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新型齒輪技術(shù)

發(fā)表時(shí)間:2023-02-14   網(wǎng)址:http://www.haohuixa.com/    編輯:一同傳動(dòng)

  目前應用最多的漸開(kāi)線(xiàn)圓柱齒輪由于其設計、加工、檢測及裝配等方面的優(yōu)越性,已經(jīng)逐漸形成一整套成熟的加工方法和設備,并且長(cháng)期占據統治地位。但是它由于其固有的凸凸接觸模式使得齒廓綜合曲率半徑受到中心距的嚴格限制,并影響齒面接觸強度的提高和動(dòng)壓油膜的形成,齒面滑動(dòng)系數不均勻程度大,導致輪齒的磨損、壽命降低。為了擬補漸開(kāi)線(xiàn)齒輪強度不足的特點(diǎn),學(xué)者們先后提出了多種類(lèi)型的圓柱齒輪傳動(dòng)形式,如圓弧齒輪、拋物線(xiàn)齒輪、圓弧齒線(xiàn)圓柱齒輪、微線(xiàn)段齒輪、錯齒圓柱齒輪等等[1]。

  新型齒輪技術(shù)

  利用凸-凹型嚙合方式的圓柱齒輪傳動(dòng)主要有圓弧齒輪傳動(dòng)、拋物線(xiàn)齒輪傳動(dòng)以及圓弧齒線(xiàn)圓柱齒輪傳動(dòng)等幾種傳動(dòng)方式。其中前兩者利用的是齒廓間的凸凹嚙合,而后者是則采用了齒向方向的凸凹嚙合,兩者效果不同。除此之外還有微線(xiàn)段齒輪、點(diǎn)線(xiàn)嚙合齒輪等新型凸凹嚙合齒輪傳動(dòng)尚處于初步研究階段。


 ?。?)拋物線(xiàn)齒輪

  早在上世紀80年代初聞智福教授就提出了線(xiàn)接觸拋物線(xiàn)齒輪(見(jiàn)圖1)傳動(dòng)的概念并申請了中國專(zhuān)利(CN86100544)[2],其發(fā)明的目的就是為大幅度提高圓柱齒輪的承載能力。

  圖1 拋物線(xiàn)齒輪及齒形

  在后來(lái)出版的專(zhuān)著(zhù)文獻[3]中提出了拋物線(xiàn)齒輪的三種基本齒形,分別定名為 PWX-I,PWX-II,PWX-III。其中PWX-I型類(lèi)似于雙圓弧齒輪,在齒輪的節線(xiàn)以外是凸齒,節線(xiàn)以?xún)仁前箭X,用一把滾刀即可加工一對拋物線(xiàn)齒輪;而 PWX-II與 PWX-III分別是切制僅有一個(gè)嚙合區的小齒輪和大齒輪的滾刀的基本齒形,類(lèi)似于用于加工單圓弧齒輪副中小齒輪和大齒輪的兩把滾刀。加工方面,研究了采用滾刀滾切拋物線(xiàn)齒輪的方法,采用漸開(kāi)線(xiàn)齒輪同樣的滾齒機,介紹了滾刀的設計與制造測量方法。

  在應用方面,1981 年曾用模數 3 的調制拋物線(xiàn)齒輪替代 40 船用齒輪箱的滲碳淬硬磨齒漸開(kāi)線(xiàn)齒輪,在沙州航運公司的內河拖輪上使用,運轉 6 年后拆驗無(wú)損傷。1983年,在MB170型船用齒輪箱中使用調制氮化拋物線(xiàn)齒輪,硬度 HRC50-55,模數為3,傳遞功率105馬力,單級傳動(dòng)比 5.06,與同型號滲碳淬硬磨齒漸開(kāi)線(xiàn)齒輪箱對接,作為漸開(kāi)線(xiàn)齒輪箱的配試增速箱,在全速、全負荷條件下,經(jīng)500小時(shí)耐久試驗后開(kāi)箱檢查,齒面接觸良好,無(wú)點(diǎn)蝕跡,噪音正常。試驗表明,滾齒后氮化的拋物線(xiàn)齒輪與相同技術(shù)參數的高承載能力的滲碳淬火磨齒漸開(kāi)線(xiàn)齒輪強度相當。后經(jīng)江蘇省吳縣航運公司和沙航運公司等單位裝船使用,應用效果良好。

  此外,采用拋物線(xiàn)齒輪所設計的鍋爐調速箱,比原用漸開(kāi)線(xiàn)齒輪的 ZKL 型鍋爐調速箱重量減輕一半。在直動(dòng)式開(kāi)煉機中,采用拋物線(xiàn)齒輪作傳動(dòng)箱,也取得了省掉兩對開(kāi)式漸開(kāi)線(xiàn)齒輪的明顯效果,將拋物線(xiàn)齒輪作柔管泵的傳動(dòng)之用,只用了一級拋物線(xiàn)齒輪就達到傳動(dòng)比 11.33,滿(mǎn)足傳動(dòng)需求,與漸開(kāi)線(xiàn)齒輪相比, 前者的制造成本僅為后者的一半。 用于普通齒輪減速箱,其承載能力 (功率)可達到同類(lèi)漸開(kāi)線(xiàn)齒輪減速器的220%~270%[3]。

  文獻[3]當中詳細介紹了拋物線(xiàn)齒輪的基本特性、設計計算方法、制造工藝、精度檢驗等,并從齒廓滑動(dòng)率、加工干涉、相對主曲率、齒根極限工作點(diǎn)厚度以及傳動(dòng)的“可分性”等多個(gè)方面與漸開(kāi)線(xiàn)齒輪進(jìn)行了比較,分析了拋物線(xiàn)齒輪所具有的優(yōu)勢。但其中的一些設計計算方法尤其是強度計算與嚙合特性分析等方面做的研究都比較簡(jiǎn)單,如接觸應力與彎曲應力的計算采用的是赫茲公式與魯易斯-惠史曼公式,因此誤差較大;僅從理論上簡(jiǎn)單地分析了嚙合線(xiàn)與接觸線(xiàn)等性質(zhì),而沒(méi)有考慮安裝制造誤差對嚙合特性、強度的影響;由于當時(shí)計算機技術(shù)的缺乏,沒(méi)有對嚙合剛度、傳動(dòng)誤差以及修形等方面進(jìn)行分析研究;另外對磨齒方法未做探討。線(xiàn)接觸的嚙合形式使得拋物線(xiàn)齒輪仍對安裝誤差比較敏感。所有這些都使得因此拋物線(xiàn)齒輪的能力未被展現出來(lái)。

  雖然從多次試驗結果和在一些企業(yè)中的試用實(shí)踐中已經(jīng)看出拋物線(xiàn)齒輪取得了明顯提高承載能力的良好效果,但是隨著(zhù)同一時(shí)期單圓弧齒輪和雙圓弧齒輪的發(fā)展成熟及其標準化,一般工業(yè)中對高承載能力圓柱齒輪的需求已被圓弧齒輪所滿(mǎn)足。所以,拋物線(xiàn)齒輪多年來(lái)一直未被重視起來(lái)。隨著(zhù)新的齒輪分析與設計技術(shù)的發(fā)展,拋物線(xiàn)齒輪的傳動(dòng)性能可以被繼續挖掘出來(lái)。另外現代數控磨齒機的出現為高精度硬齒面拋物線(xiàn)齒輪的磨齒加工提供了可能性,所以?huà)佄锞€(xiàn)齒輪大有應用潛力之在。

  Litvin在文獻[4, 5]中提出了一種新型點(diǎn)接觸拋物線(xiàn)齒輪,該齒輪傳動(dòng)集合了凸凹嚙合形式、點(diǎn)接觸等特征,具有低應力、低誤差敏感性以及能夠磨齒等特點(diǎn)。配對齒輪采用不同的拋物線(xiàn)參數,通過(guò)齒向加冠獲得預設的拋物線(xiàn)傳動(dòng)誤差,降低振動(dòng)噪音。文中給出了此類(lèi)拋物線(xiàn)齒輪的展成加工原理并采用有限元分析比較了此類(lèi)齒輪與修形的漸開(kāi)線(xiàn)斜齒輪的強度性能,表明此種齒輪比相同參數漸開(kāi)線(xiàn)斜齒輪的接觸強度與彎曲強度都要高。 如圖1所示,相嚙合齒廓可以采用大曲率半徑從而獲得較大的相對曲率半徑,明顯降低接觸應力。通過(guò)在齒廓間采用大的曲率半徑差(如圖1中所示兩條齒廓在接觸點(diǎn)O處曲率中心分別為 c1和 c2,而且兩者間的距離可調節設計),可減小接觸印痕對中心距誤差的敏感性,因而傳動(dòng)的噪音小。點(diǎn)嚙合拋物線(xiàn)齒輪由于采用大曲率差所引起的應力集中問(wèn)題已經(jīng)被大的齒廓曲率半徑所擬補。同時(shí)由于齒形簡(jiǎn)單(與漸開(kāi)線(xiàn)齒輪較為接近)因而可以方便地采用成形磨齒,并可應用滲碳淬火工藝來(lái)提高齒面硬度,所以適合于高速重載傳動(dòng),非常有希望替代航空高速傳動(dòng)中的漸開(kāi)線(xiàn)齒輪。


 ?。?)圓弧齒輪

  圓弧齒輪的構想最早是由美國工程師威爾德哈泊在 1926 年提出[1,6,7],后經(jīng)前蘇聯(lián)的諾維柯夫完成了其嚙合原理、強度計算的論述,并開(kāi)始在工業(yè)上得到應用。因此它被定名為Wildhaber-Novikov齒輪,簡(jiǎn)稱(chēng)為 W-N齒輪。經(jīng)過(guò)幾十年來(lái)的研究,我國在圓弧齒輪基礎理論和制造工藝等方面已經(jīng)取得了很大成績(jì)。建立了具有我國特色的點(diǎn)嚙合制圓弧齒輪(法面圓弧)基本嚙合理論;承載能力計算方法。熱彈流潤滑理論分析計算;齒端修形原理與計算;精度檢驗與測量尺寸計算;滾刀齒形設計與計算及制造工藝等一系列基礎理論和工藝方法,使我國圓弧齒輪傳動(dòng)技術(shù)研究走在了世界前列。已制定單圓弧齒輪與雙圓弧齒輪的齒形、刀具、強度計算等多項國家標準。廣泛應用于冶金、礦山、石油化工、運輸等低速重載行業(yè),而在汽輪機,壓縮機等高速齒輪傳動(dòng)方面也有應用。

  國外對圓弧齒輪的研究報道較少,主要見(jiàn)于Litvin教授的文獻[8]。文獻[8]研究了圓弧齒輪的齒形、幾何學(xué)、嚙合和接觸,確定了齒面上的接觸路徑和瞬時(shí)接觸橢圓的主接觸方向,并研究了由于安裝誤差引起的傳動(dòng)誤差;提出了“局部綜合”技術(shù)。國內方面關(guān)于圓弧齒輪的論述頗多[6-9],主要是關(guān)于齒形參數設計、應力分析、載荷分配、跑合性能與磨損、滾齒刮削珩齒等加工技術(shù)與方法,這些研究為提高圓弧齒輪的承載能力,促使發(fā)展成標準化并得到廣泛應用起到了很大作用。在磨齒技術(shù)方面,文獻[9]中指出,采用成形砂輪對圓弧齒輪進(jìn)行磨齒的加工方法尚不成熟,也未見(jiàn)其他的相關(guān)報道。圓弧齒輪對根圓偏差要求非常嚴格, 采用磨齒機徑向進(jìn)給時(shí)效率太低, 因此產(chǎn)品的附加值 (價(jià)值)過(guò)低,經(jīng)濟效益不高。一般工業(yè)中傾向于不磨齒以減小成本,提高市場(chǎng)經(jīng)濟效益?,F行國標中圓弧齒輪最高精度等級為5級,采用的工藝是中硬齒面調制處理,經(jīng)滾齒切齒后表面氮化;滲碳淬火圓弧齒輪的加工精度僅能達到6級,這些工藝無(wú)法適應航空圓柱齒輪傳動(dòng)節線(xiàn)速度 160m/s以上的要求。

  為了提高直升機主減速器的可靠性和維修性,同時(shí)也提高輪齒的接觸強度和抗彎強度以及抗膠合能力,航空界曾對將圓弧齒輪傳動(dòng)應用于直升機主減速器中的方案做過(guò)相關(guān)探討研究[10],但未見(jiàn)相關(guān)研究成果的報道,主要是由于圓弧齒輪對齒廓誤差和安裝誤差過(guò)于敏感。近幾年又出現了三圓弧齒輪與四圓弧齒輪等新型傳動(dòng)類(lèi)型,這些研究為繼續開(kāi)發(fā)圓弧齒輪的承載潛力做出了有價(jià)值的努力。


 ?。?)圓弧齒線(xiàn)圓柱齒輪

  圓弧齒線(xiàn)圓柱齒輪是一種輪齒呈弧形的新型圓柱齒輪(如圖 2 所示),具有彎曲強度高、無(wú)軸向力、傳動(dòng)平穩等優(yōu)點(diǎn)。自 1965 年以來(lái),國內外一些學(xué)者對圓弧齒線(xiàn)圓柱齒輪進(jìn)行了理論研究與工藝探索[11-13]。

  圖2圓弧齒線(xiàn)圓柱齒輪

  理論方面,主要是研究了刀具齒面、接觸線(xiàn)、共軛齒面及端面截形、嚙合面、嚙合線(xiàn)等幾何方程。獲得根切界限曲線(xiàn)和嚙合界限曲線(xiàn)、誘導法曲率等幾何特性。并進(jìn)行了輪齒接觸分析、加工仿真等方面的研究。圓弧齒線(xiàn)圓柱齒輪的加工多是使用格里森銑刀盤(pán)的逐齒加工方式,在此基礎上馬振群等人[13]研究了齒面失配加工方法。近幾年來(lái)有人研究采用普通滾刀在 CNC 滾齒機上連續切齒的加工方法,顯著(zhù)提高了加工效率并降低了成本。我國部分廠(chǎng)家也成功試制了該類(lèi)齒輪并將其應用到煤礦機械、煉鋼設備等產(chǎn)品中,取得了一定的經(jīng)濟效益。

  設計者希望將來(lái)用它替代漸開(kāi)線(xiàn)斜齒輪或人字齒輪,但是這種齒輪尚存在一些問(wèn)題,主要有:圓弧齒線(xiàn)圓柱齒輪的設計較復雜;齒寬設計存在限制,同時(shí)也影響著(zhù)重合度的提高;采用圓拉刀盤(pán)加工法使得齒輪齒寬小、彎曲程度低;而采用滾齒機加工則需要 6 軸聯(lián)動(dòng)數控加工機床,因此還不易普及。


  結論

  綜上所述,齒輪設計將向著(zhù)以降低嚙合沖擊與噪音、提高傳動(dòng)性能為優(yōu)化目標的先進(jìn)技術(shù)、主動(dòng)設計方法、提高可靠性的方向發(fā)展;向著(zhù)改善接觸線(xiàn)載荷、齒面應力、齒根應力分布以及實(shí)現最小動(dòng)載荷角度的修形設計的方向發(fā)展。國際上,動(dòng)力傳動(dòng)裝置正沿著(zhù)小型化、高速化、低噪聲、高可靠性方向發(fā)展。齒形設計的研究發(fā)展必須綜合考慮這些特點(diǎn),挖掘特殊齒形齒輪的內在潛力,才能適應現代高速重載齒輪傳動(dòng)的根本需求。



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