一文读懂：齿轮的种类及各产业应用案例

齿轮加工是什么

齿轮加工是指对机械动力传递中不可或缺的部件——齿轮进行加工的技术。其主要以金属为材料，通过切削、磨削等方法加工出齿轮的形状。由于齿轮的精度直接影响机械的性能和寿命，因此齿轮加工的一大特点是对精度要求极高。

此外，近年来，在电动汽车、自动化机器人等需求不断增长的背景下，齿轮正朝着小型化、小批量生产的方向发展。与此同时，齿轮加工技术的进步也十分显著，借助CNC（计算机数字控制）技术，已经能够加工复杂且精密的齿轮。

齿轮的种类

根据特定用途和动力传递要求分类，齿轮有多种类型。下面介绍几种具有代表性的齿轮。

锥齿轮（伞状齿轮）

锥齿轮是在圆锥形表面切削出齿的齿轮，其形状类似伞。

它最大的特点是能够将轴的方向改变90度来传递动力，这大大提升了机械设计的自由度。此外，它还能实现不同的转速比。与平齿轮相比，锥齿轮运行时噪音较低；但另一方面，其加工工序更为复杂。根据齿的形状，锥齿轮还可分为“直齿锥齿轮”和“螺旋锥齿轮”。

直齿锥齿轮：也称为直齿锥齿轮，特点是齿向为直线。螺旋锥齿轮：也称为螺旋锥齿轮，特点是齿向呈螺旋状的曲线。

斜齿轮

斜齿轮是齿相对于轴呈倾斜状切削而成的圆柱形齿轮。由于齿呈倾斜状，齿轮之间的啮合更为平稳。因为齿是逐渐啮合的，所以噪音和振动得以减轻，即使在高速旋转时也能实现平稳运行。此外，齿的接触面积较大，能够传递更大的载荷，这也是其一大特点。

直齿轮

直齿轮是最常见的齿轮类型之一。其齿沿圆柱形外周切削而成，且与轴保持平行。由于结构简单、制作相对容易，直齿轮的应用范围十分广泛，被用于汽车变速箱、机床、家电等各类机械中。但由于同时啮合的齿数较少，其缺点是高速旋转时容易产生噪音。

齿条齿轮

齿条齿轮是齿形为直线的齿轮，通常与小齿轮配合使用。

当圆形的小齿轮旋转时，齿条会做直线运动；反之，推动齿条时，小齿轮会发生旋转。齿条齿轮的特点是能够实现旋转运动与直线运动的相互转换。由于齿条没有半径（可理解为半径无限大），因此对齿轮的长度没有限制。正因如此，齿条齿轮可实现长行程运动，且能应对高速运动和较大载荷。

蜗轮蜗杆齿轮

蜗轮蜗杆齿轮是由带螺旋齿的蜗杆和与其啮合的蜗轮组成的齿轮机构。蜗杆的旋转轴与蜗轮的旋转轴相互垂直布置，适用于需要大减速比的场景。其特点之一是只能实现单向动力传递。

从结构上来说，当输入轴的蜗杆停止转动时，即便试图转动输出轴的蜗轮，蜗杆也不会随之转动。由于具备防止反向驱动（自锁）的特性，蜗轮蜗杆齿轮适用于电梯、卷扬机等提升机构。

内齿轮

内齿轮是在圆柱或圆盘内侧加工的有齿齿轮，通常与外齿轮啮合使用。通过内齿轮与外齿轮的组合，可构成同向旋转的齿轮机构。其特点还包括整体装置结构紧凑、节省空间。但由于无法从外侧进行加工，内齿轮的制造对于加工技术要求高。不过近年来，随着高精度齿轮刮削加工机的普及，内齿轮这一缺点正逐步得到改善。

滚珠丝杠

滚珠丝杠是将旋转运动转换为直线运动的机械部件，由丝杠轴、螺母以及两者之间的滚珠构成。当丝杠轴旋转时，螺母内部的滚珠会沿着沟槽滚动移动，通过这一运动将旋转运动转换为直线运动。滚珠丝杠可根据循环方式、丝杠轴形状及预紧方式分为多种类型。

齿轮的齿形

齿轮齿的形状称为“齿形”，而构成齿形的是“齿形曲线”。齿形曲线大致分为渐开线曲线和摆线曲线，下面来看两者的区别。

渐开线曲线

渐开线曲线是指将缠绕在圆盘上的线松开时，线的端点所描绘的轨迹。渐开线曲线是最常用的齿形曲线，具有易于加工、适合量产的特点。此外，即使中心距离略有偏差，齿轮也容易啮合，这也是其优势之一。其广泛应用于普通机械、汽车变速箱、机床等领域。

摆线曲线

摆线曲线是指当圆在直线上滚动时，圆周上一点所描绘的轨迹。采用摆线曲线的齿轮，由于齿轮之间的接触面积大，因此磨损少且耐冲击。另外，由于不会产生干涉，其优点是旋转阻力小，可实现平稳运行。基于这些特点，摆线曲线齿轮常用于负荷较小的钟表及精密仪器等。

各业界齿轮加工的应用案例

最后，我们来看看齿轮及齿轮加工的应用案例。

汽车产业中的齿轮加工

在汽车产业中，齿轮被用于变速箱、发动机等车辆的多个重要部位。

近年来，随着电动汽车需求的增长，面向汽车产业的齿轮需求也发生了变化。在电动车普及的欧洲和中国，新车销量中电动车的占比逐年上升——2023 年，欧洲（据欧洲汽车工业协会数据）的电动汽车占比约为14.6%，中国（据中国汽车工业协会数据）约为22.2%。

电动汽车相比燃油车行驶噪音更小。如果齿轮噪音过大，会影响行驶舒适性，因此齿轮加工也开始对齿轮的静音性有更高的要求。此外，除了静音性，齿轮的小型化和结构复杂化变革也在推进。从环境负荷角度来看，齿轮的效率也很重要，如何提高能源效率是齿轮加工中备受重视的一点。

机器人行业中的齿轮加工

机器人领域的技术也在日新月异。

工业机器人和协作机器人需要完成多种多样的动作，因此其配备的齿轮也必须结构复杂且精度极高。其中一个例子就是“行星齿轮”。这种齿轮结构也用于风力发电机和电动螺丝刀，特点是多个齿轮在自转的同时还会公转。由于行星齿轮能实现更复杂的动作，因此被用于机器人手臂的关节部位以及汽车发动机中。

应用于多领域的齿轮加工

齿轮加工技术在汽车、航空航天、机器人、环保设备等多个产业领域中发挥着重要作用。此外，随着社会不断高度发展，齿轮也在向高效化、轻量化、小型化方向发展。为实现轻量化，除金属外，树脂齿轮的应用场景也不在少数。

再者，近年来随着数控（NC）技术的发展，复杂形状的工件也已能实现自动化加工。不仅限于齿轮加工，对于制造企业而言，准确把握市场需求，着力推进与之匹配的设备投资及生产体制构建，是至关重要的。