型齿轮技术及发展趋势

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1、新型齿轮技术及发展趋势摘要：本文介绍了几种新型的齿轮技术，国内外研究现状，提出了在国内齿轮技术的发展方向，为新型变速器的研发解决关键技术。关键词：齿轮技术高强度抛物线齿轮圆弧齿轮前言：现代工业中各种机械对齿轮的精度、速度、噪音以及结构紧凑性的要求日益提高，尤其在航空领域，更加要求齿轮传动具有高强度、低噪音以及高功率密度等特点。因此如何大幅度提高齿轮传动的承载能力与啮合质量并延长齿轮的使用寿命，是一项重要研究课题。而应用新技术、探索新齿形及其新的加工方法，是挖掘齿轮的承载能力、改善传动性能的一个重要途径。目

2、前应用最多的渐开线圆柱齿轮由于其设计、加工、检测及装配等方面的优越性，已经逐渐形成一整套成熟的加工方法和设备，并且长期占据统治地位。但是它由于其固有的凸凸接触模式使得齿廓综合曲率半径受到中心距的严格限制，并影响齿面接触强度的提高和动压油膜的形成，齿面滑动系数不均匀程度大，导致轮齿的磨损、寿命降低。为了拟补渐开线齿轮强度不足的特点，学者们先后提出了多种类型的圆柱齿轮传动形式，如圆弧齿轮、抛物线齿轮、圆弧齿线圆柱齿轮、微线段齿轮、错齿圆柱齿轮等等[1]。新型齿轮技术利用凸-凹型啮合方式的圆柱齿轮传动主要有圆弧

3、齿轮传动、抛物线齿轮传动以及圆弧齿线圆柱齿轮传动等几种传动方式。其中前两者利用的是齿廓间的凸凹啮合，而后者是则采用了齿向方向的凸凹啮合，两者效果不同。除此之外还有微线段齿轮、点线啮合齿轮等新型凸凹啮合齿轮传动尚处于初步研究阶段。（1）抛物线齿轮早在上世纪80年代初闻智福教授就提出了线接触抛物线齿轮（见图1）传动的概念并申请了中国专利（CN86100544）[2]，其发明的目的就是为大幅度提高圆柱齿轮的承载能力。图1抛物线齿轮及齿形在后来出版的专著文献[3]中提出了抛物线齿轮的三种基本齿形，分别定名为PWX

4、-I，PWX-II，PWX-III。其中PWX-I型类似于双圆弧齿轮，在齿轮的节线以外是凸齿，节线以内是凹齿，用一把滚刀即可加工一对抛物线齿轮；而PWX-II与PWX-III分别是切制仅有一个啮合区的小齿轮和大齿轮的滚刀的基本齿形，类似于用于加工单圆弧齿轮副中小齿轮和大齿轮的两把滚刀。加工方面，研究了采用滚刀滚切抛物线齿轮的方法，采用渐开线齿轮同样的滚齿机，介绍了滚刀的设计与制造测量方法。在应用方面，1981年曾用模数3的调制抛物线齿轮替代40船用齿轮箱的渗碳淬硬磨齿渐开线齿轮，在沙州航运公司的内河拖轮上

5、使用，运转6年后拆验无损伤。1983年，在MB170型船用齿轮箱中使用调制氮化抛物线齿轮，硬度HRC50-55，模数为3，传递功率105马力，单级传动比5.06，与同型号渗碳淬硬磨齿渐开线齿轮箱对接，作为渐开线齿轮箱的配试增速箱，在全速、全负荷条件下，经500小时耐久试验后开箱检查，齿面接触良好，无点蚀迹，噪音正常。试验表明，滚齿后氮化的抛物线齿轮与相同技术参数的高承载能力的渗碳淬火磨齿渐开线齿轮强度相当。后经江苏省吴县航运公司和沙航运公司等单位装船使用，应用效果良好。此外，采用抛物线齿轮所设计的锅炉调速

6、箱，比原用渐开线齿轮的ZKL型锅炉调速箱重量减轻一半。在直动式开炼机中，采用抛物线齿轮作传动箱，也取得了省掉两对开式渐开线齿轮的明显效果，将抛物线齿轮作柔管泵的传动之用，只用了一级抛物线齿轮就达到传动比11.33，满足传动需求，与渐开线齿轮相比，前者的制造成本仅为后者的一半。用于普通齿轮减速箱，其承载能力（功率）可达到同类渐开线齿轮减速器的220%~270%[3]。文献[3]当中详细介绍了抛物线齿轮的基本特性、设计计算方法、制造工艺、精度检验等，并从齿廓滑动率、加工干涉、相对主曲率、齿根极限工作点厚度以及

7、传动的“可分性”等多个方面与渐开线齿轮进行了比较，分析了抛物线齿轮所具有的优势。但其中的一些设计计算方法尤其是强度计算与啮合特性分析等方面做的研究都比较简单，如接触应力与弯曲应力的计算采用的是赫兹公式与鲁易斯-惠史曼公式，因此误差较大；仅从理论上简单地分析了啮合线与接触线等性质，而没有考虑安装制造误差对啮合特性、强度的影响；由于当时计算机技术的缺乏，没有对啮合刚度、传动误差以及修形等方面进行分析研究；另外对磨齿方法未做探讨。线接触的啮合形式使得抛物线齿轮仍对安装误差比较敏感。所有这些都使得因此抛物线齿轮的

8、能力未被展现出来。虽然从多次试验结果和在一些企业中的试用实践中已经看出抛物线齿轮取得了明显提高承载能力的良好效果，但是随着同一时期单圆弧齿轮和双圆弧齿轮的发展成熟及其标准化，一般工业中对高承载能力圆柱齿轮的需求已被圆弧齿轮所满足。所以，抛物线齿轮多年来一直未被重视起来。随着新的齿轮分析与设计技术的发展，抛物线齿轮的传动性能可以被继续挖掘出来。另外现代数控磨齿机的出现为高精度硬齿面抛物线齿轮的磨齿加工提供了可能性，所以抛物线齿轮