齒輪箱及其核心零件高功率密度技術(shù)的研究

劉波

（湖南省株洲市九洲傳動(dòng)機(jī)械設(shè)備有限公司，湖南 株洲 412000）

齒輪箱在各種機(jī)械中有非常廣泛的應(yīng)用，是指相互嚙合傳動(dòng)或相互配合聯(lián)接的各種齒輪裝置，是機(jī)械的關(guān)鍵核心部件。具有傳動(dòng)準(zhǔn)確、功率和傳動(dòng)比范圍大、制造精度高、承載能力穩(wěn)定、效率高、工作平穩(wěn)可靠、適應(yīng)性強(qiáng)、壽命長等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸車輛、工程機(jī)械、航空器、農(nóng)機(jī)、機(jī)床、兵器及能源、冶金、化工、輕工等行業(yè)裝備。應(yīng)用于各行業(yè)的齒輪箱結(jié)構(gòu)有各種型式，同時(shí)各具技術(shù)特點(diǎn)，隨著近年來交通運(yùn)輸?shù)犬a(chǎn)品輕量化的總趨勢的推動(dòng)，越來越多的齒輪箱產(chǎn)品在朝著一個(gè)共性的先進(jìn)技術(shù)方向發(fā)展——高功率密度技術(shù)：即齒輪箱傳動(dòng)功率較大的條件下，產(chǎn)品需要達(dá)到理想的結(jié)構(gòu)尺寸最緊湊且質(zhì)量最輕的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)。國內(nèi)高端齒輪箱產(chǎn)品行業(yè)起步相對(duì)工業(yè)發(fā)達(dá)國家較晚，多年來，不少技術(shù)引進(jìn)或借鑒是采取對(duì)來源逆向設(shè)計(jì)開發(fā)，往往沒真正進(jìn)行高功率密度技術(shù)的研究和設(shè)計(jì)，也幾乎沒有專門對(duì)高功率密度制造工藝的研究和應(yīng)用，不少產(chǎn)品的零部件實(shí)際性能指標(biāo)、能耗和最終使用壽命有較大的提高空間和需求。開展齒輪箱及其核心零件高功率密度技術(shù)的研究和應(yīng)用，能走在齒輪傳動(dòng)技術(shù)發(fā)展的前沿。針對(duì)具體產(chǎn)品進(jìn)行高功率密度設(shè)計(jì)和制造工藝技術(shù)研究和應(yīng)用，能在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中將核心傳動(dòng)件的性能和質(zhì)量可靠地進(jìn)行保證和提高，以真正提高其使用性能和壽命，減少制造成本，從而提供高端的齒輪箱產(chǎn)品。

1 研究內(nèi)容

主要研究齒輪箱及其核心零件的高功率密度技術(shù)，特別是其齒輪和箱體等核心零件的高功率密度設(shè)計(jì)和制造技術(shù)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

（1）在高功率密度設(shè)計(jì)緊湊的結(jié)構(gòu)使工作熱量積聚程度增大條件下的齒輪箱熱平衡技術(shù)。

（2）高功率密度設(shè)計(jì)精簡的尺寸和重量，影響強(qiáng)度條件下的齒輪箱承載能力可靠技術(shù)。

3 主要研究和應(yīng)用

3.1 設(shè)計(jì)

（1）先根據(jù)用戶要求進(jìn)行方案設(shè)計(jì)和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。按照主機(jī)系統(tǒng)技術(shù)要求，在考慮成本因素下設(shè)計(jì)方案和總體結(jié)構(gòu)要實(shí)現(xiàn)各使用功能且合理；注重緊湊結(jié)構(gòu)包括精簡尺寸的高功率密度設(shè)計(jì)。同時(shí)，進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)分析計(jì)算，包括齒輪傳動(dòng)副修形、彎曲與接觸疲勞、靜強(qiáng)度及膠合強(qiáng)度計(jì)算；軸承壽命計(jì)算；軸系剛強(qiáng)度計(jì)算；箱體受載應(yīng)力與變形的有限元分析計(jì)算；行星架等受載應(yīng)力與變形的有限元分析計(jì)算；連接和緊固計(jì)算；傳動(dòng)效率計(jì)算；熱功率及潤滑與冷卻設(shè)計(jì)計(jì)算；其他特殊的計(jì)算項(xiàng)目等。

（2）在上述過程中，重點(diǎn)進(jìn)行如下幾方面的研究和應(yīng)用。

①對(duì)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后的齒輪箱采取有效熱分析及其試驗(yàn)方法。通過運(yùn)用ANSYS Fluent和ANSYS Steady—State Thermal模擬分析齒輪箱在實(shí)際工作時(shí)，齒輪嚙合、軸承運(yùn)轉(zhuǎn)和箱體內(nèi)油氣混合物流動(dòng)所產(chǎn)生的熱量對(duì)箱體平衡溫度場分布的影響和潤滑油、軸承的溫度變化。在齒輪箱加載試驗(yàn)時(shí)采用了快速、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測運(yùn)行溫度的檢測方法及裝置，測試記錄齒輪箱熱平衡狀態(tài)下的實(shí)際最高油溫和軸承溫升，達(dá)到了齒輪箱最高允許油溫和軸承溫升技術(shù)指標(biāo)的要求。同時(shí)與上述熱分析值進(jìn)行比較，驗(yàn)證了該方法的可行性。最重要的是驗(yàn)證了齒輪箱注重緊湊結(jié)構(gòu)包括精簡尺寸的高功率密度總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在工作運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)達(dá)到熱平衡狀態(tài)的合理性。

②在齒輪箱體受載應(yīng)力與變形的有限元分析基礎(chǔ)上，試制樣機(jī)后對(duì)齒輪箱體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)合理性的驗(yàn)證和優(yōu)化采取了綜合試驗(yàn)方法。通過對(duì)齒輪箱體進(jìn)行氣密性試驗(yàn)和負(fù)載試驗(yàn)時(shí)的變形位置標(biāo)記和數(shù)據(jù)分析，能對(duì)齒輪箱體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，并且對(duì)齒輪箱體結(jié)構(gòu)包括軸承座、安裝連接位置、加強(qiáng)筋和突變壁厚等重要部位進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使高功率密度總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)下的箱體強(qiáng)度可靠穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)更為合理。

③行星齒輪傳動(dòng)采用幾個(gè)均勻分布的行星輪同時(shí)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。這些行星輪因公轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的離心慣性力和齒廓間反作用力的徑向分力可互相平衡，故主軸受力小，傳遞功率大。另外，由于它采用內(nèi)嚙合齒輪，充分利用了傳動(dòng)的空間，且輸入輸出軸在一條直線上，所以整個(gè)輪系的空間尺寸要比相同條件下的普通定軸齒輪系小很多。行星齒輪傳動(dòng)高功率密度的核心技術(shù)在于該傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)置多個(gè)數(shù)量行星輪，相當(dāng)于多個(gè)行星輪共同來分擔(dān)載荷。在確定傳動(dòng)比和外形尺寸條件下，設(shè)計(jì)的行星輪數(shù)量要盡可能多，其功率密度就越高，該功率密度接近與行星輪數(shù)量成正比。

④結(jié)合熱處理方式選擇比強(qiáng)度高的材料，比強(qiáng)度越高達(dá)到相應(yīng)強(qiáng)度所用的材料質(zhì)量越輕。當(dāng)箱體材質(zhì)為比強(qiáng)度高的鋁合金時(shí)，重量只有鑄鐵的一半左右。齒輪采用高強(qiáng)度、高淬透性的鎳系低碳合金結(jié)構(gòu)鋼滲碳淬火處理，滲碳后齒輪表面的化學(xué)成分接近高碳鋼，經(jīng)過淬火后得到很高的表面硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度，并保持心部有低碳合金結(jié)構(gòu)鋼淬火后的強(qiáng)韌性，使工件能承受沖擊載荷。因此滲碳淬火處理后綜合機(jī)械能力非常強(qiáng)，承載能力安全系數(shù)比中碳合金結(jié)構(gòu)鋼感應(yīng)淬火齒輪提高到1.4倍以上，比常規(guī)低碳合金結(jié)構(gòu)鋼滲碳淬火齒輪提高到1.2倍以上。

⑤在齒輪副定中心距條件下，滿足齒輪接觸疲勞強(qiáng)度條件下通過如下主要參數(shù)設(shè)計(jì)可直接增大承載能力，以提高功率密度：選擇大壓力角、增加變位系數(shù)、適當(dāng)增大齒輪模數(shù)和有效齒寬，但此時(shí)需要考慮重量或尺寸增大對(duì)功率密度的影響來有效利用空間尺寸或找到最佳平衡點(diǎn)，同時(shí)避免出現(xiàn)承載能力過剩。

3.2 制造

（1）研究有效的箱體鑄造和齒輪鍛造技術(shù)以提高綜合力學(xué)性能。鋁合金箱體采取低壓鑄造方法，冷卻補(bǔ)縮好、鑄件組織致密、力學(xué)性能高、內(nèi)在質(zhì)量可靠、能保證鑄造出薄壁復(fù)雜的箱殼，非常適合高功率密度技術(shù)的結(jié)構(gòu)。對(duì)齒輪鍛坯著重研究應(yīng)用盤類齒輪和軸類齒輪這兩種最主要結(jié)構(gòu)形式的鍛造工藝和工裝，研究應(yīng)用實(shí)現(xiàn)盤類齒輪鍛造時(shí)鍛出內(nèi)孔，軸類齒輪鍛造時(shí)鍛出各臺(tái)階，同時(shí)保證重要部位特別是齒部金屬纖維走向理想，這樣承載能力更強(qiáng)，同時(shí)充分提高了材料利用率。

（2）對(duì)軸類、行星架等承受較大拉伸應(yīng)力或彎曲應(yīng)力，且有沖擊載荷或受較大脈動(dòng)應(yīng)力作用的重要零件。從高功率密度技術(shù)角度出發(fā)，要優(yōu)先選用強(qiáng)度較高的合金結(jié)構(gòu)鋼，并且優(yōu)先考慮通過鍛造加工獲得毛坯，鍛造后內(nèi)部金屬晶粒細(xì)小，組織致密，又能經(jīng)受各種熱處理強(qiáng)化工藝，所以鍛造毛坯強(qiáng)度較高，韌性較好，承載能力強(qiáng)。鍛造行星架相比鑄件的內(nèi)在質(zhì)量和強(qiáng)度優(yōu)越很多，其結(jié)構(gòu)和尺寸可更小更緊湊，也使整臺(tái)齒輪箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)用緊湊而可靠性更強(qiáng)。

（3）研究應(yīng)用能有效提高綜合力學(xué)性能的鋁合金箱體熱處理技術(shù)。引進(jìn)或借鑒國外技術(shù)的高強(qiáng)度鑄造鋁合金齒輪箱，材質(zhì)歐標(biāo)AlSi7Mg0.3是國產(chǎn)化的重要材料，和國標(biāo)ZL101A材料相當(dāng)，要求綜合機(jī)械性能很高。這兩種材質(zhì)的鑄造鋁合金齒輪箱體熱處理方法非常重要，直接決定了齒輪箱體的力學(xué)性能和尺寸穩(wěn)定性。經(jīng)有效研究應(yīng)用的熱處理方法整個(gè)過程如下：先將齒輪箱固溶處理，溫度530～ 540℃，保溫時(shí)間n1（n1等于齒輪箱最大壁厚尺寸除以25mm后加上1h）轉(zhuǎn)移入水，時(shí)長≤25s，淬火水溫60～70℃；之后立即轉(zhuǎn)移入爐，時(shí)長≤25s，以每小時(shí)≤50℃的升溫速度升溫到適當(dāng)時(shí)效溫度后進(jìn)行時(shí)效處理，時(shí)效處理方法分兩種。采用時(shí)效處理方法1：時(shí)效溫度200～210℃，保溫時(shí)間7～9h后出爐空冷；采用時(shí)效處理方法2：時(shí)效溫度170～180℃，保溫時(shí)間n2（n2等于齒輪箱最大壁厚尺寸除以25mm后加上2h），出爐后立即進(jìn)行冷卻過程中的振動(dòng)時(shí)效處理。振動(dòng)時(shí)效為出爐后立即將齒輪箱體放置在耐高溫橡膠墊上，將激振器和傳感器固定于齒輪箱體上施加機(jī)械振動(dòng)，時(shí)長0.5h。齒輪箱經(jīng)上述固溶處理時(shí)，較低的淬火水溫和較快的冷卻速度增加了合金溶質(zhì)原子析出強(qiáng)化相而形成硬化區(qū)的數(shù)量，能使后續(xù)時(shí)效強(qiáng)化作用更大。采取時(shí)效處理方法1時(shí)，時(shí)效處理溫度接近完全時(shí)效溫度并且延長時(shí)效處理時(shí)間，能保證達(dá)到一定塑性指標(biāo)的同時(shí)，顯著提高拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，并且有很好的組織和尺寸穩(wěn)定性。采取時(shí)效處理方法2時(shí)，時(shí)效處理溫度在不完全時(shí)效溫度和完全時(shí)效溫度之間，能保證達(dá)到一定塑性指標(biāo)的同時(shí)顯著提高拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，之后進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效不但能進(jìn)一步消除內(nèi)部殘余應(yīng)力使箱體組織和尺寸特別穩(wěn)定，同時(shí)使合金溶質(zhì)原子析出強(qiáng)化相而形成硬化區(qū)更加快速和徹底。本方法能實(shí)現(xiàn)該齒輪箱鋁合金塑性指標(biāo)伸長率達(dá)到≥3.5%（A）的同時(shí)，提高抗拉強(qiáng)度值和屈服強(qiáng)度值到標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)的110%以上，并且內(nèi)部組織和尺寸特別穩(wěn)定。

（4）研究應(yīng)用齒輪箱體時(shí)效新方法提高其加工精度及穩(wěn)定性，以此來提高齒輪箱裝配使用性能，特別是明顯減少齒輪箱持續(xù)工作運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的軸承發(fā)熱量。通過試驗(yàn)測試對(duì)比，經(jīng)過下述創(chuàng)新時(shí)效處理方法，精加工后的齒輪箱體穩(wěn)定無變形，精度穩(wěn)定，而時(shí)效不徹底的箱體因殘余應(yīng)力導(dǎo)致變形會(huì)降低尺寸和形位公差精度達(dá)1～2級(jí)甚至更低。當(dāng)軸承孔尺寸和形位公差精度超差1～2級(jí)時(shí)，溫升相比將高出5℃左右。經(jīng)有效研究實(shí)驗(yàn)的時(shí)效方法整個(gè)過程如下：當(dāng)齒輪箱體為焊接、鑄鐵、鑄鋼或鑄鋁合金齒輪箱體。先對(duì)齒輪箱體進(jìn)行時(shí)效熱處理：焊接、鑄鐵、鑄鋼齒輪箱體為去應(yīng)力退火；鑄鋁合金齒輪箱體為固溶處理后的時(shí)效熱處理。然后，立即對(duì)焊接、鑄鐵、鑄鋼或鑄鋁合金齒輪箱體進(jìn)行冷卻過程中的振動(dòng)時(shí)效處理。先進(jìn)行的時(shí)效熱處理能有效消除齒輪箱體絕大部分內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定齒輪箱體組織和尺寸，提高了鑄鋁合金的綜合機(jī)械性能；之后進(jìn)行冷卻過程中的振動(dòng)時(shí)效，能完全消除齒輪箱體的殘余內(nèi)應(yīng)力，使齒輪箱體組織和尺寸更加穩(wěn)定，保證了后續(xù)精加工尺寸和精度的穩(wěn)定無變形。

（5）研究齒輪熱處理工藝技術(shù)及其質(zhì)量過程控制，特別是優(yōu)良的表面硬度、硬化層深度、硬度梯度分布及其金相組織指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)和保證。其中，特別對(duì)齒輪箱最易失效的零件——軸類尤其是軸齒輪熱處理進(jìn)行了創(chuàng)新性設(shè)計(jì)與工藝以提高強(qiáng)度。軸（含軸齒輪）經(jīng)過淬火后，能使軸的剛度強(qiáng)度都得到大幅提高。但無論是調(diào)質(zhì)鋼軸類還是滲碳鋼軸類，根據(jù)需要往往采取局部感應(yīng)淬火或者局部防滲/切碳后整體淬火，這樣必然在過渡區(qū)產(chǎn)生強(qiáng)度陡降，在工作受載時(shí)會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中、產(chǎn)生裂紋等問題，導(dǎo)致疲勞失效而開裂、斷軸。本研究應(yīng)用方法具體是對(duì)軸（含軸齒輪）淬硬過渡區(qū)表面設(shè)計(jì)為圓錐柱面，圓錐柱面大頭屬于淬硬過渡區(qū)，圓錐柱面小頭屬于淬硬區(qū)，也就是表面淬硬過渡區(qū)和表面淬硬區(qū)交接處設(shè)計(jì)在圓錐柱面中部。調(diào)質(zhì)鋼軸類零件的表面局部淬硬過渡區(qū)：在調(diào)質(zhì)前后的機(jī)加工均加工出圓錐柱面，調(diào)質(zhì)前后的圓錐柱面長度一致，調(diào)質(zhì)后的加工錐度與設(shè)計(jì)錐度相等，也與調(diào)質(zhì)前的加工錐度相同，圓錐柱面和其他位置調(diào)質(zhì)后的加工余量相同且均勻，在淬火后的表面局部淬硬過渡區(qū)硬度梯度和強(qiáng)度梯度非常平緩。滲碳鋼軸類零件的表面淬硬過渡區(qū)：在滲碳前加工出圓錐柱面，但滲碳前的加工錐度小于設(shè)計(jì)錐度，滲碳前加工的圓錐柱面長度大于滲碳后加工的圓錐柱面長度；表面淬硬過渡區(qū)在滲碳后機(jī)加工出設(shè)計(jì)的圓錐柱面，滲碳后的加工錐度與設(shè)計(jì)錐度相等；在滲碳后的機(jī)加工后，滲碳后的加工余量為過渡區(qū)的表面滲碳層深沿錐度小頭向大頭方向逐漸變淺，最表層的碳濃度也沿錐度小頭向大頭方向逐漸變低；表面淬硬過渡區(qū)在淬火后硬度梯度和強(qiáng)度梯度同樣非常平緩。這樣就使表面淬硬的軸類零件整軸所有位置都具有足夠可靠的強(qiáng)度，不易產(chǎn)生熱處理裂紋，不會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)度陡降，從而避免了表面局部淬火過渡區(qū)疲勞失效而開裂、斷軸。

（6）在齒輪的機(jī)加工過程中，可通過應(yīng)用下述4項(xiàng)技術(shù)措施，能綜合提高齒輪彎曲與接觸疲勞強(qiáng)度20%以上，從而有效提高了齒輪箱核心傳動(dòng)部分的功率密度。輪齒開坯采用專用凸角留磨滾刀，齒根過渡為沉切大圓弧，磨齒時(shí)不會(huì)造成磨削臺(tái)階或燒傷等缺陷，降低了根部應(yīng)力集中的影響，有利于彎曲強(qiáng)度的提高。提高齒輪加工特別是磨齒時(shí)精度以提高齒輪安裝運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)際承載能力，特別是影響載荷分布均勻性的齒輪精度第三組公差項(xiàng)和影響運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性而加大振動(dòng)沖擊的齒輪精度第二組公差項(xiàng)，同時(shí)包括齒輪裝配部位的尺寸和形位公差加工精度。對(duì)齒輪采取重載修形方法。設(shè)計(jì)齒向和齒廓修形并在磨齒時(shí)加工。合理的齒向修形可有效補(bǔ)償輪齒在工作受載時(shí)的變形，改善齒向載荷分布，有效避免偏載的發(fā)生，直接提高了輪齒承載能力和可靠性；合理的齒廓修形能有效提高齒輪傳動(dòng)的平穩(wěn)性，減少工作運(yùn)轉(zhuǎn)的噪聲和振動(dòng)。在磨齒后對(duì)輪齒進(jìn)行強(qiáng)化噴丸處理，能進(jìn)一步提高齒輪彎曲與接觸疲勞強(qiáng)度。

4 結(jié)語

通過研究齒輪箱及其核心零件的高功率密度技術(shù)，特別是其齒輪和箱體等核心零件的高功率密度設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，針對(duì)在高功率密度設(shè)計(jì)緊湊的結(jié)構(gòu)使工作熱量積聚程度增大條件下，齒輪箱熱平衡達(dá)標(biāo)和高功率密度設(shè)計(jì)精簡的尺寸和重量影響強(qiáng)度條件下的齒輪箱承載能力的提高，系統(tǒng)地研究了齒輪箱設(shè)計(jì)包括總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱分析及其試驗(yàn)方法、箱體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的驗(yàn)證和優(yōu)化、行星齒輪傳動(dòng)、材料選擇及其熱處理方式、齒輪副主要參數(shù)等各方面的高功率密度技術(shù)；同時(shí)全過程地研究了齒輪箱的制造包括箱體、齒輪、軸類、行星架的毛坯加工、熱處理及時(shí)效處理、機(jī)加工方面的高功率密度技術(shù)。近年來，上述技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用到試制如下具備代表性的軌道交通車輛和工程機(jī)械傳動(dòng)齒輪箱及其核心零件產(chǎn)品：包括大功率和諧機(jī)車、高速動(dòng)力集中型動(dòng)車齒輪箱及其核心零件產(chǎn)品，這類列車是鐵路運(yùn)輸中主要的運(yùn)行方式，牽引動(dòng)力集中，因此動(dòng)力傳動(dòng)齒輪箱必須具備很高的功率密度；成功應(yīng)用產(chǎn)品還包括行星齒輪傳動(dòng)方式的大方量攪拌車罐驅(qū)動(dòng)減速機(jī)和大噸位重型卡車輪邊減速機(jī)。在實(shí)際應(yīng)用中產(chǎn)生了較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，特別是在設(shè)計(jì)和制造過程中，核心零件的性能和質(zhì)量得到了可靠保證和提高，從本質(zhì)上提高了核心零件的使用性能和壽命，從而提高了齒輪箱傳動(dòng)的效率和質(zhì)量，能最大限度地發(fā)揮其承載能力，并且安全可靠。