专业培训：渐开线圆柱齿轮公差等级

齿轮是机械工业中不可或缺的基础零部件，应用在国民经济的各个领域。汽车、高铁、轨道交通都有齿轮的身影，齿轮传动系统是高铁跑出“世界速度”的关键所在；最萌大国重器“锦绣号”盾构机，在极端工况下展示着中国制造的实力与魅力，这其中离不开齿轮的作用；在航天领域，齿轮也发挥着重大的贡献，助力“天问”一号、“神舟”载人、“嫦娥”探月、中国空间站等重大航天工程，为中国航天出征星辰大海保驾护航；此外，机械齿轮传动还助力海洋装备制造的创新与发展。小小的齿轮可谓是上天入地下海！

我们知道，在圆柱齿轮设计中所涉及的渐开线齿廓、螺旋角、圆周上的齿距分布等都是理想状态。但在实际加工时，由于刀具误差、机床振动、齿坯安装误差等因素，将不可避免的产生齿距误差、齿形误差、齿向误差等。由此可见，齿轮的实际传动与理论分析间存在着差异，而这些误差将会影响齿轮的传动精度。我们学习的目标就是能够正确设计齿轮的精度、合理控制加工误差。

首先来了解一下，上述加工误差到底会对齿轮传动带来哪些影响呢？

第一，由于转角误差的存在，会导致读数和分度齿轮在若干周期啮合后出现读数误差，即会影响齿轮传递运动的准确性。

第二，源于加工时的几何偏心和运动偏心，会形成圆周内相邻齿距的不均分布，会引起齿轮啮合瞬时传动比的变化，必然带来传动速度的波动，引起震动、冲击和噪音，影响高速动力齿轮传递运动的平稳性。

第三，加工时的刀具误差和机床振动，会形成渐开线齿形误差。此外，加工时的刀具、齿坯安装误差则会导致斜齿圆柱齿轮的螺旋线走向误差，两者都会改变载荷沿啮合线的均匀分布，造成局部载荷增大，会影响低速重载齿轮的承载能力，致使轮齿提前破坏。

以上就是误差对齿轮使用性能的影响。在圆柱齿轮的使用性能中，还要补充一项，即齿轮的啮合侧隙。一对齿轮在啮合运动时，都是需要有侧隙的。合理的侧隙能够保证齿面间形成润滑油膜，补偿齿轮传动受力后的弹性变形和由于工作温度升高而引起的热膨胀，保证齿轮间圆滑流畅的旋转传动。

我们知道，这些对齿轮传动产生影响的误差是不可避免的，小误差产生小影响，大误差则产生大影响。那么，为了满足使用要求，将误差控制在合理的范围之内就变得非常重要。根据误差对齿轮影响的大小，在最新的国标中（GB/T 10095.1 2008），将齿轮划分为13个精度等级，分别用0、1、2、…、11、12表示，随着数字的增大，精度等级越来越低，其中0级精度最高，12级精度最低。我国最新的齿轮国家标准等同于国际标准ISO1328，实现了与国际标准的全接轨。

齿轮的精度对整台设备的工作性能、承载能力、使用寿命和制造成本都有很大影响。通常采用类比法，根据使用场合和工况要求来设计齿轮的精度等级。如表所示，为各行业常用齿轮的公差等级。在齿轮的精度等级中，9~12级为低精度等级，可用于矿山、农用机械；6~8级为中等精度等级，应用于机床和汽车等工业设备；3~5级为高精度等级，应用于超精密机床、航空航天发动机等具有高速高平稳传动要求的场合；测量齿轮的精度等级最高，为2~5级。在齿轮精度学习的很长一段时间里，0~2级都被定义为展望级或未来发展级，是加工工艺水平和测量手段难以达到的级别。

提到齿轮精度，就不得不提起大连理工大学的王立鼎院士。王立鼎院士潜心钻研，几十年如一日，带领团队成功研制国际标准1级超精密齿轮，作为国家级或国际齿轮量仪校对和精度传递实体基准，填补了中国和世界超精密齿轮的技术空白。中国的齿轮技术从被国外“卡脖子”，到并跑、到领跑世界前沿，成为了世界上首个掌握1级精度基准标准齿轮核心技术的国家，这是令人无比振奋和骄傲的！从此，0-2级齿轮为展望级的历史被改写，现在只有0级为展望级，1-2级为超精密等级。

根据误差的特性及误差对齿轮传动性能的影响不同，可将齿轮的各项公差分为三组，即第Ⅰ公差组、第Ⅱ公差组和第Ⅲ公差组，分别来反映齿轮传递运动的准确性、传递运动的平稳性和载荷分布的均匀性。可以看出三组公差约束的内容不同、作用不同、必检参数也不同。在精度等级选择时，可根据具体使用要求，将三个公差组选用相同或不同的公差等级。以普通减速器的低速级大齿轮为例，若根据使用性能要求，将第I、第Ⅱ和第III公差组的精度等级分别确定为8-7-7级，此时齿轮公差等级即可标记为8-7-7 GB/T 10095.1-2008。

这是在三组公差等级不同级时的图样标记方法。8-表示第I公差组的精度为8级，对应的必检参数为齿距累计总偏差Fp；第一个7表示第Ⅱ公差组的精度为7级，对应的必检参数为单个齿距极限偏差±fpt和齿廓总偏差Fα；第二个7表示第III公差组的精度为7级，对应的必检参数为螺旋线总偏差Fβ。GB/T 10095.1-2008表示国标代号。

如果三组公差组等级同为7级时，则可标记为7 GB/T 10095.1-2008。这时，表示四个必检参数Fp、±fpt、Fα、Fβ都应该满足7级精度等级规定的公差数值。

经过几十年的不断发展，我国齿轮制造能力和制造水平持续提升，各领域齿轮的加工精度整体提高1~3个精度等级，同时也取得多项重大突破。

（1）世界上规模最大的船舶电梯—三峡升船机，就是通过安全、平稳的齿轮齿条爬升方式，实现了船舶在三峡上、下游之间的升降。以下的数字足以让人感叹，升船机赖以爬升的四根齿条每根长125米，模数高达62.7毫米，最大提升高度113米，最大提升重量15500吨，相当于9000多辆普通小轿车在37分钟内完成40层楼房高度的垂直升降。

（2）我国还攻克了兆瓦以上风电齿轮增速箱的核心制造技术，拥有兆瓦以上海上高速齿轮箱自主研发和生产能力，加大了绿色低碳发展的“蓝色动力”，助力我国实现碳达峰、碳中和。

（3）国产350千米/时高速动车齿轮箱批量上线运行，结束了我国高铁动车配套齿轮传动系统全部被德国和日本垄断的局面。目前，我国已实现了高铁列车齿轮传动系统的全面自主研制，占领了世界高铁技术的制高点。

在取得成绩的同时，我们也该清楚地认识到，在我国齿轮这个普遍的基础零件在高端领域仍处于弱势。高端齿轮产品的一个重要评价指标，即精度的一致性和保持性。

精度是齿轮加工关注的焦点，精密齿轮的加工是难以攻克的技术难题，源于齿轮的加工是多工艺过程，包括锻造、机加、热处理等，而各工艺环节都会对齿轮的精度产生影响。要想提高齿轮加工精度，可从以下几个方面入手：

1、提高齿坯本身的加工精度。齿坯质量是齿轮加工精度的基础，对于制造高精度齿轮，齿坯的精度更是起着至关重要的作用。

2、提高夹具的制造和安装精度。夹具的制造、安装精度不高，会产生齿圈径向跳动和齿向误差。齿坯的安装精度也主要取决于夹具的制造精度和安装精度。

3、提高机床本身的精度。因为机床本身的精度问题，是造成齿轮加工精度下降和不合格的主要因素之一。

4、改良齿轮的加工工艺。需要在传统的齿轮加工工艺基础之上，对当前的齿轮加工技术进行科学合理的改进与创新，从而实现齿轮加工精度的进一步提升。

我们坚信，创新先行，智慧的中国人一定可以靠自己全面解决精密、超精密齿轮加工的技术瓶颈。

- 主讲人 徐岩 -

徐岩，中共党员，工学博士，副教授，博士生导师。燕山大学机械工程学院工学部教师。主要承担《机械精度设计与先进测量技术》、《互换性原理与测量技术》课程和《机械设计课程设计》实践教学任务。曾获得学院课程思政教学竞赛二等奖，连续多年学院师德考核优秀。中国塑性工程学会半固态加工学术委员会委员、《特种铸造及有色合金》期刊青年编委。主持/参与国家自然科学基金项目3项、省部级项目8项，发表SCI学术论文23篇，授权国家发明专利10余项。

来源：燕山大学机械工程学院