4.2 齿轮结构设计与工艺性实例分析
4.2.1 齿轮结构设计常见错误及其改进
实例4-1
①原设计实例及结构特点 如图4-1（a），由图可见x=3mm<2.5m=2.5×2=5mm，齿轮强度比较差，寿命短。为了避免这种情况，应将齿轮与轴制成一体。
②改进后齿轮结构设计特点 改进后的齿轮轴如图4-1（b）所示，可以完成与改进前齿轮相同的任务，但强度却明显增强。
图4-1 采用齿轮轴结构
③工艺性分析对比 应该合理设计齿轮结构。如果从齿根到键槽底部的距离x≤2.5m（m为齿轮模数）时，应将齿轮与轴制成一体。但是如果齿轮顶圆直径比轴径大得多，应将齿轮与轴分开，因为独立的齿轮加工方便，生产效率高，且安装简单快捷，实用性比齿轮轴更广泛。
实例4-2
①原设计实例及结构特点 金属与非金属材料齿轮的啮合，如图4-2（a），非金属材料小齿轮宽度小于大齿轮宽度，这样会导致运行中小齿轮出现凹坑。
②改进后齿轮结构设计特点 如图4-2（b），非金属材料小齿轮的齿宽比大齿轮的尺宽小，避免出现凹坑。
图4-2 非金属材料小齿轮的结构
③工艺性分析对比 对于高速、轻载及精度不高的齿轮传动，为了降低噪声，常用非金属材料，如夹布塑胶、尼龙等做小齿轮，大齿轮仍用钢和铸铁制造。金属与非金属材料齿轮的啮合时，应合理确定相啮合齿轮的宽度。
实例4-3
①原设计实例及结构特点 金属材料齿轮的啮合如图4-3（a），金属材料小齿轮的齿宽比大齿轮的齿宽小些，啮合运行不稳定、易磨损。
②改进后齿轮结构设计特点 若改为图4-3（b），则啮合稳定、工作可靠。
图4-3 金属材料小齿轮的结构
③工艺性分析对比 金属材料齿轮啮合时，金属材料小齿轮的齿宽应比大齿轮的齿宽大些，此时啮合运行稳定、可靠。
如果相互啮合的两个齿轮都是金属材料制成的，为了安装方便和在齿轮运行过程中不发生阶梯磨损，在一般情况下应使小齿轮的齿宽比大齿轮齿宽大5～10mm。
实例4-4
①原设计实例及结构特点 金属斜齿轮的啮合如图4-4（a），金属斜齿轮的齿宽相等，安装不方便，齿轮的运行过程中极易发生阶梯磨损，破坏齿轮间的啮合，严重影响转速，影响减速效果。
②改进后齿轮结构设计特点 如图4-4（b），使小齿轮的齿宽比大齿轮齿宽大5～10mm。
图4-4 金属材料斜齿轮的结构
③工艺性分析对比 齿轮啮合时，若小齿轮的齿宽比大齿轮齿宽大，可以方便安装，齿轮运行过程中不易发生阶梯磨损，同时不影响轴的转速和减速效果。
实例4-5
①原设计实例及结构特点 如图4-5（a），斜齿轮轴向力指向不利于齿轮的轴向固定，影响传动准确性，螺旋角方向应使齿轮轴向力指向轴肩。
②改进后齿轮结构设计特点 若改为图4-5（b），则可以保证斜齿轮在转向不变的前提下改变轴向力，使之指向轴肩且由轴肩直接承受。
图4-5 合理确定斜齿轮的轴向力
③工艺性分析对比 应该合理确定斜齿轮的轴向力。在斜齿轮传动中，两个相啮合的齿轮上会产生一对方向相反的轴向力。对于单斜齿轮啮合传动，只要旋转方向不变则轴向力的方向各自一定，因此，将单个斜齿轮固定在轴上时应使齿轮轴向力指向轴肩。
实例4-6
①原设计实例及结构特点 图4-6（a）为受机械压力的中间齿轮，“1”处采用角缝焊接，轮毂在受径向力和轴向力的时候容易产生应力集中，影响结构的稳定性与寿命。
②改进后齿轮结构设计特点 将其改为图4-6（b）后，“1”处开双V坡口，可降低应力集中，提高焊接强度。
图4-6 齿轮组件的焊接结构
③工艺性分析对比 受机械压力的中间齿轮受径向力和轴向力的综合作用，应考虑由此产生的应力集中，合理地进行齿轮组件焊接结构设计及焊缝形式布置。
实例4-7
①原设计实例及结构特点 如图4-7（a）齿轮装配结构，轴承4的孔径D比齿轮5的外径d小。
需要先在箱体内装配齿轮，然后再装右轴承。这样的装配很麻烦，应该考虑分组装配。
图中右端轴的套筒过高，也不便于轴承的拆卸。
②改进后结构设计特点 改为如图4-7（b），轴承4的孔径D比齿轮5的外径d大。
图4-7 分组装配的结构
1—圆螺母；2—带轮；3—轴承盖1；4—深沟球轴承；5—齿轮；6—箱体；7—轴承盖2
可以预先将轴和右轴承作为一个整体安装上去，装配更加方便。
③工艺性分析对比 设计装配部件时应考虑分组装配的可能性，如可以预先将轴和一边轴承作为一个整体安装上去，再装配另一轴承及其他结构，可以使装配更加方便。
实例4-8
①原设计实例及结构特点 如图4-8（a）齿轮传动结构，装配时直接将齿轮装配在箱体上，这样不仅装配时不方便，拆卸时也很麻烦；带轮给齿轮传递的载荷再由齿轮传递给轴，而轴只有一个支撑点，工作稳定性不好。
②改进后结构设计特点 改为图4-8（b），将齿轮组作为单独的齿轮箱，则便于分别装配及维修，提高装配效率及装配工艺性。另外，轴有了两个支撑点，工作稳定、可靠。
图4-8 齿轮组作为单独齿轮箱的结构（一）
③工艺性分析对比 齿轮箱装配时，为了方便安装、拆卸和维修，常将一部分零件组成一个装配的单元。
实例4-9
①原设计实例及结构特点 如图4-9（a）齿轮装配结构，由于轴承孔直径85mm选得比齿轮外径95mm小，所以必须在箱体内装配齿轮，然后再装右边轴承。又因为带轮轮辐是整体无孔的，需要先装左边端盖后才能安装带轮。因此，在设计装配件时，要考虑到它们分组装配的可能性。装配轴承时应考虑对其的拆卸方便性，右端轴的套筒过高，不便于轴承的拆卸。
②改进后结构设计特点 改为图4-9（b），则便于装配，因为轴承孔85mm比齿轮外径80mm大。可把预先装在一起的轴和轴承作为整体安装上去。并且为了拧紧左边轴承盖的螺钉，在带轮轮辐上开了一些孔。轴承与轴套装配时，为了便于轴承的拆卸，轴套的外径应低于轴承内圈的外径。
图4-9 齿轮组作为单独齿轮箱的结构（二）
③工艺性分析对比 在设计组件装配时，应考虑到它们分组装配的可能性。如装配轴承时应考虑拆卸的方便性，轴承固定时的可靠性及其他零件对装配的影响。
实例4-10
①原设计实例及结构特点 如图4-10（a）齿轮与轴连接结构，齿轮与轴连接用楔键是错误的。由于楔键本身的斜度会造成轴与轮毂的不同心，会产生轴和齿轮不同轴度和齿轮对轴的歪斜，使载荷集中系数增加，降低齿轮传动寿命。
②改进后结构设计特点 改为图4-10（b）齿轮与轴连接结构，用平键连接轴和齿轮，解决了以上的问题。
图4-10 齿轮与轴连接的结构
1—楔键；2—平键；3—齿轮
③工艺性分析对比 由于楔键本身的斜度会造成轴与轮毂的不同心，会产生轴和齿轮不同轴度及齿轮对轴的歪斜等缺陷，致使载荷集中系数增加，降低齿轮传动寿命。因此，齿轮与轴的装配尽量不用楔键连接。
4.2.2 圆柱齿轮结构设计错误及其改进
实例4-11
①原设计实例及结构特点 如图4-11（a）凸缘齿轮，齿轮轮毂宽度大于齿宽，叠装时如图4-11（b），待加工齿轮侧面之间没有相互贴合，多齿轮叠合加工齿形时易产生振动，影响表面质量和刀具使用寿命。
②改进后齿轮结构设计特点 改进后的结构如图4-11（c），采用两件叠装加工，这样就可以避免因刚度低而产生切齿振动。
如图4-11（a），齿轮轮毂宽度大于齿宽，齿轮加工刚度低，切齿时会产生振动，影响齿面的加工质量。若改为图4-11（d），即轮毂宽度与齿宽相同，滚齿或插齿的切削行程不仅缩短，且可提高工件的刚性，变断续切削为连续切削，生产率高。
图4-11 叠装加工的结构
③工艺性分析对比 大批量生产齿轮时，应采用容易叠装加工的结构，滚齿或插齿加工时轮毂宽度与齿宽相同，提高切削效率。
实例4-12
①原设计实例及结构特点 如图4-12（a）人字齿轮传动，当一对人字齿啮合时会使润滑油挤在人字齿转角处。这样无法保证轮齿得到有效润滑，传动时不仅容易引起噪声而且降低齿轮使用寿命。
②改进后齿轮结构设计特点 可将其改为图4-12（b），人字齿啮合时人字齿转角处的齿部首先开始接触，这样的结构能使润滑油从中间部分向两端流出，保证齿轮得到有效润滑。
图4-12 合理确定人字齿轮的齿向
③工艺性分析对比 当采用人字齿轮传动时要注意选择合理的齿向，否则润滑无效。
实例4-13
①原设计实例及结构特点 图4-13（a）是铸造齿轮的结构，其中齿顶圆直径达到552mm，齿轮呈平辐板结构。
②改进后齿轮结构设计特点 如图4-13（b），辐板设计成倾斜的。
图4-13 合理设计铸造辐板齿轮的结构
③工艺性分析对比 合理设计铸造齿轮毛坯。当齿顶圆直径da=200～500mm时，可采用辐板式结构铸造毛坯。为避免气孔和夹渣，则应将辐板设计成倾斜的。
4.2.3 锥齿轮结构设计需要注意的问题
实例4-14
①原设计实例及结构特点 如图4-14（a），锥齿轮轴向力直接作用在紧固它的螺栓上，这会使运动中的螺栓松动。
②改进后齿轮结构设计特点 若改为图4-14（b），使锥齿轮轴向力作用到支撑它的支撑面上，设计合理。
图4-14 组合的锥齿轮结构
③工艺性分析对比 合理设计锥齿轮。由于直齿锥齿轮只受单方向的轴向力，其轴向力始终由小端指向大端，所以组合的锥齿轮结构应注意使轴向力由支承面承受，应使其作用在轮毂或幅板上，而不要作用在紧固它的螺钉或螺栓上，避免螺钉或螺栓受到拉力的作用。
实例4-15
①原设计实例及结构特点 如图4-15（a），齿轮的轮毂超过了根锥，用切齿刀盘加工时制造难度加大，故该结构不合理。
②改进后齿轮结构设计特点 若改为图4-15（b），使用较短轮毂的齿轮，方便用切齿刀盘高效率加工，结构设计合理。
图4-15 方便用切齿刀盘加工的锥齿轮结构
③工艺性分析对比 锥齿轮的外形常常与齿轮加工方法有关。齿轮的轮毂长度及形状除了考虑强度、刚度及轴的配合要求外还应考虑其加工方法。
实例4-16
①原设计实例及结构特点 如图4-16（a）锥齿轮装配，装配时锥齿轮的啮合位置需要通过反复的修配支撑面来调整，图中没有设置调整零件或调整补偿环。
②改进后结构设计特点 改为图4-16（b），靠修磨调整垫尺寸a和b来保证啮合精度，这样更方便、合理。
图4-16 需要调整锥齿轮相对位置的结构
③工艺性分析对比 两个或几个零件装配后，还需要调整它们之间的工作位置，这要求装配过程中给调整留有一定的空间，以此来保证装配调整的可靠性。
在需要调整零件相对位置的部分，应该设置调整补偿环，以补偿尺寸链误差，便于装配。
实例4-17
①原设计实例及结构特点 如图4-17（a）锥齿轮装配，装配时啮合位置需要通过反复的修配支撑面来调整，图示结构中设置的调整零件不利于装配。
②改进后结构设计特点 改为图4-17（b），采用调整垫片、调整补偿环与调整螺钉配合使用。
图4-17 需要调整零件相对位置的结构
③工艺性分析对比 使用调整垫片、调整补偿环时应考虑测量的方便。
采用调整垫片在测量某些零部件时有时是不方便的。因此，精度要求不太高的部位可以采用调整螺钉代替调整垫片，以省去修磨调整垫片及孔端面的加工；改用螺钉后也方便了对部分零部件的测量。
在精度满足要求的情况下选用调整螺钉要比调整垫片更为方便、合理。
4.2.4 双联齿轮结构设计需要注意的问题
实例4-18
①原设计实例及结构特点 如图4-18（a）所示双联齿轮结构，结构中有两处不合理之处。其一，要求高频淬火时，齿轮1和2两端面间距应大些；其二，齿轮1和齿轮2的厚度要相近，以防淬火不均匀。
②改进后齿轮结构设计特点 改为图4-18（b），则进行热处理时两齿变形均匀，不会产生太大应力。
图4-18 双联齿轮结构
③工艺性分析对比 双联齿轮结构设计时应考虑两个齿轮端面间要留有一定的距离，两个齿轮的厚度要均匀一致。
实例4-19
①原设计实例及结构特点 图4-19（a）所示齿轮，采用插齿法加工左侧齿轮时无法加工，应给插齿刀留有空刀槽。
②改进后齿轮结构设计特点 改为图4-19（b），即给插齿刀留出空刀槽。
图4-19 插齿法加工左侧齿轮的结构
③工艺性分析对比 当采用插齿加工双联齿轮时，应考虑两齿结构对加工的影响。
实例4-20
①原设计实例及结构特点 如图4-20（a）所示齿轮，滚刀加工齿轮时，大小齿轮端面之间的距离不够大。
②改进后齿轮结构设计特点 若改为图4-20（b），大小齿轮端面之间的距离适当。
图4-20 滚刀加工双联齿轮的结构
③工艺性分析对比 当采用滚齿加工双联齿轮时，应考虑两齿设计结构对加工带来的影响。滚刀加工双联齿轮时，若大小齿轮端面之间的距离不够大，会导致滚刀在加工一齿轮端面时碰到另一齿轮端面而产生干涉，因此大小齿轮端面之间的距离应足够大，以免碰刀。