端曲面齒輪副發(fā)展綜述＊

王瑤，連晉毅，邵珙

（1.太原科技大學(xué)，山西 太原 030024；2.中國鐵路太原局集團(tuán)有限公司，山西 太原 030000）

前言

機(jī)械工程中，齒輪傳動(dòng)方式應(yīng)用較為廣泛。隨著科技的發(fā)展和機(jī)械領(lǐng)域的進(jìn)步，人們對(duì)機(jī)械傳動(dòng)提出了不同需求，為了滿足一些特殊條件，研究人員已先后研發(fā)了非圓齒輪、雙圓弧齒輪、面齒輪、磁力齒輪、微線段齒輪等不同類型的齒輪傳動(dòng)類型。而端曲面齒輪傳動(dòng)就是在非圓齒輪和面齒輪傳動(dòng)的基礎(chǔ)之上提出的一種新型傳動(dòng)，該新型齒輪副的主動(dòng)輪為非圓齒輪，從動(dòng)輪為端曲面齒輪，其有效地結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)[1]。

林超等[2]最先提出了將接觸軌跡控制于局部的端曲面齒輪傳動(dòng)，并對(duì)該傳動(dòng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與研究，主要在齒廓設(shè)計(jì)、強(qiáng)度分析、接觸軌跡等多方面進(jìn)行了深入研究。端曲面齒輪傳動(dòng)可傳遞低速下兩軸間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，在破碎機(jī)、沖擊鉆等工程機(jī)械及汽車的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)中應(yīng)用前景廣闊。趙相路等[3]將端曲面齒輪傳動(dòng)應(yīng)用于柱塞泵中，設(shè)計(jì)出一種新型的柱塞泵—雙端曲面齒輪柱塞泵，該泵有效地提高了柱塞速度，減少了變化周期，在性能上較斜盤式柱塞泵具有明顯優(yōu)勢(shì)。林超、劉毅等[4]研發(fā)了一種新型復(fù)合沖擊鉆，利用端曲面齒輪副簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)沖擊鉆的構(gòu)造，提高了沖擊鉆的性能，延長了其使用壽命。王白王等[5]將端曲面齒輪副應(yīng)用于軍用汽車的差速器上，提出了一種十字軸式限滑差速器，可提高軍用汽車在非路面上的通過性。

1　端曲面齒輪副的理論研究

1.1　齒輪副的齒形齒廓

龔海等[1]已在齒形研究方面做了大量工作，其在理論上建立了端曲面齒輪副的模型，得到了主、從動(dòng)齒輪的節(jié)曲線方程以及齒頂、齒根曲線方程，推導(dǎo)了從動(dòng)輪的齒面方程，并提出了有效避免根切的方法，得到了端曲面齒輪一周期內(nèi)完整的齒廓形狀，開發(fā)了計(jì)算機(jī)模擬程序，完成了端曲面齒輪副的虛擬加工，這為實(shí)體的加工制造奠定了基礎(chǔ)。

1.2　齒輪副的性能

隨著現(xiàn)代化工業(yè)化進(jìn)程地發(fā)展，對(duì)齒輪精度、可靠性、使用壽命等的要求不斷提高，必須要對(duì)該齒輪副的相關(guān)性能進(jìn)行深入研究，才能最大限度發(fā)揮端曲面齒輪傳動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，使其得到充分利用。

李莎莎、顧思家等[6,7]分別對(duì)點(diǎn)接觸和線接觸端曲面齒輪副進(jìn)行了TCA（齒面接觸）分析，得到了端曲面齒輪傳動(dòng)的接觸軌跡，分析了安裝誤差存在下，嚙合過程中接觸軌跡的變化情況。林超、顧思家等[7,8]對(duì)點(diǎn)、線接觸端曲面齒輪的重合度計(jì)算方法進(jìn)行推導(dǎo)，得出對(duì)于端曲面齒輪傳動(dòng)，線接觸較點(diǎn)接觸的重合度大，這為后續(xù)的理論研究奠定了基礎(chǔ)。

王瑤等[9]對(duì)端曲面齒輪副嚙合過程中的受力情況進(jìn)行了研究，并提出了該齒輪副的瞬時(shí)當(dāng)量齒輪副概念，推導(dǎo)了端曲面齒輪的彎曲應(yīng)力和齒面接觸應(yīng)力計(jì)算公式，初步建立了端曲面齒輪副的強(qiáng)度計(jì)算體系，同時(shí)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的強(qiáng)度測(cè)量實(shí)驗(yàn)方法，為端曲面齒輪傳動(dòng)強(qiáng)度評(píng)價(jià)體系的建立提供可靠依據(jù)。

2　端曲面齒輪副加工與測(cè)量

2.1　齒輪副的加工方法

表1　端曲面齒輪實(shí)體加工方法

傳統(tǒng)齒輪多采用插齒、滾齒、磨齒、銑削等加工方法，但對(duì)端曲面齒輪，由于該齒輪齒面幾何形狀復(fù)雜，齒形呈現(xiàn)出周期性變化，采用傳統(tǒng)的加工工藝，需不斷對(duì)機(jī)床參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，若加工精度控制稍有差池，便會(huì)影響該齒輪副的嚙合質(zhì)量，故必須建立一套專用的加工方法。樊宇等[10]分別建立了數(shù)控機(jī)床加工模型以及增材制造模型，提出了四種加工端曲面齒輪特殊齒形的方法，并分別加工出了端曲面齒輪實(shí)體，見表 1。并對(duì)使用這四種方法加工出的輪齒實(shí)體進(jìn)行了對(duì)比分析。

2.2　齒輪副的測(cè)量

為了能夠合理控制齒輪的加工制造精度，需要對(duì)齒輪進(jìn)行誤差檢測(cè)，建立完善的精度評(píng)價(jià)體系。目前，常用的輪齒誤差測(cè)量儀器主要有齒輪嚙合檢查儀、超精密三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、CNC齒輪測(cè)量中心等。曹喜軍等[11]對(duì)端曲面齒輪的坐標(biāo)測(cè)量主要使用CNC齒輪測(cè)量中心，在齒輪副加工制造的基礎(chǔ)上，依據(jù)齒輪精度理論提出了針對(duì)該新型齒輪的誤差測(cè)量方法，基于此建立了一套端曲面齒輪的誤差計(jì)算公式和精度等級(jí)評(píng)定辦法。

3　端曲面齒輪副的發(fā)展趨勢(shì)

端曲面齒輪傳動(dòng)自2012年提出，已有了迅速發(fā)展，但研究工作仍在進(jìn)行，雖有所進(jìn)步，但其理論體系仍有欠缺，在齒面優(yōu)化設(shè)計(jì)、齒面加工等方面仍存在很大問題，還需在以下幾方面繼續(xù)進(jìn)行深入探索研究：

（1）在齒輪副的設(shè)計(jì)方面，齒面的優(yōu)化方法還未研究，導(dǎo)致幾何模型中齒面部分的光滑力度不夠，加工出的齒輪在實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)并不理想。

（2）在端齒輪副的性能方面，對(duì)該特殊輪齒進(jìn)行修形的要求迫在眉睫，其在一定程度上限制了該新型齒輪副的應(yīng)用。同時(shí)，還應(yīng)考慮如何通過輪齒修形，來優(yōu)化端曲面齒輪傳動(dòng)中的接觸狀況。該新型齒輪傳動(dòng)中，有關(guān)齒面瞬時(shí)接觸溫升和齒面抗膠合能力方面的性能表現(xiàn)也亟待探索研究。

（3）在齒輪副的制造方面，目前使用的加工方法雖可加工出實(shí)體，但是加工成本高、加工時(shí)間長，無法實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。仍需尋找一種經(jīng)濟(jì)、高效的加工方法。同時(shí)，還需要探討該齒輪磨齒修形的方法和技術(shù)，進(jìn)一步提高齒輪的制造精度。

（4）在端曲面齒輪的測(cè)量方面，目前所建立的精度評(píng)價(jià)體系較粗糙，仍需繼續(xù)研究該新型齒輪副的整體誤差測(cè)量方法，來完善評(píng)價(jià)體系。還可以考慮通過對(duì)輪齒修形，提高測(cè)量效率，簡(jiǎn)化精度測(cè)量方法。

（5）在端曲面齒輪副新產(chǎn)品的研發(fā)方面，該新型齒輪副在應(yīng)用方面，受其本身性能的影響，有一定的局限性，可以通過對(duì)齒形齒廓的變形，設(shè)計(jì)出新產(chǎn)品來滿足一些特殊要求。劉毅等[4]在端曲面齒輪傳動(dòng)的研究成果上提出了一種復(fù)合運(yùn)動(dòng)端曲面齒輪副。 曾東等[12]設(shè)計(jì)了斜齒端曲面齒輪副，可增大重合度，從而獲得良好的傳動(dòng)平穩(wěn)性。

4　結(jié)語

齒輪傳動(dòng)作為一種關(guān)鍵的傳動(dòng)部件，已廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、農(nóng)用機(jī)械、軍用設(shè)備等領(lǐng)域。作為一種新型的齒輪傳動(dòng)方式，端曲面齒輪傳動(dòng)在短短的六年時(shí)間里，發(fā)展迅速，足以證明我國制造業(yè)的發(fā)展水平已大幅提高。但是，端曲面齒輪傳動(dòng)的研究工作現(xiàn)仍處于起步階段，還需要大量研究人員對(duì)端曲面齒輪傳動(dòng)進(jìn)行全面細(xì)致地研究與探索，以完善該新型傳動(dòng)的理論體系，提出更加成熟的設(shè)計(jì)、加工、測(cè)量的方法，不斷創(chuàng)新。

[1] 龔海.正交非圓面齒輪副的傳動(dòng)設(shè)計(jì)與特性分析 [D]. 重慶: 重慶大學(xué),2012.

[2] Lin C, Gong H, Nie N, et al. Geometry design, three-dimensional modeling and kinematic analysis of orthogonal fluctuating gear ratio face gear drive[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Eng-ineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 2013,227(4): 779-793.

[3] 趙相路.雙端曲面齒輪柱塞泵復(fù)合傳動(dòng)特性分析[D].重慶大學(xué),2016.

[4] 劉毅.復(fù)合運(yùn)動(dòng)端曲面齒輪副的設(shè)計(jì)與分析[D].重慶大學(xué), 2016.

[5] 王白王,賈巨民,譚曉明.十字軸式限滑差速器端曲面齒輪副節(jié)曲線研究[J].軍事交通學(xué)院學(xué)報(bào), 2017, 19(10): 43-47.

[6] 李莎莎.正交變傳動(dòng)比面齒輪副齒面接觸分析[D].重慶大學(xué),2014.

[7] 顧思家.端曲面齒輪嚙合傳動(dòng)接觸特性分析[D].重慶大學(xué), 2016.

[8] 林超,顧思家,劉毅.點(diǎn)接觸端曲面齒輪副重合度分析[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版), 2016,46(2):471-478.

[9] 王瑤.端曲面齒輪傳動(dòng)的嚙合特性及承載能力分析[D].重慶大學(xué),2015.

[10] 樊宇.正交變傳動(dòng)比端曲面齒輪的加工方法[D].重慶大學(xué), 2015.

[11] 曹喜軍.端曲面齒輪的誤差檢測(cè)及分析研究[D].重慶大學(xué), 2015.

[12] 曾東.斜齒端曲面齒輪副傳動(dòng)設(shè)計(jì)及特性分析[D].重慶大學(xué),2016.