某產(chǎn)品齒輪修形技術(shù)研究

李大勇

摘 要：本文從齒形修形和齒向修形的原理入手，分析了齒輪修形的原因和齒輪修形對于提高齒輪嚙合的影響，同時(shí)介紹了幾種常見的齒輪修形方法，并對齒輪修形的進(jìn)展進(jìn)行了淺述。根據(jù)實(shí)例及幾何關(guān)系提出了齒輪修形量和修形高度的計(jì)算公式，并與一般參考文獻(xiàn)的推薦值進(jìn)行了對比。

關(guān)鍵詞：齒輪修復(fù)原理

一、概述

在目前我國機(jī)械行業(yè)中，齒輪傳動(dòng)仍是使用作廣泛的傳動(dòng)形式，它具有速比恒定、承載能力高和傳動(dòng)效率高的優(yōu)點(diǎn)，但由于不可避免的制造、安裝誤差的影響，以及齒輪受力時(shí)的變形使齒輪基節(jié)產(chǎn)生變化，以至在齒輪傳動(dòng)中產(chǎn)生頂刃嚙合現(xiàn)象，齒輪齒面出現(xiàn)擦傷。通過對齒輪齒面進(jìn)行修形，能有效減少齒輪的嚙入、嚙出沖擊，改善載荷分布，減少振動(dòng)和噪音，提高齒輪的承載能力和使用壽命。目前，齒輪修形已成為提高齒輪質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)，是提高齒輪傳動(dòng)質(zhì)量的重要措施之一，對航空高速重載齒輪傳動(dòng)更為重要。

二、齒輪修形原理

齒輪修形一般分為兩類，即齒向修形和齒廓修形。齒高修形也稱齒廓修形或齒廓修緣，主要彌補(bǔ)由實(shí)際嚙合引起的基節(jié)偏差等，減小齒輪傳動(dòng)中的嚙合沖擊，減小因輪齒載荷突然變化造成的振動(dòng)和噪聲等；齒向修形主要彌補(bǔ)由齒輪結(jié)構(gòu)和支撐安裝形式所引起的嚙合剛度劇變、彈性變形、熱變形和安裝誤差等，消除或減輕傳動(dòng)中因輪齒偏向一端接觸造成的載荷集中問題，提高齒輪承載能力和使用壽命。經(jīng)過修形后的航空齒輪傳動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、振動(dòng)低、噪聲小。因此，齒輪修形是航空齒輪傳動(dòng)中重要且不可或缺的環(huán)節(jié)，開展齒輪修形的研究對于齒輪傳動(dòng)，特別是航空齒輪傳動(dòng)的發(fā)展具有重要的意義。

1.齒高修形原理

漸開線圓柱齒輪傳動(dòng)在實(shí)際傳動(dòng)時(shí)是單齒對嚙合和雙齒對嚙合交替進(jìn)行的。由于加工及安裝誤差、受載彈性變形及熱變形的存在，使得處于嚙合線上的主動(dòng)輪基節(jié)和從動(dòng)輪基節(jié)不再相等，交替臨界點(diǎn)將產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。

齒輪齒高修形是人為地在齒輪齒廓的齒頂或齒根處修去由變形誤差，齒形誤差等引起的干涉量，消除齒輪在嚙合過程中的基節(jié)誤差，從而減少嚙入、嚙出沖擊并減輕動(dòng)載荷的方法。對于高速重載齒輪傳動(dòng)，齒高修形顯得格外重要。

2.齒向修形原理

在實(shí)際工作條件下，由于存在齒向誤差、軸承安裝孔的位置誤差、齒輪軸、軸承及殼體的變形等，將導(dǎo)致齒輪輪齒在齒寬方向上偏一端接觸，造成載荷沿齒寬分布不均勻。

齒輪齒向修形是沿齒寬方向人為地把由于齒輪制造誤差、在載荷作用下的彈性變形及熱變形而嵌入另一個(gè)齒輪輪齒的部分修去，保證受載點(diǎn)處相切而不相割，從而使載荷均勻分布的方法。

三、幾種齒廓修形工藝方法及修形技術(shù)進(jìn)展

1.利用修形滾刀滾齒實(shí)現(xiàn)齒廓修形

這種方法最為簡便，無需調(diào)整計(jì)算。只是在精滾齒時(shí)采用修形滾刀滾齒，修形滾刀本身修形是靠模法在其制造過程中實(shí)現(xiàn)的，修形量由滾刀設(shè)計(jì)時(shí)所采用的修形滾刀標(biāo)準(zhǔn)決定的。

2.利用磨齒機(jī)修形機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)修形

磨齒機(jī)種類很多，其修形原理也不盡相同?，F(xiàn)針對常用的蝶形雙砂輪磨齒機(jī)和錐面砂輪磨齒機(jī)的修形方法分別介紹。

（1） 蝶形雙砂輪型磨齒機(jī)

這種磨齒機(jī)帶有專門的修形機(jī)構(gòu)，使砂輪在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)相對齒面做一個(gè)沿砂輪軸線方向的附加運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。這個(gè)附加運(yùn)動(dòng)，由修形機(jī)構(gòu)通過精密液壓傳動(dòng)來控制，實(shí)際應(yīng)用中效果很理想。但是由于這類磨齒機(jī)價(jià)格昂貴，屬稀有機(jī)床，加之磨齒本身效率低，所以加工成本很高，因此在應(yīng)用上受到很大的限制。

（2） 錐面砂輪型磨齒機(jī)

這類磨齒機(jī)通用性很強(qiáng)，磨齒效率高，得到了廣泛應(yīng)用。在這類磨齒機(jī)上進(jìn)行齒廓修形，通常是利用砂輪修整機(jī)構(gòu)中的專用靠模裝置，將砂輪修整成齒廓修形基準(zhǔn)齒條的齒槽形狀。這類磨齒機(jī)的改進(jìn)型上具有齒廓修形靠模裝置。修形時(shí)根據(jù)齒輪修形設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)、制作修形模板，將砂輪修整成形。上述兩種修形方法依賴于磨齒機(jī)上的修形機(jī)構(gòu)，并要設(shè)計(jì)和制作修形模板。

3.電化學(xué)修形工藝

電化學(xué)加工的基本原理是基于電解過程的陽極溶解原理，將被加工零件作為陽極放置于電解液中，通以直流電后零件表面金屬發(fā)生陽極溶解而被去除，達(dá)到電化學(xué)加工的目的。

在電解液的電場中，電力線密集處電流密度大，則此處的金屬去除量也較多，所以有效地控制電力線的分布就可對零件表面及異形零件表面進(jìn)行可控去除。

齒輪的電化學(xué)修形是在電解液中以齒輪為陽極，以另一金屬件為陰極，當(dāng)通以直流電后，由于齒輪輪齒形狀的特點(diǎn)，在齒頂部分的尖端處及其附近存在著電力線集中現(xiàn)象，通過控制電力線分布即實(shí)現(xiàn)修緣。

四、齒輪修形實(shí)際應(yīng)用研究

1.某型號齒輪修形實(shí)踐研究

某型號產(chǎn)品在使用過程中出現(xiàn)滑油光譜金屬含量超標(biāo)問題， 主要表現(xiàn)為鐵超標(biāo)。經(jīng)過排故攻關(guān)確認(rèn)，齒輪齒面擦傷是導(dǎo)致鐵元素超標(biāo)的主要原因，且齒面磨損區(qū)域主要集中在齒輪齒廓的齒頂或齒根位置。

該型產(chǎn)品齒輪轉(zhuǎn)速較高、載荷較大，齒面磨損主要為齒輪嚙合過程中存在，沖擊動(dòng)載荷較大導(dǎo)致。為消除齒輪在嚙合過程中的基節(jié)誤差，從而減少嚙入、嚙出沖擊并減輕動(dòng)載荷，開展了齒輪齒面修形研究工作。根據(jù)產(chǎn)品工作狀態(tài)，計(jì)算齒輪齒面修緣量，對部分齒輪進(jìn)行了齒高修形和齒向修形。

2.試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證齒輪修形效果，并通過使用同臺產(chǎn)品進(jìn)行了齒輪修形對比試驗(yàn)，以排除裝配的影響和機(jī)匣加工的影響。試驗(yàn)過程中，采用聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測齒輪嚙入嚙出的沖擊應(yīng)力波反應(yīng)齒輪狀態(tài)，通過修形齒輪與未修形齒輪在各種轉(zhuǎn)速加載情況下聲發(fā)射絕對能量對比，分析齒輪修形作用。

對機(jī)匣內(nèi)齒輪載荷變化期間絕對能量變化率進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示修形齒輪絕對能量變化率小于未修形齒輪能量變化率，即在同樣載荷變化下，修形齒輪沖擊變化小，齒輪齒面修形有效。

五、總結(jié)

齒輪輪齒由于不可避免的制造和安裝誤差、受載變形等因素，在實(shí)際嚙合過程中會產(chǎn)生沖擊、振動(dòng)和偏載，如僅考慮依靠提高制造和安裝精度，必然會大大增加成本，而且也不能消除因變形造成偏載。通過有意選擇合適的齒廓和齒向偏差來抵消或減小上述因素的不良影響，即對齒輪進(jìn)行修形。

實(shí)際應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，齒輪修形可降低齒輪軸運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的沖擊，進(jìn)一步可降低修形齒輪嚙合過程中產(chǎn)生的振動(dòng)值，但也會導(dǎo)致未修形齒輪的振動(dòng)值有所升高，附件機(jī)匣整體振動(dòng)值變化不大。因此，制定齒輪修形方案時(shí)，應(yīng)深入了解和掌握產(chǎn)品的工況，分析試車過程中產(chǎn)品各振動(dòng)峰值的變化規(guī)律，對較高峰值對應(yīng)的齒輪軸均進(jìn)行修形處理。