非圆齿轮研究现状分析

樊智涛

摘 要 本文主要分析了非圆齿轮的国内外研究现状，提出非圆齿轮传动的重大意义，随后根据非圆齿轮传动的特点介绍了非圆齿轮在各种机械设备上的推广应用，并对非圆齿轮传动存在的问题进行了阐述，最后进行了展望。

关键词 非圆齿轮 研究 现状分析

中图分类号：TH132 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2018.08.021

Abstract This paper mainly analyzes the research status of non-circular gears at home and abroad， and puts forward the significance of non-circular gear transmission. Then， according to the characteristics of non-circular gear transmission， it introduces the popularization and application of non-circular gears on various mechanical equipments， and non-circular gears. The problems in the transmission were elaborated and finally looked forward.

Keywords non-circular gears； research； status analysis

1 国内外研究现状

齿轮是机械传动应用广泛的传动原件，齿轮传动工作可靠，瞬时传动比恒定。但随着研究的深入和机械工业的飞速发展，传统的定传动比齿轮已经很难满足现代设计的需要，人们开始对齿轮啮合原理及相关制造加工技术不断研究，特别是在机器和仪器制造业中人们发现变传动比非圆齿轮传动可以满足一些特定重载、高速、变速传动机构的需要。相对圆齿轮来说，它可以实现变速比运动，相对于传统做不等速运动的连杆凸轮机构，它传动平稳，刚性好，渐渐地非圆齿轮传动的优点开始凸显并在机械等相关领域得到应用推广。

1.1 国外研究现状

非圆齿轮出现很早，但是由于其设计制造比较困难，直至今日非圆齿轮才开始步入实用化阶段。非圆齿轮的节曲线是非圆形，可以实现变速比传动，这是它与普通的圆柱齿轮最大的区别。相对来说，国外的非圆齿轮研究时间比较长，技术相对先进。对于非圆齿轮的研究最早可追溯到 19 世纪30年代，变传动比传动的需求促使设计师突破传统观念设计出最早的非圆齿轮-椭圆齿轮，但当时由于设计制造业的落后，一些相关的设计理念虽然已经出现，但是由于加工工艺、加工精度、加工方法等问题导致椭圆齿轮的发展在一定程度上比较受限，应用相对于传统齿轮来说也比较少。到上世纪中叶，关于非圆齿轮的理论体系逐渐形成，相关的分析研究工作不断展开，前苏联机械专家编著的《非圆齿轮》一书中详细介绍了非圆齿轮的设计过程，非圆齿轮传动的发展开始进入快车道，得到迅速发展。尽管如此，由于制造加工技术受限，加工出的非圆齿轮精度不高，可用性不强，推广起来也比较受限。直到计算机和数控加工技术的广泛应用，人们可以在计算机上利用软件加工设计出任意齿形的非圆齿轮，可以通过数控加工技术实现成品的生成，这时非圆齿轮的应用在真正意义上提上议程。

1.2 国内研究现状

国内对于非圆齿轮的研究起步晚，发展慢，最初的研究是在二十世纪七八十年代，李福生等根据工作情况编写了相关非圆齿轮的书籍文献，这只是理论总结研究，缺乏深入细致的研究设计，但是在当时已经是比较先进的成果。到九十年代，随着CAD/CAM等相关软件技术的引进，大家对非圆齿轮的研究开始全面深入，非圆齿轮的特点慢慢被人们所接受，非圆齿轮开始逐渐得到应用推广。人们渐渐发现非圆齿轮与凸轮等其他做曲线运动的机构配合，可以获得更好的传动特性， 能更充分地满足人们对运动规律的要求。目前，随着我国数控加工技术的不断开发和工业的发展对非圆齿轮的研究也逐渐深入，但是相对国外来说还是存在一定差距。

2 非圆齿轮的分类和特点

目前来说，非圆齿轮的分类形式有很多，按齿轮维数可以分为齿轮平面传动和空间传动；按齿轮中心距不同可分为变中心距齿轮轮系和定中心距齿轮輪系，相关类似的分类形式还有很多，诸如节曲线是否封闭、齿轮啮合形式和组合形式等多种类型进行区分。非圆齿轮的特点主要有以下几点：

（1）传动比随着节曲线的变化而变化。非圆齿轮的节曲线是非圆，在两传动过程中，相当于两个非圆的曲线在作滚动，但是它们的中心距是变化的，所以带动传动比的变化，这就是非圆齿轮最主要的特点。[1]

（2）非圆齿轮机构是连续的共轭啮合传动，传动平稳，结构可靠。另外非圆齿轮机构中的所有活动构件都是回转构件 ， 因而更容易实现动平衡。[2]

（3）使用非圆齿轮传动机构相对其他实现变速曲线运动的机构来说结构更简单，寿命也更长，能够实现单向循环运动。

3 非圆齿轮的应用

非圆齿轮可以实现变传动比运动，解决了传统齿轮传动带来的机构笨重，传动复杂的难题。采用非圆齿轮后，传动机构更加简单可靠，另外，非圆齿轮和曲柄连杆、凸轮等其他机构的组合，可以实现更多、更复杂的运动。这都在一定程度上改善和提高了机构的运动特性。除此之外，非圆齿轮结构紧凑传动平稳，传递效率和运算精度都比较高，这些特点都将使得非圆齿轮在机械等诸多领域得到更加广泛的应用。

3.1 非圆齿轮机构用于轻工业自动机械中

非圆齿轮在轻工业中的应用比较常见，比如在书心加工联动机的主传送带的传动链中需要用马氏槽轮机构带动传送带；在电灯泡制造机上完成抽真空工序时需要非圆齿轮带动工作台连续回转；在印刷机械中保证纸张运动位置的准确性和印刷的速度；在纺织业中用非圆齿轮来改变经纬纱密度来调整花纹；在双色印刷机上，在“烟嘴纸烟”卷烟机的传送带上等等。非圆齿轮的应用都给工业生产带来了极大的便利。

3.2 非圆齿轮用于机床等重工业中

随着制造加工技术的不断发展，各类加工机床相继问世，借助非圆齿轮传动特点规律来实现各种机床特定运动的例子越来越多。在插齿机上的应用解决了传统圆齿轮带动曲柄连杆出现的振动大，切削速度不均匀，加工質量差的问题。在压力机和自动化机床上应用非圆齿轮，使压力机的受力情况得到明显改善，空回行程所需时间的降低，使工作效率在一定程度上得到提高。另外，在一些曲柄连杆机构中与椭圆齿轮配合使用可以实现滑块的变速运动。

3.3 非圆齿轮用于液压马达中

随着液压技术的成熟，非圆齿轮在液压马达上的应用也开始不断深入并日臻成熟。1977年以非圆齿轮轮系的为核心机构的马达突破了传统的思想，该齿轮设计结构简单、运转也更加稳定。虽然非圆齿轮在液压马达上的应用优势比较突出，但是需要我们认识到的是在非圆齿轮的设计制造上还是存在一定困难。

3.4 非圆齿轮用于仪器制造业中

非圆齿轮在仪器制造业中的主要用途是在函数装置中再现某种函数，比如在液体流量计中应用以提高计算精度卵形齿轮，在导弹发射的地面装置中应用的可变频率摆动器，在电位计中用非圆齿轮带动的电刷实现输出电压的非线性变化等，这些都标志着非圆齿轮技术发展应用的完善和进步。

4 非圆齿轮传动存在的问题

一项技术的发明有优点，但是同时也会存在这样那样的不足，非圆齿轮也不例外，非圆齿轮传动过程中虽然传动比较平稳，工作也比较可靠，但是还是有以下几点问题需要进一步的解决：

（1）由于实际非圆齿轮的节曲线需要满足根切条件和啮合压力角的范围，所以对于非圆齿轮节曲线的形状设计上常规的标准解析函数很难满足需要，特别是对于齿形复杂的节曲线，该解析函数具有一定的局限性，虽然有学者相继提出样条函数插值近似，但相关技术还不够先进，需要进一步的完善。

（2）非圆齿轮复杂的节曲线虽然在传动上存在很大优势，但是对于其节曲线的设计上传统加工圆齿轮的方法已经很难满足工艺要求。另外，目前用于加工非圆齿轮的数控插齿机、滚齿机及普通铣床的加工指令还不能直接加工非圆曲线轮廓，只能通过数控机床加工的直线或圆弧去逼近它们。目前主要有等间距直线逼近法、等弦长直线逼近法、等误差直线逼近法和圆弧逼近法等。加工逼近的精度越高，计算越复杂，加工程序也越长，相应的成本也高。虽然普通铣床加工精度价较低，但很难保证使用要求。

（3）在非圆齿轮的设计加工精度上还没有形成一定的规定体系，目前非圆齿轮的精度主要都是根据使用要求自行确定精度，没有设定统一的标准。除此之外，部分检测设备无法实现精密测量，在软件设计层面上，相关开发软件的最大设计加工精度还无法满足应用的需要，相关参数还需要进一步完善等等，这些问题都一定程度上影响了非圆齿轮在机械行业的推广和应用。

5 结语

非圆齿轮的优点很多，对于非圆齿轮的发展，要想进一步发挥非圆齿轮的优势还需应进一步加强计算机和数控加工技术的推广，开发设计面向全接口的计算机语言，让软件设计更加具有交互性。另外，还需进一步通过软件来实现非圆齿轮的节曲线逼近设计、齿廓生成以及自动加工程序编程等，逐步实现整个加工过程的自动化、智能化、全数控化，当然，进一步的，我们相关机构还需要设计形成完整的精度标准，使非圆齿轮传动的设计开发更加体系化、制度化、标准化。

参考文献

[1] 郭守存.非圆齿轮啮合原理的应用[D].沈阳：沈阳工业大学，2016：3.

[2] 贾宝贤.非圆齿轮的特点与应用[J].黑龙江矿业学院学报，1994（12）：65-71.