齿轮表面织构化研究现状与进展

齿轮的发展综述

摘要:本文先对齿轮从古代到现在的发展历程进行了介绍, 然后介绍了我国的齿轮发展现状,最后指出了我国齿轮行业目前存在的七大主要问题以及未来我国齿轮行业的发展趋势。

关键词:齿轮;现状;问题;发展趋势

Gear review of development

Abstract: Firstly, this article introduces the development of gear

from ancient times to present, and then introduces the development

status of our country. Finally, pointing out the seven major problems

exist in China’s gear industry as well as the future development trends

of China's gear industry.

Keywords: gear;status quo;problem;development trends

引言

齿轮传动是机械传动中的主要形式之一, 由于它具有速比范围大、功率范围广、结构紧凑可靠等优点,已广泛应用于各种机械设备和仪器仪表中,成为现有机械产品中所占比重最大的一种传动。齿轮从发明到现在经历了无数次更新换代,主要向高速、重载、平稳性、体积小、低噪等方向发展。齿轮及齿轮变速箱作为机械传动中的关键零部件,几乎在所有的机械装备中都能看到它的身影。我国齿轮行业经过“九五”的结构调整与科技攻关,取得了长足的进步。

一、齿轮发展历程

齿轮的发展要追溯到公元前,迄今已有3000年的历史。远古时代人们为了传递动力,发明了齿轮,这一发明实现了转动的传递,在我国汉代发明的指南车上就有齿轮的传动装置,当时的齿轮是用木料制造或用金属铸成的,只能传递轴间的回转运动,不能保证传动平衡性, 同时齿轮的承载能力也很小。在国外,机械传动的记载始于古罗马时代,人们在水力碾磨中也用到了木制齿轮传动, 但齿轮的齿形是直线形,同样不能保证运动的平稳性, 并且木制齿轮的承载能力也受到限制。在瑞典,人们在谷物碾磨中使用石头做成斜齿轮传递动力,虽然比木制齿轮承载能力高,但加工困难。到了14世纪, 钟的发明使人们开始研究金属齿轮传动以减小尺寸, 以便在钟中得到应用。18世纪初,蒸汽机问世, 并被很快运用,这进一步促进了齿轮传动的发展。此外,这一时期水力纺织机械冶金机械的发明与运用, 又促使大功率、高质量的木制、金属的齿轮传动问世。在齿轮材料没有改进的情况下, 19世纪末期,人们开始研究齿轮的齿形,并向小型化、长寿命、更可靠的齿轮传动装置发展,促进了对齿轮传动的研究, 20世纪初摆线齿轮和渐开线齿轮相继出现。但由于摆线齿轮制造和安装较困难,限制了发展, 目前只在钟表领域应用。渐开线齿轮传动的类型有直齿轮、斜齿轮、锥齿轮和蜗杆传动,20世纪60~ 70年代我国渐开线齿轮主要采用滚齿加工工艺,用这种方法生产的齿轮硬度不高, 接触强度低、寿命短,而用在船舶、电厂涡轮机的大型高速齿轮传动由于其节线速度高,要求这些齿轮有高精度,于是加速了磨齿加工工艺的发展。斜齿轮是在直齿轮的基础上发展起来的,由于直齿轮寿命短, 承载能力有限等缺点,从而在后来的机械传动装置中, 人们开始尝试在同样厚度的齿轮上, 增加接触线长度的斜齿,即斜齿轮,它无论在性能上还是加工上,都较直齿轮复杂, 但在斜齿轮的传动过程中, 存在着对传动系统不利的啮合力的轴向分力, 为此又发明了人字齿轮,但人字齿轮的加工更复杂。21世纪随着材料科学的发展, 齿轮由金属材料逐渐向高分子材料转变,如塑料齿轮已被广泛应用,以减轻齿轮的重量。

基金项目:河南省自然科学基金资助项目(0211050200) 作者简介:张静(1975-),女,河南省南阳市人,硕士生 收稿日期:2002-08-30文章编号:1000-5080(2003)01-0040-04

我国锥齿轮技术的现状和发展动向

张 静,杨宏斌,邓效忠,梁桂明

(河南科技大学机电工程学院,河南洛阳471003)

摘要:对锥齿轮技术的发展状况和发展方向的系统研究,是促进锥齿轮工业进一步发展和系统研究的重要基础。

本文就锥齿轮的设计,加工和材料三个方面进行了系统的论述:非零变位和局部综合法代表了当前先进的设计

方法;局部综合法在数控加工中的应用是获得高啮合性能的必要手段。优质碳素钢,复合材料和工程塑料等多

种材料的应用是扩展齿轮应用领域的必要保证。最后本文指出锥齿轮的发展趋势是:绿色制造、低噪声、低消耗

以及高耐用性。

关键词:锥齿轮;非零变位;局部综合;啮合质量

中图分类号:TH132.421文献标识码:A

0 前言

渐开线齿轮自1694年[1]首次被研制成功以来,因其制造简单而沿用至今不衰。随着工业的迅速发

展,比渐开线齿轮更为复杂的齿轮不断出现,其中最为重要的首推弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮这两种新型

的锥齿轮。锥齿轮在相交轴传动中,由于其重合度高、传动平稳而广泛使用于我国的汽车、拖拉机、机床、

航空、航海等行业。

1 我国锥齿轮技术的现状

锥齿轮在几何上非常复杂,其设计和制造方法密切相关,加工中的切齿调整方案直接影响着齿轮副的

啮合质量。而我国在生产中广泛使用的用于锥齿轮设计与加工的各种计算卡和计算机软件大多停留在

20世纪70年代初期的水平,其切齿计算中的控制参数多,不易操作使用,切齿计算结果在很大程度上取

决于操作者的经验和技术水平[2]。我国航空用锥齿轮的设计中对静态性能的考虑较多,而对动态性能考

虑不足,因此可靠性与国外相比有较大差距。由此可见,关于锥齿轮的设计、加工和材料的讨论对于提高

我国锥齿轮的设计水平、降低研制成本、提高产品质量,具有重要的理论和实践意义。

新技术新工艺２０１３年　第４期　

硬齿面齿轮精加工技术的现状与展望　

郑喜朝　

（陕西国防工业职业技术学院，陕西户县７１０３００）　

摘　要：硬齿面精加工在加工精度和加工效率上取得了一些进步，出现了一些新的工艺方法。本文　对国内外硬齿面的滚齿、插齿、剃齿、珩齿以及磨齿的最新工艺方法及装备进行了介绍，尤其是对磨齿加　

工的成形法和展成法工艺现状进行了详细介绍，指出了硬齿面精加工方法的发展方向。　关键词：齿轮；硬齿面；精加工；国内外新工艺；磨齿　

中图分类号：ＴＰ　３９１．９　文献标志码：Ａ　Ｐｒｅｓｅｎｔ　Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｈａｒｄ　Ｔｏｏｔｈ　Ｆａｃｅ　Ｇｅａｒ　Ｆｉｎｉｓｈ　Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ＺＨＥＮＧ　Ｘｉｃｈａｏ　（Ｓｈａａｎｘｉ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕｘｉａｎ　７１０３００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｔｈａｔ　ｓｏｍｅ　ｐｒｏｇｒｅｓｓｅｓ　ａｔ　ｈｏｍｅ　ａｎｄ　ａｂｒｏａｄ　ｉｎ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ａｎｄ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈａｒｄ　ｔｏｏｔｈ　ｆａｃｅ　ｆｉｎｉｓｈ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ，ａｐｐｅａｒｅｄ　ｓｏｍｅ　ｎｅｗ　ｃｒａｆｔ　ｍｅｔｈｏｄｓ，ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｔｈｅ　ｈｏｂｂｉｎｇ，ｐｕｔ　ｔｏｏｔｈ　ａｎｄ　ｓｈａｖｅ　ｔｏｏｔｈ，ｇｅａｒ　ｌａｐｐｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｃｏｒｕｎｄｕｍ　ｏｆ　ｈａｒｄ　ｔｏｏｔｈ　ｆａｃｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｌａｔｅｓｔ　ｇｅａｒ　ｇｒｉｎｄｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ａｔ　ｈｏｍｅ　ａｎｄ　ａｂｒｏａｄ，ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙ　ｐｒｅｓｅｎｔ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｇｅａｒ　ｇｒｉｎｄｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｆｏｒｍｉｎｇ　ａｎｄ　ｓｔｒｅｔｃｈｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌｓ．Ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈａｒｄ　ｔｏｏｔｈ　ｆａｃｅ　ｇｅａｒ　ｇｒｉｎｄｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗａｓ　ｐｏｉｎｔｅｄ　ｏｕｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｇｅａｒ，ｈａｒｄ　ｔｏｏｔｈ　ｆａｃｅ，ｆｉｎｉｓｈ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ，ｎｅｗ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ａｔ　ｈｏｍｅ　ａｎｄ　ａｂｒｏａｄ，ｇｅａｒ　ｇｒｉｎｄｉｎｇ　

第３２卷第１期　２０１　３年３月　成都大学学报（自然科学版）　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｈｅｎｇｄｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｅｄｉｔｉｏｎ）　Ｖｌｏ１．３２　Ｎ０．１　Ｍａｒ．２０ｌ３　文章编号：１００４—５４２２（２０１３）０１一ＯＯ６４—０４　表面织构化改善摩擦学性能研究综述　张玉周　（集美大学机械工程学院，福建厦门３６１０２１）　摘要：表面织构技术已得到国内外科研人员的广泛关注．理论研究和工程实践表明，表面织构化可以显著改　善接触表面的摩擦学性能，从表面织构的减摩机理和应用２个方面对织构化提高表面摩擦学性能的研究进展　进行了综述，并对其发展趋势进行展望和预测．　关键词：表面织构；流体动压效应；二次润滑；数值分析；综述　中图分类号：３ｔｔｌ１７　文献标志码：Ａ　０前言　多年来，表面织构化作为一种改善机械零件、微　／纳零件摩擦学性能的有效手段已得到广泛共识．目　前，这种技术已在计算机磁盘存储器、ＭＥＮＳ系统及　机械行业（内燃机活塞与气缸套系统、齿轮、轴承和　密封等）中得到成功应用．　１９６６年，Ｈａｍｉｌｔｏｎ等ｕ　最先通过蚀刻技术在机械　密封件上制造出一系列微观凸起，并通过理论分析和　实验验证，获得了最优的表面织构尺寸，其研究结果　表明，这些微观凸起可以起到微流体动压轴承的作　用，明显增强了摩擦副的承载能力，降低摩擦系数．之　后，研究人员又推出了许多新的表面织构技术，并运　用多种表面织构化形式来改善摩擦学性能．比如，Ｅｔ．　ｓｉｏｎ等ｕ２　利用激光加工技术在机械密封件接触面上　加工出微凹坑．实验证实，球形凹坑形状最优，且存在　一最优的凹坑深径比，使得液膜刚度及Ｐｖ参数最大．　此外，有文献报导，研究人员运用微细电解加工、磨粒　喷射、机械微加工、微细特种加工、ＬＩＧＡ等技术分别　在多种材料上进行表面织构化处理，并评价了表面织　构对摩擦性能的影响，试验结果都证实了表面织构化　对表面摩擦学性能的有效改善ｂ一１ｏ，￣０－２４］．　本文从减摩机理和应用２个方面对表面织构改　善摩擦学性能的研究现状进行了综述，并对其发展　趋势进行了展望和预测．　１表面织构的减摩机理　１．１附加流体动压效应理论　附加流体动压效应理论由Ｈａｍｉｌｔｏｎ等　在１９６６　年首次提出，其利用光刻蚀的办法获得表面织构，通　过电流的测量判断有效润滑膜的存在．其后，Ｅｔｓｉｏｎ　等Ｌ２　通过激光对摩擦副进行织构化处理，考察其润　滑性能的变化，研究发现，带微孔阵列的表面比光滑　表面具有更好的润滑性能，表面的部分织构化能够　十分有效地增加流体动压效应．Ｔ０ｎｄｅ　”ｊ将表面织　构引发的流体动压效应归因于２个方面：一是表面　织构区会产生类似Ｒａｙｌｅｉｇｈ轴承的阶梯效应，二是　表面织构会阻碍压力区内润滑油的流动．Ｋｏｖａｌｃ．　ｈｅｎｋｏ¨。　等通过销一盘接触的Ｓｔｒｉｂｅｃｋ曲线的测量研　究了表面织构对流体润滑向混合润滑转变的影响．　此外，王晓雷等¨　Ｊ对水润滑下碳化硅陶瓷的承载能　力及表面织构的影响进行了系统的研究，通过实验　获得的表面织构特征参数对承载能力的影响规律与　按流体动压理论得到的理论分布呈现类似的趋势，　表明即使在水润滑条件下，通过表面织构获得的流　体动压润滑效果也是显著的．　１．２“二次润滑”与容纳磨损颗粒理论　相对于附加流体动压效应理论，目前科研人员　对边界润滑区域的“二次润滑”理论以及容纳磨损颗　粒理论研究较少．王晓雷等ｌ】　］对边界润滑条件下表　面微细织构减摩特性进行了研究，利用纳米压痕仪　在碳钢表面制作了具有不同密度和深度的划痕点　阵，并对其在边界润滑条件下的摩擦性能进行了评　价．胡天昌等¨　利用固体脉冲激光对ＧＣｒｌ５钢样品　表面进行了微坑织构化处理，考察了表面织构参数　对其摩擦性能的影响，并得出如下结论：干摩擦条件　下，织构面的摩擦系数均高于未织构面，而其磨损率　均小于未织构面，ＳＥＭ显示微坑槽起到了捕获磨屑　收稿日期：２０１２—１１—１６．　作者简介：张玉周（１