齿轮箱技术专题培训 广东机电职业技术学院

齿轮箱是一种动力传达机构，它可将电动机的 转数转换到所要的转数，并能改变转矩。在目前用 于传递动力与运动的机构中，齿轮箱的应用范围相 当广泛。几乎在各式机械的传动系统中都可以见到 它的踪迹，从交通工具的船舶、汽车、机车，建筑 用的重型机械，机械工业所用的加工机器及自动化 生产设备，到日常生活中常见的家电，钟表等等.其 应用从大动力的传输工作，到小负荷，精确的角度 传输都可以见到齿轮箱的应用。因此广泛应用在速 度与扭矩的转换设备。 作为机械类行业的工作人员有必要熟悉齿轮箱的结构与工作原理，本培训是为了解齿轮箱的结构、工作原理及常见故障等，对于详细的齿轮箱故障分析也在这一培训中予以介绍。

内容 了解齿轮箱的功能、类别及特点 了解齿轮箱各组成零件的结构及功用，并分析其结构工艺性 了解齿轮箱中零件的装配关系及安装、调整过程 学习齿轮箱的基本参数测定方法 了解轴承和齿轮的润滑 PdM-振动分析知识交流课堂

齿轮箱，又名变速箱，是一种动力传达机 构，通过不同齿数的齿轮啮合，将马达的转 数转换到执行设备需要的转数，并能改变转 矩的机构。 一、齿轮箱的基本知识 1、定义： 齿轮箱，又名变速箱，是一种动力传达机 构，通过不同齿数的齿轮啮合，将马达的转 数转换到执行设备需要的转数，并能改变转 矩的机构。 齿轮箱是直接影响机械系统的性能的重要组成部分。齿轮齿轮箱是把机械传动中的原动机和工作机或执行机构联接起来，通过不同齿形和齿数的齿轮以不同级数传动，实现定传动比减速（或增速）和起匹配转速和传递扭矩的作用。

2、作用： a、加速减速,就是常说的变速齿轮箱。 b、改变传动方向，例如我们用两个扇形齿轮可以将力垂直传递到另一个转动轴。 c、改变转动力矩。同等功率条件下，速度转的越快的齿轮,轴所受的力矩越小，反之越大。 d、离合功能：我们可以通过分开两个原本啮合的齿轮,达到把发动机与负载分开的目的。比如刹车离合器等。 e、分配动力。例如我们可以用一台发动机，通过齿轮箱主轴带动多个从轴，从而实现一台发动机带动多个负载的功能。

3、齿轮箱分类： a、按齿轮形状分类 圆柱齿轮齿轮箱 齿轮齿轮箱 圆锥齿轮齿轮箱 圆锥—圆柱齿轮齿轮箱 圆柱蜗杆齿轮箱 圆弧齿蜗杆齿轮箱 锥蜗杆齿轮箱 蜗杆—齿轮齿轮箱 渐开线行星齿轮齿轮箱 行星齿轮箱 摆线齿轮齿轮箱 谐波齿轮齿轮箱

b、按变速次数分类

4、特点： a、齿轮箱采用通用设计方案，可按客户需求变型为行业专用的齿轮箱。 b、实现平行轴、直交轴、立式、卧式通用箱体，零部件种类减少，规格型号增加。 d、输入方式：电机联接法兰、轴输入。 c、采用吸音箱体结构、较大的箱体表面积和大风扇、圆柱齿轮和螺旋锥齿轮均采用先进的磨齿工艺，使整机的温升、噪声降低、运转的可靠性得到提高，传递功率增大。 e、输出方式：带平键的实心轴、带平键的空心轴、胀紧盘联结的空心轴、花键联结的空心轴、花键联结的实心轴和法兰联结的实心轴。 f、齿轮箱安装方式：卧式、立式、摆动底座式、扭力臂式。

5、传动比： 下图齿轮系中Z1=20，Z2=40，Z3=20，Z4=60，传动比i14

齿轮箱的结构随其类型和要求不同而异，其基本结构由箱体、轴 系零件和附件三部分组成。 1．箱体结构 齿轮箱的箱体用来支承和固定轴系零件，应保证传动件轴线相互位置 的正确性，因而轴孔必须精确加工。箱体必须具有足够的强度和刚度 ，以免引起沿齿轮齿宽上载荷分布不匀。为了增加箱体的刚度，通常 在箱体上制出筋板。 为了便于轴系零件的安装和拆卸，箱体通常制成削分式。剖分面一般 取在轴线所在的水平面内（即水平剖分），以便于加工。箱盖和箱座 之间用螺栓联接成一整体，为了使轴承座旁的联接螺栓尽量靠近轴承 座孔，并增加轴承支座的刚性，应在轴承座旁制出凸台。设计螺栓孔 位置时，应注意留出扳手空间。

水平剖分

如图为单级圆柱齿轮齿轮箱，现结合该图简要介绍一下齿轮箱的结构。

图中高速级的小齿轮直径和轴的直径相差不大，将小齿轮与轴制成一 体。大齿轮与轴分开制造，用普通平键作周向固定。轴上零件用轴肩 ，轴，封油环与轴承端盖作轴向固定。两轴均采用角接触轴承作支承 ，承受径向载荷和轴向载荷的联合作用。轴承端盖与箱体座孔外端面 之间垫有调整垫片组，以调整轴承游隙，保证轴承正常工作。 该齿轮箱中的齿轮传动采用油池浸油润滑，大轮齿的轮齿浸入油池中 ，靠它把润滑油带到啮合处进行润滑。滚动轴承采用润滑脂润滑，为 了防止箱体内的润滑油进入轴承，应在轴承和齿轮之间设置封油环。 轴伸出的轴承端盖孔内装有密封元件，对防止箱内润滑油泄漏以及外 界灰尘、异物浸入箱体，具有良好的密封效果。

（1）观察孔盖板： 为了检查传动零件的啮合情况，并向箱体内加注润滑油， 在箱盖的适当位置设置一观察孔，观察孔多为长方形，观察 孔盖板平时用螺钉固定在箱盖上，盖板下垫有有纸质密封垫 片以防漏油。 （2）通气器： 通气器用来沟通箱体内、外的气流，箱体内的气压不会因 齿轮箱运转时的油温升高而增大，从而提高了箱体分箱面、 轴伸端缝隙处的密封性能，通气器多装在箱盖顶部或观察孔 盖上，以便箱内的膨胀气体自由溢出。

（3）油面指示器 为了检查箱体内的油 面高度，及时补充润滑油 ，应在油箱便于观察和油 面稳定的部位，装设油面 指示器。油面指示器分油 标和油尺两类，图中采用 的是油尺。

（4）放油螺塞： 换油时，为了排放污油和清洗剂，应在箱体底部、油池最低 位置开设放油孔，平时放油孔用油螺塞旋紧，放油螺塞和箱体结 合面之间应加防漏垫圈。

（5）起吊装置： 为了便于搬运，需在箱体上设置起吊装置。图中箱盖上铸 有两个吊耳，用于起吊箱盖。箱座上铸有两个吊钩，用于吊运 整台齿轮箱。

一、拆卸过程分解 二、装配过程分解 1.齿轮箱结构总览 1.装配底座部装 2.拆去轴承端盖 2.装配输出轴部装 3.装配中间轴部装 3.移去联接螺栓 4.装配输入轴部装 4.移去上盖 5.安装各轴 5.拆去上盖部装 6.观察齿轮啮合旋转 6.观察齿轮啮合旋转 7.安装上盖部装 7.拆去各轴 8.安装上盖 8.拆卸输入轴部装 9.安装联接螺栓 9.拆卸中间轴部装 10.安装轴承端盖 10.拆卸输出轴部装 11.拆卸底座部装

组装录像

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四、齿轮箱常见故障 由于制造误差、装配不当或在不适当的条件（如载荷、润滑等）下使用，常会发生损伤等故障，常见有四类： （1）齿的断裂 有疲劳断裂和过负荷断裂两种 疲劳断裂：通常先从受力侧齿根产生龟裂、逐渐向 齿端发展而致折断; 过负荷断裂：由于转速急剧变化、轴系共振、轴承破损、轴弯曲等原因，使齿轮产生不正常的一端接触，载荷集中到齿面一端引起.

（2）齿的磨损 由于金属微粒、污物、尘埃和沙粒等进入齿轮而导致材料磨损、齿面局部熔焊随之又撕裂的现象 （3）齿面疲劳 由于齿面接触应力超过材料允许的疲劳极限。表面层先产生细微裂纹，然后小块剥落，直至整个齿断裂 （4）齿面塑性变形 如压碎、趋皱

齿轮箱失效原因及失效比重 失效原因 失效比重(%) 齿轮箱缺陷 设计 12 40 装配 9 制造 8 材料 7 修理 4 运行缺陷 维护 24 43 操作 19 相邻部件(电动机、联轴器等)缺陷 17

失 效 零 件 失 效 比 重（%） 齿 轮 60 轴 承 19 轴 10 箱 体 7 紧 固 件 3 油 封 1 齿轮箱的失效零件及失效比重 失 效 零 件 失 效 比 重（%） 齿 轮 60 轴 承 19 轴 10 箱 体 7 紧 固 件 3 油 封 1

轮齿损伤形式 类别 项目 形式 原因 齿面损伤 轮齿折断 齿面磨损 正常磨损、磨粒磨损、干 涉磨损、刮伤、槽痕 啮合初期、异物侵入、参 数设计不合理、安装误差 润滑不良等 粘着撕伤 局部压力过高、法向压力 较大、滑动速度过高等 齿面疲劳 早期点蚀、扩展性点蚀、剥落 齿面局部凸起、接触应力过高、内应力过大等 齿面塑性变形 压痕、碾击塑变、波纹、隆起 异物混入、过载、啮合不良、润滑不充分等 烧 伤 局部温度过高 轮齿折断 轮齿裂纹 屑料毛坯裂纹、硬化处理 裂纹、磨削型裂纹疲劳裂 纹 材料、毛坯和热处理缺陷 交变应力的作用等

轮齿损伤形式 类别 项目 形式 原因 轮齿折断 组合损伤 过载折断 严重超载 疲劳折断 各种因素产生的疲劳裂纹、变应力作用等 腐蚀磨损 化学腐蚀磨损、激振腐蚀磨损 润滑油中含杂质、齿面间压力过高、存在微振等 轮齿塑性变形 润滑失常 严重磨损断齿 存在磨损、点蚀、剥落等各种损伤 气 蚀 瞬时冲击力、局部高温 电 蚀 存在漏电流

五、齿轮箱的故障分析 齿轮装置故障检测参数的有效性 断裂 超载断裂 疲劳断裂 冲击断裂 磨损 磨料磨损 刮痕 腐蚀磨损 侵蚀 剥落 塑性 部位 故障大类 损伤名称 振动 噪声 扭矩 油液 温度 光学 齿 轮 断裂 超载断裂 疲劳断裂 冲击断裂 √ ○ × △ 磨损 磨料磨损 刮痕 腐蚀磨损 侵蚀 剥落 塑性 变形 波痕 碾击变形 锤击变形 齿面 疲劳 凹痕 凹孔 压伤

注：√——最有效 ○——尚有效 △——有可能 ×——不适用 齿轮装置故障检测参数的有效性 部位 故障大类 损伤名称 振动 噪声 扭矩 油液 温度 光学 齿轮 轮齿 烧伤 √ ○ 组合 损伤 咬人异物 气蚀 电蚀 △ × 旋转 机构 不平衡 不对中 松动 润滑 系统 温度升高 严重漏油 油质劣化 注：√——最有效 ○——尚有效 △——有可能 ×——不适用

1）当齿轮均匀磨损时，啮合频率及其谐波分量保持不变，但幅值大小改变，高次谐波幅值增大较多； 2）调幅现象。它是由于齿面载荷波动对幅值的影响造 2、齿轮箱故障的特征频率与边频带 在生产条件下很难直接检测某一个齿轮的故障信号，一般是在轴承箱体有关部位测量。当齿轮旋转时，无论齿轮发生了异常与否，齿的啮合都会发生冲击啮合振动，其振动波形表现出振幅受到调制的特点, 甚至既调幅又调频。 各类故障在频域中的表现如下： 1）当齿轮均匀磨损时，啮合频率及其谐波分量保持不变，但幅值大小改变，高次谐波幅值增大较多； 2）调幅现象。它是由于齿面载荷波动对幅值的影响造

成的，调幅的一个原因是齿轮偏心，此时的调制频率为齿轮的回转频率。当在齿轮上有一个齿存在局部缺陷时，相当于齿轮的振动受到一个短脉冲的调制，脉冲的长度等于齿的啮合周期 3）调频现象。在实际情况中，同样的齿面压力的波动，在产生调幅现象的同时，也会引起频率调制现象，其结果是在谱上得到一个调幅与调频综合形成的边频带。齿轮存在偏心时，由于齿面载荷变化引起调幅现象的同时，又由于齿轮转速的不均匀而引起调频现象。

4）附加脉冲。实际测得的信号不一定对称于零线，可 将信号分解为两部分：即调幅部分和附加脉冲部分。附 加脉冲是回转频率的低次谐波。平衡不良、对中不良和 机械松动等，均是回转频率的低次谐波振源，但不一定 与齿轮缺陷直接有关。附加脉冲的影响一般不会超出低 频段，即在啮合频率以下； 5）隐含谱线。是功率谱上的一个频率分量，产生的原 因为加工过程给一个齿轮所带来的周期性缺陷。

齿轮频谱上边频带的形成

齿轮振动特征频率的计算 齿轮及轴的转动频率 齿轮的啮合频率 有固定齿圈的行星轮系，啮合频率为 -任一参考齿轮的齿数; - 参考齿轮的转数； - 转臂的回转速度，当与参考齿轮转向相反时取正号，否则就取负号。

用于齿轮箱振动信号的分析方法有： ￭ 倒谱分析法 ￭ 希尔伯特包络分析法 ￭ 时频分析法 ￭ 时域模型法 ￭ 时域平均法

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