电机制造业:如何设计出高精度等级的小模数齿轮?

直径节距大于等于20或模数小于等于1.25的齿轮称为小节齿轮或小模数齿轮，这些齿轮的设计有自己的特殊性，小齿距齿轮的制造公差和操作条件比大齿距齿轮相对严格。制造公差包括齿轮公差（齿尖直径、齿径、齿径、齿厚），壳体中心距公差以及允许齿轮轴偏移公差。操作条件包括齿轮壳体和轴在载荷下的挠度，环境温度引起的齿轮传动部件热膨胀或收缩（特别是对于不同材料）以及影响塑料件的湿度范围。

对于给定的齿轮精度等级，与大节距齿轮相比，小节距齿轮相对于齿尺寸的公差要小得多。例如，精度标准AGMA 2000-A88，0.3模数、30齿齿轮的Q8级总单齿齿面公差（aka-TTE）为0.036。但对于3.0模块、30齿齿轮为0.110。齿轮尺寸增加了10倍，而TTE只增加了3倍。另一个例子，根据精度标准ISO 1328-2，中径在20至50毫米之间、模数在0.5至2.0之间的齿轮的8级跳动公差为0.032，齿轮节圆直径和齿径（模数）可以相应地变化2.5倍和4倍，但跳动公差保持不变。这就解释了为什么变速箱壳体中心距的给定公差容易被大节齿轮吸收，不会出现中心距离在其最大值时有小于1的接触比或完全分离的小间距。

不同材料齿轮和壳体的工作温度范围加剧了这一问题，例如，铝外壳内的钢制小节距齿轮可以在环境温度下正常工作，但在高工作温度下，由于外壳膨胀较大，中心距离将增加，小节距齿轮可能分离。当小节距塑料齿轮位于铝壳中时，则会出现相反的问题。在低温下，小节距塑料齿轮变小，可能会分离；在高温下，它们比外壳加速膨胀，可能会卡住。一些齿轮聚合物，如尼龙，对湿度敏感，它们在干燥条件下较小，在高湿度会膨胀。

机加工齿轮的设计应具有相当高的精度，以最小化关键齿轮公差，如齿尖直径、齿厚和跳动公差。有些齿轮成形制造技术，如粉末金属加工和注塑成型，并不总是能做到这一点。如有可能，尽量减少壳体中心距公差和轴承或衬套间隙。

最大化齿轮齿的尺寸，例如，将0.2模数20齿齿轮替换为0.4模数10齿齿轮，齿的啮合齿数应根据所需的传动比而改变，这也会增加轮齿弯曲强度。对于标准齿轮，应采用pp正齿顶高修正（x-shift），以避免低齿数齿轮根圆角咬边。

具有20度或14.5度压力角和齿顶高系数1.0的标准齿轮齿比适用于商业应用的大节距齿轮，在许多情况下，它们不适合于小节距齿轮。应用非标准齿轮齿比是小节距齿轮的有效替代方法，有效渐开线齿廓的长度应增加，使齿尽可能长，需避免尖头，构建根部圆角，避免干涉。长齿适合在任何公差组合下适应中心距偏差，推荐的工作压力角范围为20-25度，齿尖半径或倒角应最小化。

上图显示了有无齿顶修改的标准齿轮啮合和非标准齿轮啮合的示例，齿轮；A-标准（压力角20°、X-shift为0和0、接触比1.08）、B-标准（压力角20°、X-shift为 0.5和-0.5、接触比1.40）、C-非标准（压力角22.5°、接触比1.70）

结论

齿轮设计完成后，应通过公差和（如有必要）热分析进行验证，这种分析定义了临界齿轮啮合参数、接触比的最小/最大值、正常齿隙、极端公差组合的根径向间隙和操作条件。采用钢制外齿轮和铝壳，最大接触比和最小、正常齿隙和根径向间隙值在最小工作温度、最小中心距离、最大齿厚和齿尖直径、以及当最大跳动减小有效中心距离时实现。然后，在最大运行温度、最大中心距离、最小齿厚和齿尖直径，以及当最大行程增加有效中心距离时，实现最小接触比和最大正常齿隙和根径向间隙值。