第二节
齿轮与齿轮箱的分类

齿轮箱的分类方式有很多，比如可以按照齿轮形状、变速次级、功能用途等分类。在不同的分类方式中，齿轮形状直接影响齿轮轴以及轴承的受力，因此本节仅介绍按照齿轮形状对齿轮箱进行分类的方式。而每种齿轮箱最本质的区别是内部齿轮以及啮合的不同。

一、齿轮的分类

按照齿轮形状和啮合形式分类，齿轮可以分为圆盘形齿轮、蜗轮蜗杆、行星齿轮。圆盘形齿轮两个啮合的齿轮均为圆盘形；蜗轮蜗杆两个啮合的齿轮一个为圆盘形，一个为柱杆形；行星齿轮的啮合位对于一个齿轮是外啮合，另一个是内啮合，通常是一个盘状齿轮和一个中空的圆环形内齿轮啮合。

（一）圆盘形齿轮

根据齿轮齿形的不同，圆盘形齿轮又可以分为圆柱齿轮和锥齿轮。

1.圆柱齿轮

圆柱齿轮是人们最熟悉的齿轮传动设计，其齿轮外形为圆柱形。圆柱齿轮的加工、制造与测量都相对容易控制。

不论齿轮齿形有何不同，圆柱齿轮都用于传递平行轴之间的运动，因此这种动力传输不改变转矩的方向。

按照齿轮齿形的不同，圆柱齿轮又可以划分为直齿圆柱齿轮、斜齿圆柱齿轮、双斜齿圆柱齿轮（人字齿圆柱齿轮）及内啮合圆柱齿轮。

（1）直齿圆柱齿轮 直齿圆柱齿轮啮合如图2-3所示。直齿圆柱齿轮设计简单，加工精度易于控制，同时由于齿轮本身是直齿，因加工精度或者扭曲变形而引起的轴向力无法通过齿轮进行传递，因此可以忽略不计。由此可见，直齿圆柱齿轮的啮合对两侧轴承仅产生径向力，没有轴向力。

（2）斜齿圆柱齿轮 斜齿圆柱齿轮啮合如图2-4所示。与直齿圆柱齿轮相比，斜齿圆柱齿轮运行更加平稳，同时具有更大的承载能力。由于齿形原因，齿轮传动过程中会在轴系上产生轴向力，因此这种啮合对于轴系统的轴承而言既产生了径向力，也产生了轴向力，这样便增加了轴系设计和轴承布置的复杂性。

（3）双斜齿圆柱齿轮 图2-5所示为一对双斜齿圆柱齿轮结构。该齿轮结构具有齿宽大、运行平稳的特点。齿轮运转时，同一根轴上的两个斜齿齿轮产生的轴向力可以相互抵消。但由于加工偏差或者系统挠性等原因，一旦出现螺旋角偏差，则会引起传动不良而造成齿轮箱运转时的轴向振动。

（4）内啮合圆柱齿轮 内啮合圆柱齿轮结构如图2-6所示，该类结构内部小齿轮与外部齿圈之间接触面积更大，因此具有更大的承载能力。但是，内齿圈的加工相对困难，同时轴承配置也相对复杂，多用于行星齿轮轴系统。

2.锥齿轮

锥齿轮，顾名思义，就是形状呈圆锥形的齿轮。这种结构的齿轮啮合中，两个齿轮的轴线方向相交，呈一定角度，因此采用锥齿轮的齿轮箱在传输动力时可以改变传输方向。

锥齿轮按照齿形划分可分为直齿锥齿轮、斜齿锥齿轮和弧齿锥齿轮。

（1）直齿锥齿轮 如图2-7所示，两个直齿锥齿轮啮合，两个齿轮的轴线呈一定角度交叉，齿轮在啮合部位整个齿宽进入或者退出啮合。正是由于这个原因，这种齿轮啮合时会产生较大的噪声，因此也限制了直齿锥齿轮的应用。

从轴承受力的角度而言，直齿锥齿轮啮合既产生轴向力也产生径向力，并且随着齿轮的啮合，有一定的载荷脉动。

（2）斜齿锥齿轮 如图2-8所示，两个斜齿锥齿轮啮合，两个齿轮轴线呈一定角度交叉。斜齿锥齿轮拥有直线型齿根，轮齿通常经过研磨，并且在啮合时轮齿逐渐进入啮合区，啮合平稳，重合度大。其噪声性能优于直齿锥齿轮。

从轴承受力的角度而言，斜齿锥齿轮啮合对轴系统中的轴承既产生轴向力也产生径向力。

（3）弧齿锥齿轮 图2-9所示为一对弧齿锥齿轮啮合，两个齿轮轴的轴线呈一定角度交叉。弧齿锥齿轮的齿根线是曲线型，这样的啮合具有更大的承载能力。弧齿锥齿轮经过研磨后，其噪声性能比直齿锥齿轮和斜齿锥齿轮更好。这种齿轮可以用于重载荷传动的场合，也是应用最普遍的锥齿轮。

从轴承受力的角度而言，弧齿锥齿轮的啮合对轴系统中的轴承既产生径向力也产生轴向力。

（二）蜗轮蜗杆

蜗轮蜗杆齿轮箱内部是通过蜗轮与蜗杆之间的啮合实现传动的。在蜗轮蜗杆齿轮箱中，蜗轮与蜗杆轴线交叉，且两个轴线相距较远。

蜗轮蜗杆齿轮箱传动非常适用于单级减速场合，具有运行平稳、振动小、噪声低等优点。

由于蜗轮蜗杆传动齿间摩擦相对较大，因此蜗轮蜗杆传动的发热量相对较高；同时，其传动效率比圆柱齿轮传动、锥齿轮传动以及行星齿轮传动的效率低。蜗轮蜗杆传动的润滑需要考虑合成润滑剂。

根据蜗轮与蜗杆齿面形式不同，蜗轮蜗杆分为圆弧齿蜗轮与圆柱蜗杆结构、圆柱蜗轮与圆弧齿蜗杆结构、圆弧齿蜗轮与圆弧齿蜗杆结构。

1.圆弧齿蜗轮与圆柱蜗杆结构

圆弧齿蜗轮与圆柱蜗杆啮合如图2-10所示，该传动机构中蜗轮为圆弧状，蜗杆齿面是圆柱状。这种结构是最常用的蜗轮蜗杆传动结构，一般通过齿面硬化以及研磨来提高齿轮的承载能力。同时，蜗杆可以在轴向上自由调整，简化了齿轮箱轴承的布置与安装。

从轴承受力角度看，这种结构的蜗轮、蜗杆轴上的轴承都会承受轴向力和径向力。

2.圆柱蜗轮与圆弧齿蜗杆结构

圆柱蜗轮与圆弧齿蜗杆啮合如图2-11所示，该传动机构中蜗轮的齿面是平面（蜗轮轮廓为圆柱），蜗杆齿面为圆弧状。

3.圆弧齿蜗轮与圆弧齿蜗杆结构

圆弧齿蜗轮与圆弧齿蜗杆啮合如图2-12所示，蜗轮与蜗杆的齿面皆为圆弧状。

（三）行星齿轮

从齿轮啮合角度看，行星齿轮多数为圆柱齿轮啮合，所不同的是行星齿轮的轴被静止机架支撑而行星轮围绕其旋转，因此这个结构又被称作周转轮系结构。

图2-13所示为最简单的行星齿轮结构，图中Z为太阳轮，P为行星轮，H为空心轮架，S为行星架。

太阳轮旋转时，驱动行星轮在空心轮架与太阳轮之间旋转。此时行星轮的旋转既有自转也有公转。其中，行星轮的公转通过行星架传递出去成为输出轴的转速。

近些年，行星齿轮传动被广泛应用于风力发电机齿轮箱中。

行星齿轮传动具有如下优点：

1）体积小，结构紧凑，自重轻，承载能力大。在相同载荷条件下，行星齿轮传动的外轮廓尺寸和质量为普通齿轮传动的25%～50%。

2）传动效率高。行星齿轮传动结构具有对称性，有利于提高传动效率。一般行星齿轮的传动效率可高达0.97～0.99。

3）传动比大。如果行星齿轮仅仅用作传递运动，那么其传动比可高达几千。并且即便在传动比很大时，行星齿轮仍可以保持结构紧凑、自重轻、体积小的特点。

4）运行平稳，抗冲击和振动。一般行星齿轮箱都会采用数个相同的行星轮在太阳轮周围均匀分布，这样可以使行星轮与行星支架受力平衡，并且参与啮合的齿数较多，因此行星齿轮运动相对平稳，抗冲击能力强，运行更加可靠。

行星齿轮也有其缺点：结构复杂，生产制造相对困难；难于检验；维修、保养困难。

二、齿轮箱的分类

齿轮箱的设计就是根据不同工况将不同的啮合方式进行组合，从而形成不同的齿轮箱类型。

按照齿轮箱使用的齿轮形状划分，齿轮箱分类如图2-14所示。按照传动级数，齿轮箱又可以分为单级、双级、三级齿轮箱。常见的单级、双级、三级齿轮箱结构如图2-15～图2-17所示。