“斜齒輪是逐漸受力而直齒輪是瞬間受力”的說法,而國內很多教材還尚未更新。

    純粹從運動平穩性(線載荷曲線平滑度)的角度來看,直齒輪甚至可能做得比斜齒輪還好,斜齒輪在這方面的最大優勢是噪音和震動控制(端面重合度高、模態分析中的諧波共振小)。

    2. 強度即使不用斜齒輪,非標直齒輪依靠修形就能將齒『根』強度提高 50% 以上,詳情請參考:什麼是齒輪修形?齒輪強度有兩個方面,其一是齒『根』強度,其二是齒『面』強度。

    與直齒輪相比,斜齒輪的齒『根』強度更高,但齒『面』強度更低:齒輪副主要引數:1 模 30 齒、輸入扭矩 10 Nm、輸入轉速 4775 RPM、無摩擦。

    直齒輪的齒面應力(左)、齒根應力(右)。

    斜齒輪的齒面應力(左)、齒根應力(右)。

    齒輪直徑、壓力角相同的情況下,齒『根』強度主要由模數和厚度決定,齒『面』強度主要由厚度決定、受模數影響很小。

    因此,斜齒輪適合齒厚餘量較大的齒輪設計,換而言之,斜齒輪需要更大的最小齒厚、斜齒輪往往比直齒輪更厚。

    由此可見,將直齒輪替換為斜齒輪,不一定能提高齒輪強度,某些情況下(齒面強度低、齒根強度高的設計),甚至會降低齒輪強度。3. 傳動精度齒距誤差是衡量齒輪精度的最主要指標(齒距誤差和背隙有一定換算關係,商家更喜歡標背隙而不是齒距誤差,因為背隙的資料更好看,就像寬頻運營商喜歡標 Mbps 而不是 MB),良好設計的齒輪,齒距誤差為 0 的情況下,例如 1 模 30 齒的齒輪副,很容易做到扭矩誤差 < 0.5%(角度誤差 < 0.05度)。但如果有 5 微米(對的,不是 0.05 mm,是 0.005 mm)的齒距誤差,扭矩誤差就會超過 3%,然而 5 微米已經屬於國標 5 級精度了,機械手用的精密減速機通常也只有 5 級精度。齒輪精度等級劃分中,相鄰兩個精度等級一般只差 2~5 微米(依直徑、模數而不同)。如何設計(無加工誤差下)扭矩誤差 < 0.5% 的齒輪?詳情請參考:齒輪設計中如何選擇模數?齒輪傳動中,誤差主要有三大來源(按照誤差影響從小到大排序):設計誤差。標準齒輪很容易達到 3% 以上的扭矩誤差,非標齒輪基本能消除因齒輪設計導致的誤差(扭矩誤差 < 0.1%)。摩擦力。不同工況下,齒面間的摩擦係數是不同的,例如鋼-鋼接觸,有潤滑條件下,摩擦係數在 0.5~0.15 間波動。但優秀的齒輪設計同樣也能消除摩擦力導致的誤差(扭矩誤差 < 0.1%),詳情請參考:如何計算齒輪的摩擦損耗?和滑動係數/滑動率/滑動比/比滑有關嗎?齒距誤差。通常情況下,設計良好的齒輪如果扭矩誤差 > 3%,則其中至少 3% 都是因為齒距誤差造成的...齒輪副主要引數:基於 ISO 53:1998輪廓A 齒形、1 模 45 齒、齒厚 7 mm、齒頂高係數 1.2、齒頂倒圓 0.15 mm、無變位、摩擦係數 0.1、輸入扭矩 10 Nm。考慮 5 微米齒距誤差,如果是直齒輪:輸出扭矩的波動幅度為 0.16(9.78~9.94),波動率為 1.6%。如果是斜齒輪(20 度螺旋角):輸出扭矩的波動幅度為 0.04(9.84~9.88),波動率為 0.4%。其實這對齒輪副已經設計得很好了,若沒有齒距誤差,直齒輪的輸出扭矩波動率只有 0.3%:斜齒輪能更好地消除齒距誤差對精度的影響,原理是摩擦力造成的扭矩波動更小,直齒輪齧合時是直線-直線接觸,斜齒輪齧合時是曲線-曲線接觸,因此摩擦力生效的原理不同。(篇幅考慮,不在此繼續分析直齒輪和斜齒輪齧合的區別)相關內容推薦閱讀無間隙/零背隙/消隙齒輪,有什麼設計方案?齒輪設計中如何選擇模數?什麼是齒輪修形?如何計算齒輪的摩擦損耗?和滑動係數/滑動率/滑動比/比滑有關嗎?塑膠齒輪該用什麼潤滑油?後記最近寫了很多與齒輪設計有關的回答,這篇回答是這個系列倒數第二篇,還有一篇(齒向修形)就完結了。

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