我国锥齿轮技术的现状和发展动向_张静

基金项目:河南省自然科学基金资助项目(021*******)
作者简介:张静(1975-),女,河南省南阳市人,硕士生
收稿日期:2002-08-30
文章编号:1000-5080(2003)01-0040-04
我国锥齿轮技术的现状和发展动向
张 静,杨宏斌,邓效忠,梁桂明
(河南科技大学机电工程学院,河南洛阳471003)
摘要:对锥齿轮技术的发展状况和发展方向的系统研究,是促进锥齿轮工业进一步发展和系统研究的重要基础。

本文就锥齿轮的设计,加工和材料三个方面进行了系统的论述:非零变位和局部综合法代表了当前先进的设计
方法;局部综合法在数控加工中的应用是获得高啮合性能的必要手段。

优质碳素钢,复合材料和工程塑料等多
种材料的应用是扩展齿轮应用领域的必要保证。

最后本文指出锥齿轮的发展趋势是:绿色制造、低噪声、低消耗
以及高耐用性。

关键词:锥齿轮;非零变位;局部综合;啮合质量
中图分类号:TH132.421文献标识码:A
0 前言
渐开线齿轮自1694年[1]
首次被研制成功以来,因其制造简单而沿用至今不衰。

随着工业的迅速发展,比渐开线齿轮更为复杂的齿轮不断出现,其中最为重要的首推弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮这两种新型的锥齿轮。

锥齿轮在相交轴传动中,由于其重合度高、传动平稳而广泛使用于我国的汽车、拖拉机、机床、航空、航海等行业。

1 我国锥齿轮技术的现状
锥齿轮在几何上非常复杂,其设计和制造方法密切相关,加工中的切齿调整方案直接影响着齿轮副的啮合质量。

而我国在生产中广泛使用的用于锥齿轮设计与加工的各种计算卡和计算机软件大多停留在20世纪70年代初期的水平,其切齿计算中的控制参数多,不易操作使用,切齿计算结果在很大程度上取决于操作者的经验和技术水平[2]。

我国航空用锥齿轮的设计中对静态性能的考虑较多,而对动态性能考虑不足,因此可靠性与国外相比有较大差距。

由此可见,关于锥齿轮的设计、加工和材料的讨论对于提高我国锥齿轮的设计水平、降低研制成本、提高产品质量,具有重要的理论和实践意义。

1.1 锥齿轮设计
我国一直将锥齿轮技术的重点放在设计上[3,4]是由于:(1)设计是基础。

设计不良,后续各环节很难
弥补其不足。

(2)可以利用电脑进行优化设计、虚拟制造、虚拟产品设计。

(3)有助于转变设计者过分依靠现成标准手册的/惰性0。

(4)用设计带来的优势补偿我国在材质和制造上的弱势。

目前,我国锥齿轮的设计方法主要有三种:利用格里森标准进行参数设计,非零变位设计和基于局部综合法的啮合仿真设计。

利用格里森标准进行设计,理论要求不高,便于操作;但公式偏多且需对公式仔细推敲并加以修正,使得计算过程极为繁琐,因此有很大的局限性。

其中,郑昌启研究了用于弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮设计的局部共轭原理,导出了弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮的各项计算公式的数学过程,阐明了各部分计算的共轭啮合原理[5]。

高业田、曾韬运用等距共轭曲面原理,阐明了格里森公司的弧齿锥齿轮变性全展成法加工调整卡的编制原理与方法[6]。

郑昌启的5弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮6
[7]和曾韬的5螺旋锥齿轮设计与加工6[8]可以看作是我国学者在此方面研究的总结。

目前的锥齿轮设计标准大多采用零变位设计,这是由于按照传统的变位原理,采用非零变位会引起锥 第24卷第1期
2003年 3月河南科技大学学报(自然科学版)Journal of Henan University of Science and T echnology (Natural Science)Vol.24No.1March 2003
齿轮当量齿轮中心距的变动,从而导致轴交角的改变。

而轴交角是根据实际要求而首先确定的,不允许改变。

弧齿锥齿轮的传统齿形为分锥角不变位齿形,即分锥角与节锥角重合,它受到齿数和不能过少(如不能小于40),螺旋角较小时不能实现双齿对传动等多方面的限制。

零变位的思路局限于锥齿轮的变位只能是节锥变位、分锥不变,而忽略了分锥与节锥位置的改变是相对的。

文献[3]利用分锥与节锥相对变位的原理,提出了/节锥不变、分锥变位0的新思路。

利用该原理设计的螺旋锥齿轮可以大幅度的提高承载能力、延长使用寿命、降低噪声、减小体积、改进啮合性能,可以实现齿数和小于40的啮合传动,还可以获得比传统齿形更高的综合强度(即同时提高接触强度、弯曲强度、抗胶合能力和抗磨损能力,并实现两轮齿的等寿命等弯强),且这种新齿形的螺旋齿轮完全可以用现有的机床和刀具加工,近年来,已在军品、重型机械、机床、舰艇和煤矿、油田等行业上推广。

局部综合设计是由F.L.Litvin 教授于20世纪60年代提出的一种用于研究近似啮合的方法[2]。

其目的是要在指定的接触点邻域内达到最佳的啮合质量。

这种方法的基本思想是:设大轮齿面已知,在大轮齿面上选取一参考点:计算出大轮参考点处的二阶几何参数(即主曲率和主方向),预置参考点处的共轭二阶接触参数(即传动比函数的一阶导数、大轮齿面上接触迹线的切线方向和瞬时接触椭圆的长半轴长度),求出小轮参考点处的二阶几何参数;在此基础上确定小轮的加工参数(包括刀具参数和机床调整参数),从而达到预控齿面的一阶和二阶接触参数的目的。

20世纪80年代后,我国发展了局部综合法。

明确提出了通过预置抛物线型的传动误差函数来控制传动误差,并认为这种抛物线型的传动误差函数能够/吸收0安装偏差等所导致的线性传动误差,从而降低振动与噪音。

此时,局部综合的目标之一是使参考点处瞬时传动比等于理论值,而传动比函数的一阶导数等于一非零的负值。

经过这一改进后的局部综合法对于二阶接触参数的控制已臻于完善。

在这方面,Zhang 和方宗德进行了基于局部综合法的弧齿锥齿轮和准双曲面
齿轮的切齿参数设计的研究[9,10]。

弧齿锥齿轮在航空传动中应用时,其啮合质量是非常重要的。

由于航空用弧齿锥齿轮是在高速、重载的工况条件下工作,要求重量轻而可靠性高,加之十分复杂的齿面几何外形,使得对其啮合质量的控制成
为一个极重要又困难的课题[11,12]。

通常,衡量弧齿锥齿轮副啮合质量的指标之一是接触印痕和传动误差。

长期以来,我国航空用弧齿锥齿轮的设计中对静态性能的考虑较多,而对动态性能考虑不足。

具体生产中通常只对接触印痕有一定的考虑和要求,而对传动误差则从设计、加工和检验方面都缺乏手段
[11,12]。

产品的加工质量在很大程度上还须依赖技术人员和操作人员的经验。

1.2 锥齿轮加工
螺旋锥齿轮副是实现相交轴运动传递的基础元件,其制造精度、质量直接影响机器设备的效率、噪声、运动精度和使用寿命。

目前,国内生产弧齿锥齿轮的加工机床主要有:美国格里森公司的No.116铣齿机、No.463磨齿机和仿苏的国产Y22型铣齿机[3]。

前者机床结构和加工调整十分复杂,加工周期也较长,因此实现弧齿锥齿轮高精高效和柔性自动化加工是锥齿轮技术的发展重点。

NC(数控)技术的应用极大简化了机床结构和加工计算,但目前只有少数国家拥有这方面技术,我国拥有的几万台锥齿轮加工机床大多数是非数控机床[13]。

因此开展螺旋锥齿轮NC 加工研究具有重要意义。

美国格里森公司率先推出的多功能PHOE NIX Free-form 型锥齿轮铣齿机和磨齿机被誉为锥齿轮加工机床的一次革命性变革[14]。

与传统机床相比,它大大简化了机械结构,提高了机床的刚度、精度和稳定
性,而且提供了多达25个调整参数,可以实现齿面的精确控制和修形。

国内这类加工设备有[15]:长沙铁
道学院研制的YK2212数控铣齿机,这种铣齿机设计先进,与机械铣齿机相比,具有刚性好,精度高,更换品种快等优点。

秦川机床公司和重庆机床厂也展出了代表20世纪90年代国际先进水平的的YK7332型和YK7320型数控成形磨齿机。

近几年,国内在数控机床的研制上有了长足的进步:华中科技大学探讨了基于通用五坐标数控机床螺旋锥齿轮NC 加工。

在计算机上,对螺旋锥齿轮数控加工进行了仿真,并给出
了相应的计算和实验结果[16]。

陕西秦川机械发展股份有限公司和西安交通大学联合开发的YH2240六轴
五联动螺旋锥齿轮加工中心
[17]为国内机床中的高水平的典型代表。

另外,由于经济的原因,我国的数控机床数量不多[13],故由普通机床经过改造实现部分数字控制的机床数量大大增加,如文献[18]提到的普通车床数控化改造;再如河南科技大学将日本丰精密机床厂GH -35弧齿锥齿轮加工机床成功改造成两轴数控机床,由两旋转轴分别控制摇台和工件转动,实现高阶曲线的编程加工,在国内还是首例,比Free -form #41# 第1期张 静等:我国锥齿轮技术的现状和发展动向
机床更为简捷、方便。

近年来,锥齿轮修形技术已广泛应用于航空、汽轮机等高速锥齿轮上以降低噪声,矿山、冶金等重载齿轮采用修形技术改善齿面载荷分布与承载性能。

锥齿轮修形的设计与加工已成为锥齿轮研究领域中的一个重要组成部分[19]。

数控加工锥齿轮修形克服了传统加工方法的缺点,能够保证高精度的加工要求。

文献[19]提出了齿轮修形的数控规律和设计方法,并对数控修形齿轮的啮合特性加以分析,总结出了齿轮修形设计与加工的一体化方法。

1.3 锥齿轮材料
我国制造锥齿轮的材料主要是钢,其次是铸铁,在某些场合,也可使用非金属材料[20]。

从经济性考虑,在锥齿轮设计制造时,一般应优先选用价廉、易得的优质碳素钢,尽量少用或不用昂贵的合金钢。

用于制造锥齿轮的非金属材料主要是塑料,如夹布胶木、木质塑料以及尼龙等。

塑料锥齿轮的振动和噪音小,但其承载能力低,可用于高速轻载和要求低噪音的场合。

国产材料加工的锥齿轮在齿面接触、齿根弯曲和齿面胶合三方面的承载能力比较差,有时热处理技术也落后,因此常导致锥齿轮的强度不高,噪音较大[21]。

2 我国锥齿轮技术的展望
新一代锥齿轮技术的发展趋势是:绿色制造和低噪声、低消耗以及高耐用性
[22]。

(1)锥齿轮参数设计
¹非零传动设计将会大幅度推广;º纯滚动或低滑动的新齿形将会出现;»各种标准化的齿形制将被专家系统所代替;¼现代机械和信息技术的成果将会得到广泛应用,例如用创造性思维开发广义优化设计(建摸/方案分析/动态分析/遗传算法),大系统设计(人-机-环境)
[23],绿色经济,新产品虚拟设计[23],工业艺术造型设计和精益生产
[23],智能制造,虚拟制造等等。

(2)锥齿轮的加工
用数控CNC 齿轮加工机床代替复杂内传动链机床,其最大优势是具有精密分度作用。

在高效率精加工方面的创新表现在以下几点:推广立方碳化硼(CBN)刀具材料的磨齿技术;运用高新技术改造传统齿轮加工机床、实现锥齿轮的数控加工;采用数控加工齿轮修形,为高质量、高可靠性的锥齿轮传动的设计和制造提供了技术手段。

齿轮数控技术最关键的发展方向是,数控机床专家和齿轮专家一起,针对锥齿轮的设计和加工特点,协作开发出自动化程度高的新型数控机床,使我国的锥齿轮将更有竞争力。

(3)锥齿轮材料
质量轻、有吸振和自润滑性能的复合材料或工程塑料有着许多钢材所不具备的优点,如果解决现存的热膨胀,高温变性等缺点,则齿轮从设计到加工,将具有更广阔的前景。

但这需要材料学科的研究人员和齿轮专家一起,共同进行研究和开发。

(4)锥齿轮传动质量的最终要求是绿色制造、低材耗、低能耗,长寿命和低噪声。

3 结束语
为满足锥齿轮传动的高精度、高效率的要求,采用优良的设计方法,先进的数控设备,同时采用数控加工锥齿轮修形,是当前齿轮制造行业主要的发展趋势。

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Actualities and Prospects of Spiral Bevel Gears -Technology of China
Z HANG Jing,YANG Hong -Bin,DENG Xiao -Zhong,LIANG Gu-i Ming
(Electromech.Eng.Coll.,Henan Univ.of Sci.&Technol.,Luoyang 471003,China)
Abstract:The general discussion for the present situation and the prospects of spiral bovel gears technology is the important basis for promoting the deep development and systematical research of the spiral bevel gear -industry.On the basis of the design,manufac turing and material of the gears,it is presented that non -modifica tion and the local synthesis represent the advanced designing methods,the use of local synthesis used in C NC is the essential way to attain good meshing,the uses of high quality carbon -steel,c omposite material and engineering plastics and so on are the necessary guarantees which extend the application domain of gears,the trend of gear -technology is the manufacture without pollution,low noise,fe w consumption and durable.
Key words:Bevel gears;Non -zero modification;Local synthesis;Meshing quality #
43# 第1期张 静等:我国锥齿轮技术的现状和发展动向。