第一拖拉机股份有限公司齿轮厂河南洛阳471003
摘要:介绍了面齿轮传动的概念及其应用。通过与同样是传递相交轴运动的锥齿轮传动的对比,分析了面齿轮传动的优缺点。简述了面齿轮传动的发展历史以及近年来国内外的最新研究进展与研究成果。最后,提出了今后面齿轮在理论、制造、测量等方面的主要研究方向。
关键词:面齿轮;锥齿轮;机械传动
1引言
面齿轮传动(FaceGearDrive)是一种圆柱齿轮与面齿轮相啮合的传动,主要用于实现传递轴与被传递轴包含一交角的运动。根据面齿轮上轮齿方向的不同,可将面齿轮分为直齿、斜齿和弧齿三种类型;还可以根据面齿轮传动两个轴之间的相互位置关系,将其分为相交和交错两种情况。面齿轮一般应用于减速比大于3.5以上的传动。面齿轮由于与圆柱齿轮啮合,使面齿轮的内径位置齿厚变薄,有时甚至会出现顶尖现象(齿顶厚度为零)。因此,传统的面齿轮传动适用于传递较低的载荷。钓鱼卷线器、无链式自行车以及机车化油器等低速、低动力系统均采用了面齿轮传动。随着对面齿轮的研究逐渐深入,特别是精密面齿轮磨齿机的出现,使面齿轮已开始越来越多地应用于需要高速、高动力的航空器上。例如,直升机的设计要求实现轻量化,以面齿轮作为分担动力传输,就可以达到这一目的。同时,由于面齿轮在国防工业中的广泛使用,提升了人们对面齿轮的研究兴趣。近年来,面齿轮的制造和测量技术也得到了快速发展。本文通过与锥齿轮的对比,阐述了面齿轮的传动特点,同时介绍了国内外面齿轮研究的进展与成果,并提出了今后的研究方向。
2面齿轮传动的特点
面齿轮传动与锥齿轮传动一样,都是传递包含一定交角的运动。通过对比这两种传递方式的优缺点,就可以了解面齿轮的传动特点。相对于锥齿轮传动,面齿轮传动具有以下几方面的优点:
(1)面齿轮传动是通过面齿轮与圆柱齿轮的相互啮合来实现传动。由于小齿轮为圆柱齿轮,其轴向移动产生的误差对传动性能几乎没有影响。而在锥齿轮传动过程中,两锥齿轮的锥顶要重合。如果产生轴向误差,将会引起严重的偏载现象。因此,在一些重要的锥齿轮传动中,要专门进行防位错(防止锥顶分离)设计。同时,由于面齿轮传动的小齿轮是直齿圆柱齿轮,无轴向作用力,可以简化支撑,减轻系统的结构重量,这对于航空工业中空间受限和要求轻量化的场合非常有利。
(2)虽然面齿轮传动仍然属于点接触传动,但在理论上仍然能够保证定传动比传动,因此面齿轮传动的振动和噪声较低。而点接触锥齿轮传动从原理上已不能保证定传动比传动,其传动比会在一定范围内波动。
(3)由于锥齿轮在制作过程中很多都是采用配对制造,即在制造过程中,首先加工出小齿轮,然后根据小齿轮的齿面加工出与之配套使用的大齿轮。
因此,一对锥齿轮在使用过程中不能像圆柱齿轮那样具有互换性。由于小齿轮更容易磨损,失效更快,因此在更换时只能同时更换一对锥齿轮。而面齿轮传动的小齿轮是直齿圆柱齿轮,因此具有较高的互换性。
(4)由于锥齿轮(特别是弧齿锥齿轮)的齿面形状比较复杂,在制造过程中,齿面的形状也不统一,因此由不同厂家生产的锥齿轮通常齿面形状不一样,参数也不同(如格里森制、奥利康制锥齿轮),这对于锥齿轮的加工制造、检测及维修造成了很大麻烦。而面齿轮则具有统一的理论齿面。
(5)与锥齿轮传动相比,面齿轮传动具有较大的重合度。面齿轮的重合度可以达到2.0以上,而重合度大对于提高承载能力和增加传动的平稳性很重要。
(6)与锥齿轮传动相比,面齿轮传动可以减轻重量,结构也更紧凑。这一特点对于重量限制要求较高的航空工业特别重要。
同样,由于面齿轮齿面的特殊性,面齿轮传动相对于锥齿轮传动也存在以下不足:
(1)在圆柱齿轮、锥齿轮的加工过程中,采用一种刀具可以加工同一模数、不同参数的齿轮。而面齿轮加工采用的刀具尺寸与实际啮合的圆柱齿轮相同,因此,对于不同尺寸和齿数的面齿轮来说,其加工刀具的参数也各不相同,这样就会增加刀具数量,提高加工成本。
(2)由于面齿轮反映在齿宽方向的形状不同,内径处有根切现象,外径处有尖角现象,因此,面齿轮的齿宽不能设计得太长,在传动强度上受到一定限制。
尽管与锥齿轮传动相比,面齿轮传动存在上述缺点,但是,随着技术的发展,这些缺陷能够得到弥补。例如,通过改善齿轮材料的性能,可以提高齿轮的承载能力。因此,面齿轮的应用将会越来越广泛。
3面齿轮传动研究的历史与现状
早在上世纪40年代,已有研究面齿轮传动的文献。Buckingham采用投影几何方法研究了面齿轮的变化特点,其基本思想是:将面齿轮的轮齿看作是变压力角和变齿距的齿条。即把面齿轮啮合看作是在圆柱齿轮的不同轴截面上齿轮与齿条的啮合,据此可以画出不同位置处齿轮的近似齿形。50年代,Emilio和Dornig对正交轴线的面齿轮根切现象进行了研究。Sarri.O.E提出了一种面齿轮与螺纹状圆柱(或圆锥)蜗杆的传动(FaceWormGear);Litvin对该方法开展了进一步研究。这种齿轮传动具有重合度大的特点,与面齿轮和圆柱齿轮传动相比,改善了啮合特性,提高了齿轮传递载荷的能力和传递的平稳性。该方法不仅可用于相交轴传动,而且还可用于相错轴传动。
面齿轮的推广应用在很大程度上应归功于Litvin博士及其团队的相关研究。他系统研究了面齿轮的啮合原理,从啮合几何学原理上分析了根切和顶尖的条件,同时发展了点接触面齿轮,为将面齿轮应用于高速、重载传动打下了基础。虽然在理论上,面齿轮传动属于线接触啮合,且装配误差不会引起传动误差,但会引起接触斑点位置的改变。由于存在齿根根切和齿顶变尖,使面齿轮的齿宽不能太大,从而在各种误差的作用下可能发生边缘接触。锥齿轮(特别是弧齿锥齿轮)的啮合同样存在这一问题,解决方法是采用局部点共轭法来实现用点接触替代线接触。对于面齿轮的啮合,采用的解决方法是插齿刀的齿数比相啮合的圆柱齿轮齿数多1-3个齿,从而使接触区局部化,以实现点接触传动。研究团队还与美国军工企业合作,研制了加工精密面齿轮的磨齿机床,生产可用于飞机传动机构的高精度面齿轮。
随着面齿轮研究的深入,特别是设计的改进,使面齿轮的承载能力和转动速度大幅提高,从而进一步拓宽了其使用范围。在美国军方与NASA联合开展的ART(AdvancedRotorcraftTransmission)研究计划中,对面齿轮进行了高速重载研究,设计了采用面齿轮传动的新型直升机主减速器传动装置的分流传动机构。研究表明,与传统的锥齿轮传动相比,采用面齿轮传动可使传动装置重量下降40%,且动力分流效果好,振动小,噪声低。此后,美国DARPA(DefenseAdvancedResearchProjectsAgency)在TRP(TechnologyReinvestmentProgram)项目中继续对面齿轮传动技术进行研究,其主要目的是要把面齿轮传动技术应用于新一代阿帕奇直升机中。研究内容包括:各类面齿轮传动的齿接触分析;渗碳磨削面齿轮的制造与实验研究。欧洲很多国家也开始对面齿轮展开研究,如意大利的FACET正交面齿轮插齿加工仿真和磨齿原理研究计划,该计划由意大利阿古斯塔(Agusta)公司从1998年开始进行,主要研究面齿轮在航空传动系统中的应用,内容包括面齿轮传动的结构设计、初步理论研究、全尺寸实验研究和设计改进等。
面齿轮的研究在国内开展较晚。南京航空航天大学朱如鹏博士等人对面齿轮的啮合理论做了大量研究,主要集中于面齿轮的齿面生成、面齿轮齿宽的限制条件、无安装误差及有安装误差的齿接触分析、运动误差、重合度齿面曲率和齿面速度等方面。他们推导了齿面接触轨迹方程;实现了接触轨迹的可视化;分析了主要传动参数及各类误差对接触轨迹的影响;推导了运动角度误差和运动角速度比误差的计算公式;建立了无安装误差和有安装误差的面齿轮传动和重合度分析方法。这些研究对在国内进一步开展研究奠定了理论基础。西北工业大学方宗德教授及其团队在面齿轮的加工以及数值仿真方面也做了大量研究工作。
对于面齿轮的测量,目前广泛采用在测量机上进行测量或采用对滚接触斑点法进行检测。测量机可分为通用型和专用型。通用型测量机(如三坐标测量机)可利用测量软件实现对面齿轮不同齿面的误差测量。此类仪器测量精度高、使用范围广,但价格较昂贵,且测量操作较繁琐。专用型测量仪一般用于高精度面齿轮加工机床上,通过在机床上安装相应的测量装置来实现测量。高性能的CNC磨齿机通常都具有数控(NC)及多轴联动功能、精密线性旋转运动、闭环反馈系统和用于探测工件与砂轮位置的内置探针。利用这些功能,就能在磨齿机上实现在机测量。在加工机床上实现在机测量具有以下优点:①可方便、快捷地实现齿轮在线测量;②齿轮误差信息可直接应用于加工机床的闭环反馈系统;③可实现加工前、加工中和加工后测量;④消除了将工件从加工机床转移到检测仪器时产生的定位误差。
对滚接触斑点法是一种检测齿轮使用性能的有效方法,该方法同样适用于面齿轮的检测。由于面齿轮的齿面形状较复杂,因此了解其接触状况十分重要。而且,面齿轮的内圈存在顶尖现象,如果接触位置位于内圈,就有可能加速磨损并引起断齿,所以,准确判断面齿轮传动的接触位置和接触形状对于预测其传动性能具有重要意义。由于齿轮啮合检测设备简单,方法可靠,因此在面齿轮质量控制上使用较为普遍。同样,还可以通过施加载荷,检测面齿轮在不同载荷下的齿面接触状况。此外,通过调整齿轮加工机床的工艺参数,可以控制接触斑点的位置与形状。
目前,面齿轮测量技术在国内的研究刚刚起步。
北京工业大学石照耀教授在这方面进行了研究,并建立了面齿轮误差评定标准。通过开发相应的测量软件,实现了在坐标测量机(CMM)上测量面齿轮误差。
4今后的主要研究方向
虽然对面齿轮传动的研究已经取得了大量成果,但相对于比较成熟的圆柱齿轮传动和锥齿轮传动而言,还有许多课题需要进一步研究,尤其在国内,对面齿轮传动的研究还处于起步阶段。今后的研究方向和重点包括:(1)面齿轮传动理论的研究。主要包括:面齿轮的弯曲强度、接触强度和胶合强度分析、面齿轮的润滑研究、面齿轮误差对啮合的影响等。对圆柱齿轮传动和锥齿轮传动的动态特性研究已在国内外广泛开展,而对面齿轮传动的动态特性研究目前未见报道,这方面的研究工作也亟待开展。
(2)面齿轮制造技术和加工机床的研究。目前国外已有比较成熟的面齿轮加工设备。但在国内,面齿轮加工技术还处于初期阶段。虽然加工面齿轮的插齿机已研制成功,但其性能还有待进一步提高。
此外,还需要大力研制开发面齿轮精加工机床(如面齿轮磨齿机)。
(3)面齿轮测量技术的研究。主要包括:面齿轮测量理论的研究(包括测量原理、测量结果的误差分析、测量系统误差等);面齿轮测量仪器的研制开发,包括针对不同使用场合及使用要求,开发能准确、方便、经济地检测不同面齿轮误差的测量仪器;面齿轮测量软件的开发,目前国内已经开发出针对圆柱齿轮和直齿锥齿轮的测量软件,但面齿轮测量软件仍是空白。
5结语
通过以上分析,可以得出以下两点结论:
(1)相对于锥齿轮传动而言,面齿轮传动具有诸多优势,虽然也存在一些缺陷与不足,但随着研究的深入和技术的进步,面齿轮传动一定会获得越来越广泛的应用。
(2)相对于国外的发展水平,我国在面齿轮的加工技术和测量技术上还存在较大差距,尤其在面齿轮精密加工机床的研制、面齿轮测量仪器和测量软件的开发、完善等方面亟待提高。
参考文献：
［1］朱如鹏．面齿轮传动的啮合特性研究［D］．南京:南京航空航天大学，2000．
［2］沈云波，方宗德，赵宁，等．齿廓方向修形的斜齿面齿轮啮合特性研究［J］．中国机械工程，2008，19(18):2219－2222．
［3］赵庆彬，刘海军，李晓贞．面齿轮传动啮合刚度分析［J］．机械传动，2014(7):6－9．
［4］靳广虎．正交面齿轮传动的强度与动力学特性分析研究
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