關于面齒輪傳動的特點與進展

    1 面齒輪傳動的特點

    面齒輪傳動與錐齒輪傳動一樣，都是傳遞包含一定交角的運動。通過對比這兩種傳遞方式的優(yōu)缺點，就可以了解面齒輪的傳動特點。相對于錐齒輪傳動，面齒輪傳動具有以下幾方面的優(yōu)點：（1）面齒輪傳動是通過面齒輪與圓柱齒輪的相互嚙合來實現(xiàn)傳動。由于小齒輪為圓柱齒輪，其軸向移動產生的誤差對傳動性能幾乎沒有影響。而在錐齒輪傳動過程中，兩錐齒輪的錐頂要重合。如果產生軸向誤差，將會引起嚴重的偏載現(xiàn)象。因此，在一些重要的錐齒輪傳動中，要專門進行防位錯（防止錐頂分離）設計。同時，由于面齒輪傳動的小齒輪是直齒圓柱齒輪，無軸向作用力，可以簡化支撐，減輕系統(tǒng)的結構重量，這對于航空工業(yè)中空間受限和要求輕量化的場合非常有利。（2）雖然面齒輪傳動仍然屬于點接觸傳動，但在理論上仍然能夠保證定傳動比傳動，因此面齒輪傳動的振動和噪聲較低。而點接觸錐齒輪傳動從原理上已不能保證定傳動比傳動，其傳動比會在一定范圍內波動。（3）由于錐齒輪在制作過程中很多都是采用配對制造，即在制造過程中，首先加工出小齒輪，然后根據(jù)小齒輪的齒面加工出與之配套使用的大齒輪。因此，一對錐齒輪在使用過程中不能像圓柱齒輪那樣具有互換性。由于小齒輪更容易磨損，失效更快，因此在更換時只能同時更換一對錐齒輪。而面齒輪傳動的小齒輪是直齒圓柱齒輪，因此具有較高的互換性。（4）由于錐齒輪（特別是弧齒錐齒輪）的齒面形狀比較復雜，在制造過程中，齒面的形狀也不統(tǒng)一，因此由不同廠家生產的錐齒輪通常齒面形狀不一樣，參數(shù)也不同（如格里森制、奧利康制錐齒輪），這對于錐齒輪的加工制造、檢測及維修造成了很大麻煩。而面齒輪則具有統(tǒng)一的理論齒面。（5）與錐齒輪傳動相比，面齒輪傳動具有較大的重合度。面齒輪的重合度可以達到2.0以上，而重合度大對于提高承載能力和增加傳動的平穩(wěn)性很重要。（6）與錐齒輪傳動相比，面齒輪傳動可以減輕重量，結構也更緊湊。這一特點對于重量限制要求較高的航空工業(yè)特別重要。

    同樣，由于面齒輪齒面的特殊性，面齒輪傳動相對于錐齒輪傳動也存在以下不足：

    （1）在圓柱齒輪、錐齒輪的加工過程中，采用一種刀具可以加工同一模數(shù)、不同參數(shù)的齒輪。而面齒輪加工采用的刀具尺寸與實際嚙合的圓柱齒輪相同，因此，對于不同尺寸和齒數(shù)的面齒輪來說，其加工刀具的參數(shù)也各不相同，這樣就會增加刀具數(shù)量，提高加工成本。

    （2）由于面齒輪反映在齒寬方向的形狀不同，內徑處有根切現(xiàn)象，外徑處有尖角現(xiàn)象，因此，面齒輪的齒寬不能設計得太長，在傳動強度上受到一定限制。

    盡管與錐齒輪傳動相比，面齒輪傳動存在上述缺點，但是，隨著技術的發(fā)展，這些缺陷能夠得到彌補。例如，通過改善齒輪材料的性能，可以提高齒輪的承載能力。因此，面齒輪的應用將會越來越廣泛。

    2 面齒輪傳動研究的歷史與現(xiàn)狀

    早在上世紀40年代，已有研究面齒輪傳動的文獻 ,Buckingham采用投影幾何方法研究了面齒輪的變化特點，其基本思想是：將面齒輪的輪齒看作是變壓力角和變齒距的齒條。即把面齒輪嚙合看作是在圓柱齒輪的不同軸截面上齒輪與齒條的嚙合，據(jù)此可以畫出不同位置處齒輪的近似齒形。50年代，Emilio和Dornig對正交軸線的面齒輪根切現(xiàn)象進行了研究。Sarri.O.E提出了一種面齒輪與螺紋狀圓柱（或圓錐）蝸桿的傳動（FaceWormGear）；Litvin對該方法開展了進一步研究.這種齒輪傳動具有重合度大的特點，與面齒輪和圓柱齒輪傳動相比，改善了嚙合特性，提高了齒輪傳遞載荷的能力和傳遞的平穩(wěn)性。該方法不僅可用于相交軸傳動，而且還可用于相錯軸傳動。

    面齒輪的推廣應用在很大程度上應歸功于Litvin博士及其團隊的相關研究.他系統(tǒng)研究了面齒輪的嚙合原理，從嚙合幾何學原理上分析了根切和頂尖的條件，同時發(fā)展了點接觸面齒輪，為將面齒輪應用于高速、重載傳動打下了基礎。雖然在理論上，面齒輪傳動屬于線接觸嚙合，且裝配誤差不會引起傳動誤差，但會引起接觸斑點位置的改變。由于存在齒根根切和齒頂變尖，使面齒輪的齒寬不能太大，從而在各種誤差的作用下可能發(fā)生邊緣接觸。錐齒輪（特別是弧齒錐齒輪）的嚙合同樣存在這一問題，解決方法是采用局部點共軛法來實現(xiàn)用點接觸替代線接觸。對于面齒輪的嚙合，采用的解決方法是插齒刀的齒數(shù)比相嚙合的圓柱齒輪齒數(shù)多1-3個齒，從而使接觸區(qū)局部化，以實現(xiàn)點接觸傳動。研究團隊還與美國軍工企業(yè)合作，研制了加工精密面齒輪的磨齒機床，生產可用于飛機傳動機構的高精度面齒輪。

    隨著面齒輪研究的深入，特別是設計的改進，使面齒輪的承載能力和轉動速度大幅提高，從而進一步拓寬了其使用范圍.在美國軍方與NASA聯(lián)合開展的ART（AdvancedRotorcraftTransmission）研究計劃中，對面齒輪進行了高速重載研究，設計了采用面齒輪傳動的新型直升機主減速器傳動裝置的分流傳動機構。研究表明，與傳統(tǒng)的錐齒輪傳動相比，采用面齒輪傳動可使傳動裝置重量下降40%，且動力分流效果好，振動小，噪聲低。此后，美國DARPA（DefenseAdvancedResearchProjectsAgency）在TRP（TechnologyReinvestmentProgram）項目中繼續(xù)對面齒輪傳動技術進行研究，其主要目的是要把面齒輪傳動技術應用于新一代阿帕奇直升機中。研究內容包括：各類面齒輪傳動的齒接觸分析；滲碳磨削面齒輪的制造與實驗研究。歐洲很多國家也開始對面齒輪展開研究，如意大利的FACET正交面齒輪插齒加工仿真和磨齒原理研究計劃，該計劃由意大利阿古斯塔（Agusta）公司從1998年開始進行，主要研究面齒輪在航空傳動系統(tǒng)中的應用，內容包括面齒輪傳動的結構設計、初步理論研究、全尺寸實驗研究和設計改進等。

    面齒輪的研究在國內開展較晚。南京航空航天大學朱如鵬博士等人對面齒輪的嚙合理論做了大量研究，主要集中于面齒輪的齒面生成、面齒輪齒寬的限制條件、無安裝誤差及有安裝誤差的齒接觸分析、運動誤差、重合度齒面曲率和齒面速度等方面。他們推導了齒面接觸軌跡方程；實現(xiàn)了接觸軌跡的可視化；分析了主要傳動參數(shù)及各類誤差對接觸軌跡的影響；推導了運動角度誤差和運動角速度比誤差的計算公式；建立了無安裝誤差和有安裝誤差的面齒輪傳動和重合度分析方法。這些研究對在國內進一步開展研究奠定了理論基礎。西北工業(yè)大學方宗德教授及其團隊在面齒輪的加工以及數(shù)值仿真方面也做了大量研究工作.對于面齒輪的測量，目前廣泛采用在測量機上進行測量或采用對滾接觸斑點法進行檢測.測量機可分為通用型和專用型。通用型測量機（如三坐標測量機）可利用測量軟件實現(xiàn)對面齒輪不同齒面的誤差測量。此類儀器測量精度高、使用范圍廣，但價格較昂貴，且測量操作較繁瑣。專用型測量儀一般用于高精度面齒輪加工機床上，通過在機床上安裝相應的測量裝置來實現(xiàn)測量。高性能的CNC磨齒機通常都具有數(shù)控（NC）及多軸聯(lián)動功能、精密線性旋轉運動、閉環(huán)反饋系統(tǒng)和用于探測工件與砂輪位置的內置探針。利用這些功能，就能在磨齒機上實現(xiàn)在機測量。在加工機床上實現(xiàn)在機測量具有以下優(yōu)點：①可方便、快捷地實現(xiàn)齒輪在線測量；②齒輪誤差信息可直接應用于加工機床的閉環(huán)反饋系統(tǒng)；③可實現(xiàn)加工前、加工中和加工后測量；④消除了將工件從加工機床轉移到檢測儀器時產生的定位誤差。

    對滾接觸斑點法是一種檢測齒輪使用性能的有效方法，該方法同樣適用于面齒輪的檢測。由于面齒輪的齒面形狀較復雜，因此了解其接觸狀況十分重要。而且，面齒輪的內圈存在頂尖現(xiàn)象，如果接觸位置位于內圈，就有可能加速磨損并引起斷齒，所以，準確判斷面齒輪傳動的接觸位置和接觸形狀對于預測其傳動性能具有重要意義。由于齒輪嚙合檢測設備簡單，方法可靠，因此在面齒輪質量控制上使用較為普遍。同樣，還可以通過施加載荷，檢測面齒輪在不同載荷下的齒面接觸狀況。此外，通過調整齒輪加工機床的工藝參數(shù)，可以控制接觸斑點的位置與形狀。

    目前，面齒輪測量技術在國內的研究剛剛起步。北京工業(yè)大學石照耀教授在這方面進行了研究，并建立了面齒輪誤差評定標準。通過開發(fā)相應的測量軟件，實現(xiàn)了在坐標測量機（CMM）上測量面齒輪誤差。

    3 今后的主要研究方向

    雖然對面齒輪傳動的研究已經(jīng)取得了大量成果，但相對于比較成熟的圓柱齒輪傳動和錐齒輪傳動而言，還有許多課題需要進一步研究，尤其在國內，對面齒輪傳動的研究還處于起步階段。今后的研究方向和重點包括：（1）面齒輪傳動理論的研究。主要包括：面齒輪的彎曲強度、接觸強度和膠合強度分析、面齒輪的潤滑研究、面齒輪誤差對嚙合的影響等。對圓柱齒輪傳動和錐齒輪傳動的動態(tài)特性研究已在國內外廣泛開展，而對面齒輪傳動的動態(tài)特性研究目前未見報道，這方面的研究工作也亟待開展。（2）面齒輪制造技術和加工機床的研究。目前國外已有比較成熟的面齒輪加工設備。但在國內，面齒輪加工技術還處于初期階段。雖然加工面齒輪的插齒機已研制成功，但其性能還有待進一步提高。此外，還需要大力研制開發(fā)面齒輪精加工機床（如面齒輪磨齒機）.（3）面齒輪測量技術的研究。主要包括：面齒輪測量理論的研究（包括測量原理、測量結果的誤差分析、測量系統(tǒng)誤差等）；面齒輪測量儀器的研制開發(fā)，包括針對不同使用場合及使用要求，開發(fā)能準確、方便、經(jīng)濟地檢測不同面齒輪誤差的測量儀器；面齒輪測量軟件的開發(fā)，目前國內已經(jīng)開發(fā)出針對圓柱齒輪和直齒錐齒輪的測量軟件，但面齒輪測量軟件仍是空白。

    4 結語

    通過以上分析，可以得出以下兩點結論：（1）相對于錐齒輪傳動而言，面齒輪傳動具有諸多優(yōu)勢，雖然也存在一些缺陷與不足，但隨著研究的深入和技術的進步，面齒輪傳動一定會獲得越來越廣泛的應用。（2）相對于國外的發(fā)展水平，我國在面齒輪的加工技術和測量技術上還存在較大差距，尤其在面齒輪精密加工機床的研制、面齒輪測量儀器和測量軟件的開發(fā)、完善等方面亟待提高。