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1、国内锥齿轮技术进展综述Developmental Summarization of Bevel Gears-Technology of China作者王延忠, 北京航空航天大学,100083; 张以都, 北京航空航天大学,100083; 汪苏, 北京航空航天大学,100083; 阮德林, 北京航空航天大学,100083会议名称第四届中日机械技术史及机械设计国际学术会议会议时间会议地点北京主办单位中国机械工程学会会议分类机械、仪表工业母体文献第四届中日机械技术史及机械设计国际学术会谈论文集页码146-153北京航空航天大学 100083Wang Yanzhong, ZhangYidu, Wang
2、 Su, Ruan DelinBeijing University of Aeronautics andAstronautics, Beijing 100083, ChinaAbstract:Onthebasisoftheresearchhistory,thepresentdevelopmental summarizationandthedevelopmentaltrend,itsystematicallyexpatiatesthe developmental situation of Chinese bevelgears-technology. And on the basis of the
3、 design, manufacturing, material and heattreatment,damnification and lubrication, itdetailedlypresentsthepresentdevelopmentalsummarizationandthe developmental trend.Key words: Bevel gears, Research history Present developmental summarization,Developmentaltrend锥齿轮是机械上用来传递空间相交轴的运动和动力的要紧零部件，其传动相当于一对节圆锥
4、作相对的纯转动运动。依照齿长曲线特点，锥齿轮可分为直线齿锥齿轮(直齿锥齿轮、斜齿锥齿轮)和曲线齿锥齿轮(弧齿锥齿轮、摆线齿锥齿轮、准双曲线齿锥齿轮)。传统的直齿和斜齿锥齿轮因承受单齿分度法加工，效率较低，且相较一样尺寸的螺旋锥齿轮，其重迭系数、承载力量及传动平稳性都相对逊色，因此，在重载齿轮传动的条件下，己渐渐被螺旋锥齿轮所替代。在齿轮技术争论方面，我国和其他工业兴旺国家一样，是以微分儿何为根底， 争论齿轮的儿何学、运动学，从而形成完整的、较为系统的齿轮啮合理论，为齿轮齿形的优化设计和齿形的争论与开发供给靠得住的理论根底和有效手腕。在此根底上，进而对锥齿轮技术进展了深切而系统的争论。在我国较早
5、开展齿轮技术争论的是哈尔滨工业大学李华敏教授，他长期从事齿轮理论和加工技术的争论工作，其代表高作有齿轮手册 1,渐开线齿轮的几何原理与计算2等。1974 年，北京齿轮厂的工人、技术人员和干部，通过总结该厂数年来生产螺旋锥齿轮的实践体会，并搜集了相关资料编写了螺旋锥齿轮3，书中较全面地论述了螺旋锥齿轮生产中的有关问题，可是该书并无对其中的技术进展较为深切的争论。自 1972 年以来，我国第一由数学工作者对齿轮啮合理论的数学根底方面，作了系统的争论。南开大学数学系成立了齿轮啮合理论争论小组，严志达、吴大任等人前后发表了数篇论文5, 6，总结了我国对齿轮啮合理论的最争论成效。吴序堂编著的齿轮啮合原理
6、7那么系统论述了齿轮啮合的大体原理，这些成效都为我国齿轮技术的争论奠定了必备的理论根底。随后原机械工业部把“格里森成套技术的争论”列为重点科研工程， 组织了很多院校、工厂攻关，在理论和实践方面都取得了较大的收成。中南大学曾韬编著的螺旋锥齿轮设计与加工8把螺旋锥齿轮轮坯设计、切齿计算都归结为计算某一对准双曲面齿轮的节面参数和节点曲率，在弄清准双曲面齿轮节面各参数之间关系的根底上，只需用初等数学方式和简洁的公式代换，就能够够导出各类格里森计算卡的全部公式，从而组成一个完整的体系，即所谓的“节面分析法”。郑昌启编著的弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮9通过周密而简明易懂的数学解析方式，争论了用于弧齿锥齿轮和准
7、双曲面齿轮设计的局部共扼原理， 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进程，说明白各部份计算的共扼啮合原理。关于锥齿轮的另外两种齿制 :克林根贝尔格(Cyclo-Palloid)制锥齿轮和奥利康(Oerlikon )制锥齿轮，我国学者也进展了不懈的探讨和争论。中国农业大学董学朱导出了奥利康和克林根贝尔格锥齿轮铣齿机差速挂轮比和分齿挂轮比计算通式，并对摆线齿锥齿轮持续分类法铣齿原理进展了系统争论 13。另外，他还对克林根贝尔格制锥齿轮加工方式和奥利康制锥齿轮在SKM2 型铣齿机上的加工方式进展了分析，依照共辘齿面啮合理论，提出了一种展成克林根贝尔格制延长外摆线锥齿轮精准的切齿调整计算
8、方式14 o另外，石凤山、李润芳等人也在锥齿轮理论、设计和加工方式等方面进展了不懈的争论，取得了可喜的成效，有效地推动了我国锥齿轮技术争论的不断深切。据中国齿轮工业协会不完全统计，目前我国有锥齿轮生产厂家 80 多个，生产的锥齿轮产品也普遍应用到众多相关行业中。我国的锥齿轮行业取得了长足的进步，可是由于我国的锥齿轮进展起步晚，与国外先进工业国家的进展水平相较还存在着较大的差距。3. 1 锥齿轮设计目前，我国锥齿轮的设计方式要紧有三种:利用格里森标准进展参数设计、基于局部综合法的啮合仿真设计和非零变位设计。利用格里森标准进展参数设计我国普遍利用于汽车、拖沓机、机床、航空、航海等领域中的螺旋锥齿轮
9、(即弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮)多数承受美国格里森(Gleason)齿制。这种齿轮的设计与制造方式严密联系在一路，理论较深，机床的操作调整也很简单，格里森公司又从不公布其公式来源。通过我国众多齿轮学者的不懈探讨，理论上不仅解密了格里森计算公式的来源，而且有所创和进展。如西安交大吴序堂教授等人提出的“点啮合共振面失配传动性能的预控”理论，能够有效地预先操纵抱负的传动性能，并使计算工作量大为削减，在实践中取得了特地好的成效20。重庆大学郭晓东教授研发的“锥齿轮及准双曲面齿轮设计分析”软件21,在国内也取得了普遍应用。最近几年来，咱们在齿面接触区分析(TCA)，加载齿面接触分析(LTCA)及有限元分析
10、等齿轮理论分析方面，也取得了紧跟世界最理论和技术的争论成效，并在生产实践中取得应用。笔者在文献23中具体争论了用 B 样条函数拟合表示的螺旋锥齿轮轮齿齿面接触分析方式，成立了螺旋锥齿轮拟合齿面的接触点求解模型，给出了拟合齿面接触区及传动误差曲线的绘制方式 .华中科技大学利用齿面接触分析设计齿面，为齿轮 NC 加工运动计算供给了的途径24.西北工业大学方宗德结合局部综合的切齿参数设计、TCA 技术和 LTCA 技术，提出了高重合度螺旋锥齿轮的设计思想和设计方式，组成了迭代设计和仿真软件，取得了重合度接近或 3.。的高重合度螺旋锥齿轮传动26。西安大路交通大学依照螺旋锥齿轮副的接触特性及赫兹理论，
11、确信出螺旋锥齿轮轮齿的载荷边界条件，成立了当量螺 147 旋锥齿轮轮齿的三维有限元计算模型，并进展了弯曲强度分析27. 基于局部综合法的啮合仿真设计教授于 20 世纪 60 年月提出的局部综合法28,29，其要紧思路是预先规定啮合要求，即确信参考点位置、接触椭圆尺寸、接触途径方向和传动比函数的一阶导数。然后依照参考点位置和选定的大轮刀具，计算大轮机床设置参数。由大轮加工参数，唯一地确信大轮齿面，依照产形轮和大轮在切削中的线接触条件， 可计算取得参考点处全数二阶参数。再由预先规定的啮合条件和齿轮副的点接触条件，算出小轮齿面在参考点处的全数二阶参数。最终依照小轮切削时产形轮与小轮的线接触条件，即可
12、算出知足小轮参考点二阶参数要求的全数机床和刀具参数。至此，大轮和小轮齿面完全确信，而且严格知足预先规定的啮合要求。这是一种用于争论近似啮合的方式，其目的是要在指定的接触点邻域内到达最正确的啮合质量。到 80 年月末，该方式己臻于完善。方宗德等人进展了基于局部综合法的弧齿锥齿轮磨齿加工参数设计的争论 311，指出承受该方式能够准确操纵齿面参考点的一阶、二阶接触参数，即能够准确操纵齿面上参考点的位置、参考点处接触轨迹方向、接触椭圆大小和传动比转变率，较之传统利用的调整卡方式具有较大的优越性。非零变位设计曲齿锥齿轮设计中，由于轴交角是依照实际要求确信的，设计前后不能转变， 因此传统的锥齿轮设计中，为
13、保证变位前后轴交角不变，都承受零变位设计。这种零变位思路局限于锥齿轮的变位只能是节锥变位、分锥不变，而无视了分锥与节锥位置的转变是相对的。河南科技大学梁桂明教授那么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”的思路，制造了一种型的非零传动曲齿锥齿轮技术【33，目前己在一些传动装置中推行应用锥齿轮加工弧齿锥齿轮的加工，于 1956 年由一汽承受原苏联援建技术，实现国产化生产。1967 年，东风车桥股分与萦江齿轮厂第一次引进美国格里森公司的成套设备， 并接踵由天津第一机床厂、南京机床厂及内江机床厂进展国产化切齿设备的研制，从而奠定了我国弧齿锥齿轮加工的物质技术根底。目前，我国的锥齿轮
14、生产厂家，大部份设备仍旧依托于入口。随着对锥齿轮技术争论的深切，我国也加速了对锥齿轮生产设备的研制和开发。尤其随着数控加工技术的进展，加速数控加工设备的研发更是具有重大的意义。具有代表性的设备有:中南大学于 1999 年和 2023 年前后研制成功的我国第一台六轴五联动 YK2212数控螺旋锥齿轮铣齿机和要紧用于汽车齿轮加工的YK2245 数控螺旋锥齿轮铣齿机，被誉为我国数控机床领域的六大跨越之一。2023 年，中南大学又成功研制出 YD2045 型数控螺旋锥齿轮磨齿机，该机去掉了传统凸轮鼓轮和全部调剂环节机械传动链，用运算机操纵，使我国成为世界上第三个能够生产这种高周密机床的国家，打破了外国
15、的技术垄断，填补了国内空白，是我国高精度数控机床领域的一个冲破。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，在运算机上对螺旋锥齿轮数控加工进展了仿真，并给出了相应的计算和试验结果35.宝鸡绒西磨棱机厂的 YMDV 和 YMDV 50 两种弧齿锥齿轮磨棱机是 2023 年开发的产品，是目前国内性能较好的、能解决弧齿锥齿轮主、从动轮齿端全齿形磨棱加工的设备，同时还具有 YM II 与 YMIII 型磨棱机的加工功能。陕西秦川机械进展股分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更是代表了国内弧齿锥齿轮加工技术的最高水平，该加工中心在具有与国外同类铣齿机
16、一样加工精度和功能的情形下，在刀具装夹上斗胆引入了加工中心的概念，特地设计了国际初创的 3148副刀盘换刀式旋转刀库，工件一次装夹后可完成粗切、精切凸面、精切凹面等工序。另外，天津第一机床厂也研制生产了 YKD2240 数控弧齿锥齿轮铣齿机和YKD2940 数控弧齿锥齿轮拉齿机。最近几年来，锥齿轮修形的设计与加工已成为锥齿轮争论领域中的一个重要组成部份。锥齿轮修形技术己普遍应用于航空、汽轮机、矿山和冶金等领域中的高速重载锥齿轮上以降低噪声、改善齿面载荷散布与承载性能。数控加工锥齿轮修形抑制了传统加工方式的缺点，能够保证高精度的加工要求。文献【 37中对齿轮修形的原理和方式进展了综合论述:方宗德
17、提出了齿轮修形的数控规律和设计方式，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式38a锥齿轮材料及热处置锥齿轮材料材料是齿轮承载力量的根底，合理选用材料能够使齿轮在充分知足性能要求的同时，以最低的本钱生产出来。锥齿轮用的材料，应有足够的机械性能、低的本钱及良好的工艺性能。钢是我国制造锥齿轮顶用的最普遍的材料，其次是铸铁， 在某些场合，也可利用非金属材料。从经济性考虑，在锥齿轮设计制造时，一样应优先选用价廉、易患的优质碳素钢，尽可能少用或不用昂贵的合金钢。关于直径小于 400 mm 的锥齿轮，大部份用渗碳钢，汽车用螺旋锥齿轮中，儿乎全数都是渗碳钢(如 20CrMnT
18、i)。用于制造锥齿轮的非金属材料主假设是塑料，如夹布胶木、木质塑料和尼龙等。塑料锥齿轮的振动和噪音小，但其承载力量低，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力量比较差，有时热处置技术也落伍，因此常致使锥齿轮的强度不高，噪音较大。锥齿轮热处置齿轮的热处置要紧有调质、外表淬火、渗碳和碳氮共渗和渗氮等工艺。热处置是保证锥齿轮内在质量的关键，其质量的好坏与齿轮的承载力量及利用寿命有直接关系，同时对锥齿轮生产的其它工序也有特地大的阻碍。为此，我国在锥齿轮热处置方面，进展了不懈的探讨，并取得了可喜的成绩。为了适应汽车大量量生产的要求，我国在 20
19、世纪 60 年月末期，就开头自主研制持续渗碳装备(俗称无罐炉)。东风车桥股分建厂初期自行设计、制造了首台无罐炉。该公司80 年月又与一汽同时引进了美国 HOLCRDFT/LOFTU S 公司双排气体渗碳自动线，投产后， 又在消化吸取引进技术的根底上，坚持走国产化自主开发的道路，使该项技术日臻先进完善。由西安北恒实业公司开发的“BH 催渗技术”，2023年 7 月在一汽经中国热处置行业协会鉴定，被认定为一项国际领先的高技术。该技术提高了炉气中碳的活性，削减了炭黑，延长了氧探头及耐热件的寿命，在利用进程中不产生废气、废水及其他有害物质，可不能造成环境污染。锥齿轮的损伤和润滑依照齿轮损伤的本质，损伤
20、可分为轮齿折断、齿面疲乏、胶合、磨损、塑性变形及其他损伤。从损伤产生的机理上看，很多类型的齿面损伤如点蚀、胶合、磨损、塑性变形等都可通过合理的润滑来避开或减轻，因此，润滑关于齿轮传动的工作力量有着特地大的阻碍。正确的润滑，能够提高齿轮的承载力量，削减齿轮的失效，延长齿轮的寿命，提高齿轮的传动效率。我国齿轮润滑技术争论起步较晚，自 20 世纪 80 年月以来，有关部委投入了大量的人力、财力开头争论齿轮润滑技术。随着我国大型成套设备及汽车制造业的进展，润滑己经作为齿轮传动中一项重要技术渐渐进展起来。关于高质量的弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮来讲，在设计进程中必需考虑其润滑特性，由于润滑状况的好坏严峻阻碍
21、着齿轮副的疲乏寿命、传动效率和运动稳固性。最近几年来，我国锥齿轮润滑技术己经在理论争论和实际生产中取得了长足的进步。弧齿锥齿轮作为航空发动机中要紧的传动部件，与一样机械中的弧齿锥齿轮相较，其工况条件相对恶劣。加上弧齿锥齿轮齿面接触是局部点接触，关于形成油膜加倍不利。同时，也给油膜计算和润滑状态分析带来不便 .文献40利用空间点接触齿面啮合理论的矢量法，推导了啮合点位置、接触点曲率半径和齿面上接触点的运动速度及其方向。以轮齿加载接触分析(LTCA)方式确信各瞬时单齿承载百分比。计算两齿面间的油膜厚度和膜厚比，作为润滑状态的理论判据。同时以扫描电镜观测分析 300 小时台架试验后的齿面形貌，结合理
22、论判据，确信典型工况下的弧齿锥齿轮齿面润滑状态。文献411 提出了弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮润滑和加载接触分析的方式， 将热弹性动力润滑分析(Thermal-EHL)和轮齿加载接触分析(LTCA)结合在一路加以考虑。运用 LTCA,能够取得齿轮副的接触状况，轮齿外表的几何特性，和进展轮齿啮合外表热弹性 流体动力 润滑分析 所需的法向 载荷和 运动参数等 。从Thermal-EHL 的分析结果中，设计者能够取得包括油膜形成力量，油膜压力散布和温度增升等的润滑特性。在 LLTCA 模型中，综合成立了轮齿接触和润滑特性与运转条件和齿轮加工所打算的几何特性之间的联系。文献42, 43以某航空发动机弧齿锥
23、齿轮为争论对象，在弧齿锥齿轮加载接触分析根底上，利用空间曲面共扼原理，成立起适合弹流润滑分析的动态坐标系， 确信出动态坐标系与几何齿面、刀具产形面坐标系之间统一的变换关系。用点弹流润滑理论对高速弧齿锥齿轮在啮合进程中各啮合点的油膜压力散布、油膜温度散布和油膜厚度散布情形进展争论，确信出啮合进程中最小油膜厚度、最大油膜压力等润滑特性的转变规律，并查找出了载荷、速度和润滑油粘度等因素对轮齿弹流特性的阻碍规律。一代锥齿轮技术的进展趋势是长寿命、高靠得住性、低本钱和优良的传动性能。锥齿轮参数化设计随着我国学者对格里森制螺旋锥齿轮争论的不断深切，该齿制锥齿轮的应用将加倍普遍，其技术理论也将渐渐进展;基于
24、局部综合法的啮合仿真设计随着其理论的不断进展和完善，将成为锥齿轮设计先进方式的代表 :随着运算机技术、信息技术、自动化技术在现代机械制造业中的普遍应用，和与传统的制造技术相结合，锥齿轮先进制造技术将会取得前所未有的进展，例如用制造性思维开发广义优化设计(建 pi-方案分析/动态分析/遗传算法)，大系统设计(人一机一环境)，绿色经济，产品虚拟设计，工业艺术造型设计和精益生产，智能制造， 虚拟制造等等。锥齿轮的高精度加工运算机数控技术的飞速进展，将致使数控 CNC 齿轮加工机床渐渐代替简单的内传动链机床，其最大优势是具有周密分度作用。在高效率精加工方面的创表此刻以下几点推行立方碳化硼(CBN)刀具
25、材料的磨齿技术;运用高技术改造传统齿轮加工机床、实现锥齿轮的数控加工;承受数控加工齿轮修形，为高质量、高靠得住性的锥齿轮传动的设计和制造供给了技术手腕。锥齿轮材料及热处置可控技术今世锥齿轮对承载力量、精度、靠得住性的要求愈来愈高，因此，对材料的要求更高，ISO 对材质的品质评定操纵日趋严格，突出表此刻普遍承受操纵淬透性宽度的“H”钢和真空脱气、真空浇注或电渣重熔净化钢，借以显著提高锥齿轮的接触疲乏和弯曲疲乏强度及冲击韧性，特地是改善钢的横向性能，削减产品的热处置变形，使钢的利用性能和靠得住性取得保证。另外，质量轻、有吸振和自润滑性能的复合材料或工程塑料也将是锥齿轮材料的一个进展方向，可是目前还
26、有诸如热膨胀、高温变性等缺点急需解决。这些都急需材料学科的争论人员和齿轮专家一路，一起进展争论和开发。随着锥齿轮利用参数的提高和锥齿轮加工技术的进步，锥齿轮热处置更着重向硬齿面方向进展。在硬齿面热处置工艺中，渗碳(包括 C 一共渗)热处置锥齿轮具有最正确的综合力学性能，成为锥齿轮的主导热处置工艺，尽管我国在热处置技术方面己经取得了显著的争论成效，可是热处置设备及工艺参数操纵水平方面的争论仍旧是我国锥齿轮热处置技术争论的方向。锥齿轮润滑技术目前，我国还有很多企业领导及设备治理人员对锥齿轮润滑学问缺乏了解， 对合理润滑的重要性生疏缺乏，致使锥齿轮在利用进程中过早失效。因此，我国的锥齿轮润滑技术的理
27、论争论和实践利用，仍旧任重道远。5 终止语围围着长寿命、高靠得住性、低本钱、优良传动性能的螺旋锥齿轮设计、制造技术争论将是我国锥齿轮技术进展的重要主题。参考文献1 齿轮手册编委会齿轮手册.北京:机械工业出版社，1990.2 李华敏，韩元莹，王知行等.渐开线齿轮的几何原理与计算.北京:机械工业出版社，1985.3 北京齿轮厂.螺旋锥齿轮.北京:科学出版社，1974.南开大学数学系齿轮啮合理论争论小组.齿轮啮合理论的数学根底.(一)、(二)，数学的实践与生疏1976 年第 1, 2 期;(三)，应用数学学报1976 年第 2 期.5严志达论共辘齿面的法曲率关系及应用.机械工程学报，1979 年第
28、1 期. 6吴大任.微分几何讲义.北京:人民教育出版社，1960 年.7 吴序堂.齿轮啮合原理.北京:机械出版社，1982.8 曾韬.螺旋锥齿轮设计与加工.黑龙江:哈尔滨工业大学出版社，1989. 9郑昌启.弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮北京:机械工业出版社，1988.10北京齿轮机床厂.格利森锥齿轮技术资料译文集第一分册.北京:机械工业出版社，1986 年.川格利森公司编，北京齿轮厂编译格利森锥齿轮技术资料译文集其次分册格利森锥齿轮设计及计算.北京:机械工业出版社，1983 年 07 月.格利森锥齿轮强度分析及计算.北京:机械工业出版社，1984 年 03 月.机械传动，1999 年第 23 卷第
29、 2 期:29-30.机械传动，1997 年第 21 卷第 4 期:41-47.15李润方，郭晓东，林超，龚道香，杨仁华.齿轮传动运算机关心工程软件系统.机械传动，19%年 S1期:5-6.151161 王小椿，王军，姜虹，李润方，冯文军.螺旋锥齿轮的齿面测量及机床加工参数修正.机械工程学报，2023 年第 8 期.171 郭星辉，鄂中凯，陈良玉，王延忠.弧齿锥齿轮波动共振条件分析.航空动力学报，1995 年第 10 卷第 1期:13-16.18郑夕健，鄂中凯，邢俊干.弧齿锥齿轮齿根应力的阻碍因素分析 .沈阳建筑工程学院学报，1997 年第 13 卷第1 期:5-7.191 陈良玉，刘志峰，丁津原，于宏军.Klingelnber