第一節(jié) 產(chǎn)品定義、性能及應(yīng)用特點(diǎn)

螺旋傘齒輪是一種齒為曲線的傘形齒輪。由於齒承受的面積能夠較大，因此強(qiáng)度提高，是一種轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)較為安靜的齒輪。

特點(diǎn)

1、較直齒傘形齒輪的齒承受面積、強(qiáng)度、壽命來的大

2、減速比也可以比直齒傘形齒輪來的大些

3、噪音較小，傳動(dòng)效率比較好

4、制作上比較困難

用途

適用于高負(fù)荷及高速轉(zhuǎn)動(dòng)的場(chǎng)合，常被用在汽車、卡車等車輛及船舶的最終減速裝置上。

第二節(jié) 發(fā)展歷程

螺旋傘齒輪是機(jī)械傳動(dòng)的基礎(chǔ)元件，用于傳遞兩相交或交錯(cuò)軸間的運(yùn)動(dòng)，具有重疊系數(shù)大、噪音小，承載能力高的優(yōu)點(diǎn)，廣泛運(yùn)用于汽車、飛機(jī)、機(jī)床及礦山機(jī)械等領(lǐng)域，是目前汽車、飛機(jī)等高精高速重載設(shè)備的主傳動(dòng)元件。螺旋傘齒輪技術(shù)是經(jīng)歷了一個(gè)漫長的歷史過程而發(fā)展起來的成熟的機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)，同時(shí)又是面臨工程實(shí)踐挑戰(zhàn)而充滿發(fā)展機(jī)遇的技術(shù)。

人類很早就將齒輪用于機(jī)械傳動(dòng)，但第一個(gè)將共軛齒面用于齒輪傳動(dòng)的是丹麥天文學(xué)家Olaf. Roemer（1674），他用相互包絡(luò)的擺線作為齒輪齒廓得到了第一對(duì)共軛齒面齒輪。瑞士數(shù)學(xué)家Euler. L（1765）首次闡明了齒輪傳動(dòng)的共軛原理，并論述了漸開線作為平面齒輪齒廓在制造、安裝和傳動(dòng)等方面的優(yōu)越性能，這使?jié)u開線齒輪在平行軸傳動(dòng)中牢固占據(jù)支配地位。首先 研究 空間嚙合理論的是法國的幾何學(xué)家T. Olivier和俄國學(xué)者Χ.И.Гохман，T. Olivier提出了求解共軛齒面的包絡(luò)曲面法，他論證了利用輔助曲面得到線接觸或點(diǎn)接觸的共軛曲面的可能性，并提出了螺旋傘齒輪的概念（1820）。但他把共軛齒面的求解完全歸結(jié)為畫法幾何學(xué)問題，這引起了爭(zhēng)議，其理論被認(rèn)為不夠嚴(yán)謹(jǐn)且不具一般性。Χ.И.Гохман建立了齒輪嚙合解析原理的理論基礎(chǔ)，此后螺旋傘齒輪技術(shù)沿著解析法的方向發(fā)展。直到最近由于計(jì)算機(jī)技術(shù)在螺旋傘齒輪齒面設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用，人們才開始重新注意到T. Olivier的幾何法的工程應(yīng)用價(jià)值。

對(duì)螺旋傘齒輪技術(shù)的理論 研究 表明，螺旋傘齒輪齒面是與一種螺旋運(yùn)動(dòng)關(guān)系相對(duì)應(yīng)的復(fù)雜曲面，它必須通過能在刀具和工件之間產(chǎn)生這種螺旋運(yùn)動(dòng)的機(jī)床才能實(shí)現(xiàn)。因此螺旋傘齒輪技術(shù)的發(fā)展必然依賴螺旋傘齒輪加工機(jī)床的發(fā)展，其設(shè)計(jì)理論的發(fā)展又必然推動(dòng)新的切齒機(jī)床和加工方法的出現(xiàn)。

盡管螺旋傘齒輪的概念早在1820年時(shí)就隨著空間嚙合理論的 研究 而提出，但是由于缺乏必要的加工手段，直到一個(gè)世紀(jì)之后，隨著加工機(jī)床的出現(xiàn)，螺旋傘齒輪才從概念變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

1910年，德國人Paul Bttcher發(fā)表了一系列關(guān)于螺旋傘齒輪加工技術(shù)的專利報(bào)告，這些報(bào)告包含的內(nèi)容非常基礎(chǔ)和廣泛。在報(bào)告中，他首次提出了采用銑刀盤加工螺旋傘齒輪的技術(shù)。他提出的加工方法包括單齒分度加工方法和連續(xù)分度加工方法。Paul Bttcher制造了一臺(tái)原型機(jī)，以驗(yàn)證他的方法。采用此原型機(jī)，他加工出了第一種采用端面銑削方法加工的螺旋傘齒輪副。這時(shí)，齒面修形的概念還沒有出現(xiàn)，因?yàn)榇笮≥啿捎孟嗤漠a(chǎn)形輪加工，這兩種方法加工出的齒輪副都是完全共軛的等高齒。

圖：等高齒和漸縮齒

1913年，美國的格利森公司的工程師James.Gleason設(shè)計(jì)出了第一臺(tái)螺旋傘齒輪端面切削機(jī)床。1919年，格利森公司獲得了Paul B ttcher的發(fā)明專利，并致力于單齒分度加工方法的 研究 。為了改善切削過程中的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，使輪齒在從大端到小端的截面比例保持一致，避免小端齒頂變尖，Ernest Wildhaber為格利森公司引入了漸縮齒的概念。格利森No.16型機(jī)床是這個(gè)時(shí)期的代表性機(jī)床。從這時(shí)起，格利森公司生產(chǎn)的螺旋傘齒輪加工機(jī)床及加工方法為美國汽車工業(yè)的大批量生產(chǎn)方式提供了有力的支持。

圖：等高齒和漸縮齒

20世20年代，格利森公司首先推出了軸線偏置的準(zhǔn)雙曲面齒輪并進(jìn)行了理論 研究 。軸線偏置導(dǎo)致小輪螺旋角的增加，錐齒輪的端面模數(shù)因此增大。在齒輪副的整體裝配空間不變的情況下，小輪的直徑增大，從而提高了小輪強(qiáng)度。小輪模數(shù)的增大使小輪的最少齒數(shù)從9個(gè)齒降低到5 -6個(gè)齒。同時(shí)，齒輪副的重合度也明顯的增加了。總之，軸線偏置齒輪副降低了嚙合沖擊，改善了輪齒在節(jié)線附近的潤滑狀態(tài)，增加了齒面抗壓強(qiáng)度和齒根強(qiáng)度。

軸線偏置對(duì)齒輪副傳動(dòng)性能的最大不利影響是齒面嚙合時(shí)，接觸齒面沿齒長方向的相對(duì)滑動(dòng)速度增大。相對(duì)滑動(dòng)速度的增加很容易破壞齒面油膜，引起齒面疲勞破壞。為了解決這個(gè)問題，1924年格利森公司同殼牌石油公司（Shell Oil Company）合作，開發(fā)出了一種新型的耐壓潤滑油，從而防止了齒面擦傷和局部微小焊接作用的形成。但相對(duì)滑動(dòng)速度的增大也使齒面的研磨變得更加容易，改善了齒面研磨的加工工藝性。1925年，格利森公司推出了可以加工準(zhǔn)雙曲面齒輪的加工機(jī)床No.16H。1926年，殼牌石油公司向市場(chǎng)推出了準(zhǔn)雙曲面齒輪潤滑油。同年，美國福特汽車公司開始在其生產(chǎn)的所有車輛上使用準(zhǔn)雙曲面齒輪，這是世界上第一家采用準(zhǔn)雙曲面齒輪的汽車公司。螺旋傘齒輪技術(shù)的另一項(xiàng)巨大進(jìn)步是刀傾法的引入。這種方法也是格利森公司提出并首先實(shí)現(xiàn)的，第一臺(tái)帶刀傾機(jī)構(gòu)的螺旋傘齒輪加工機(jī)床出現(xiàn)在1930年之前。采用帶刀傾機(jī)構(gòu)的切齒機(jī)床，可對(duì)齒面進(jìn)行沿齒長和齒廓方向的修正。自此，點(diǎn)接觸齒面開始出現(xiàn)，從而極大地提高了錐齒輪副的齒面接觸性能。

1954年，格利森公司推出的No.116機(jī)床達(dá)到了純機(jī)械齒輪加工機(jī)床的頂峰（最大化的機(jī)械智能，最小化的電氣控制）。這種機(jī)床帶有刀傾機(jī)構(gòu)，能選擇應(yīng)用變性機(jī)構(gòu)或螺旋展成運(yùn)動(dòng)。它是第一臺(tái)能夠把高級(jí)嚙合理論在螺旋傘齒輪副上變成現(xiàn)實(shí)的機(jī)床。這種機(jī)床所有的運(yùn)動(dòng)優(yōu)化都是通過改變驅(qū)動(dòng)齒輪、偏心機(jī)構(gòu)及凸輪實(shí)現(xiàn)的。直至現(xiàn)在，這種機(jī)床還在得到廣泛的使用。我國在上世紀(jì)七十年代從美國引進(jìn)的螺旋傘齒輪切齒機(jī)主要就是這種機(jī)床。這種機(jī)床的設(shè)計(jì)概念模型已經(jīng)成為螺旋傘齒輪技術(shù)的經(jīng)典。

圖：格利森No.116螺旋傘齒輪銑齒機(jī)

圖：傳統(tǒng)搖臺(tái)型機(jī)床的三維概念模型

在螺旋傘齒輪技術(shù)和螺旋傘齒輪切削機(jī)床的發(fā)展過程中，除美國的格利森公司（Gleason Works）外，瑞士的奧利康公司（Oerlikon Buhrle）、德國的克林根貝格公司（Klin-gelnberg Sons）也產(chǎn)生了巨大的影響。這兩家公司主要致力于延伸外擺線齒形制螺旋傘齒輪的加工，它們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)床采用連續(xù)分度的方法滾切加工齒輪。這三家公司之間既相互競(jìng)爭(zhēng)，又相互借鑒與合作，共同推動(dòng)了錐齒輪技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展。它們的技術(shù)發(fā)展歷程基本相似，但由于加工方法和齒面幾何結(jié)構(gòu)之間的差異，三家公司分別制定了各自不同的標(biāo)準(zhǔn)。

隨著控制技術(shù)的發(fā)展，電氣控制在螺旋傘齒輪加工機(jī)床中擁有了一席之地。1973年，奧利康公司首次將PLC控制技術(shù)應(yīng)用于S17型機(jī)床中，這標(biāo)志著螺旋傘齒輪加工技術(shù)進(jìn)入了PLC控制階段。1986年，格利森公司推出的GMAXX 2010型機(jī)床使螺旋傘齒輪的加工技術(shù)又向前邁進(jìn)了一大步。這是第一臺(tái)可以自由選擇單齒分度加工法和連續(xù)分度加工法的螺旋傘齒輪切削機(jī)床。它的搖臺(tái)、工件、刀盤之間的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)完全采用數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行控制，機(jī)床參數(shù)調(diào)整完全數(shù)控化。1989年，格利森公司推出的Phoenix系列全CNC Free-form型機(jī)床徹底突破了傳統(tǒng)切齒機(jī)床的設(shè)計(jì)思想，拋棄了傳統(tǒng)的搖臺(tái)、刀傾、變性等復(fù)雜的機(jī)構(gòu)，建立了六坐標(biāo)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，齒面的成形由六軸之間的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)來完成。它在大大簡(jiǎn)化傳統(tǒng)搖臺(tái)類機(jī)床復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)的同時(shí)，提高了機(jī)床的動(dòng)靜態(tài)剛度和加工精度，而且使機(jī)床可更加靈活的進(jìn)行控制。這是一種萬能型齒輪加工機(jī)床，它不僅能加工格利森齒制的齒輪，也能加工奧利康或克林根貝格齒制的齒輪。1989年，德國的克林根貝格公司（KlingelnbergSons）也推出了自己的萬能型齒輪加工機(jī)床KNC40，它的設(shè)計(jì)思想和下圖類似。

圖：Free-form機(jī)床的三維概念模型

在理論推動(dòng)齒輪加工機(jī)床技術(shù)不斷發(fā)展的同時(shí)，空間嚙合理論自身也在不斷深化。格利森公司的著名科學(xué)家Ernest Wildhaber在美國《機(jī)械工程師》發(fā)表系列論文完整論述螺旋傘齒輪技術(shù)的微分幾何和運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，提出了對(duì)間接展成局部嚙合齒面具有重要意義的概念-極限壓力角和極限法曲率半徑。上世紀(jì)60年代，M.L.Bax-ter提出了一個(gè)準(zhǔn)雙曲面幾何模型，進(jìn)一步完善了螺旋傘齒輪節(jié)面 分析 的數(shù)學(xué)模型，并 分析 了局部共軛齒輪副的齒面接觸過程，給出了一種確定失配齒面接觸和運(yùn)動(dòng)傳遞情況的定量 分析 方法，即齒面接觸 分析 方法（TCA），提出了螺旋傘齒輪的“二階曲面范成”原理。上世紀(jì)50年代日本學(xué)者酒井高男用二元矢量、張量等數(shù)學(xué)工具，嚴(yán)密而簡(jiǎn)潔地論證了有關(guān)弧齒錐齒輪的理論問題，還引入了媒介齒輪的概念，導(dǎo)出了滑移線曲率的計(jì)算公式，討論了兩類嚙合界限問題。國際著名學(xué)者F.L.Litvin教授自上世紀(jì)60年代至今一直致力于以格利森錐齒輪設(shè)備和加工方法為基礎(chǔ)的新的螺旋傘齒輪共軛齒面形成方法的 研究 。提出了改善齒面接觸特性的齒面綜合 分析 方法及齒面綜合優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，對(duì)各種安裝加工誤差對(duì)運(yùn)動(dòng)精度的影響進(jìn)行了解析描述。應(yīng)該提及的是這一時(shí)期，日俄等國有工程師也提出了自己的螺旋傘齒輪加工機(jī)床的設(shè)計(jì)模型或設(shè)想，由于設(shè)計(jì)方案在機(jī)床運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和剛度以及切齒技術(shù)方法等方面存在明顯缺陷，因而沒有在實(shí)踐中采用，或在實(shí)際應(yīng)用中因難以控制的誤差而被淘汰。這從一個(gè)側(cè)面反映了螺旋傘齒輪技術(shù)的難度和復(fù)雜程度。
 

我國的錐齒輪和準(zhǔn)雙曲面齒輪技術(shù)興起于二十世紀(jì)七十年代，以“格利森齒制”為主要目標(biāo)，原機(jī)械工業(yè)部曾把“格利森成套技術(shù)的 研究 ”列為重點(diǎn) 研究 課題，組織國內(nèi)有關(guān)力量進(jìn)行攻關(guān)，1971年南開大學(xué)的數(shù)學(xué)家嚴(yán)志達(dá)教授首先提出了相對(duì)微分法這一有力的數(shù)學(xué)工具，形成一套有自己特色的理論體系。吳序堂、鄭昌啟、曾韜等對(duì)齒輪嚙合理論進(jìn)行了深入 研究 ，他們不僅運(yùn)用各自的方法正確推導(dǎo)了Gleason公司機(jī)床參數(shù)調(diào)整卡上的公式， 分析 了其理論實(shí)質(zhì)，而且還指出并改進(jìn)了其中的錯(cuò)誤和不足。西安交通大學(xué)機(jī)制教研室齒輪 研究 組發(fā)展和改進(jìn)了前蘇聯(lián)的一種精度很低的切齒計(jì)算方法，并將其用于 分析 Gleason公司No.116機(jī)床參數(shù)調(diào)整卡，得到了與原機(jī)床參數(shù)調(diào)整卡具有同等精度的計(jì)算結(jié)果。到二十世紀(jì)八十年代，我國學(xué)者已基本弄清Gleason螺旋傘齒輪技術(shù)的理論實(shí)質(zhì)和加工原理，并設(shè)計(jì)制造出國產(chǎn)機(jī)械式螺旋傘齒輪加工機(jī)床。1999年由中南大學(xué)曾韜教授領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)研制出我國第一臺(tái)七軸五聯(lián)動(dòng)全數(shù)控磨齒機(jī)YK2045。并在2003年實(shí)現(xiàn)商品化。目前，國內(nèi) 研究 螺旋傘齒輪技術(shù)的團(tuán)隊(duì)有重慶大學(xué)的齒輪傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、西安交通大學(xué)、中南大學(xué)和華中科技大學(xué)等。




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