關(guān)于面齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)與進(jìn)展

    1 面齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)

    面齒輪傳動(dòng)與錐齒輪傳動(dòng)一樣，都是傳遞包含一定交角的運(yùn)動(dòng)。通過(guò)對(duì)比這兩種傳遞方式的優(yōu)缺點(diǎn)，就可以了解面齒輪的傳動(dòng)特點(diǎn)。相對(duì)于錐齒輪傳動(dòng)，面齒輪傳動(dòng)具有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：（1）面齒輪傳動(dòng)是通過(guò)面齒輪與圓柱齒輪的相互嚙合來(lái)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。由于小齒輪為圓柱齒輪，其軸向移動(dòng)產(chǎn)生的誤差對(duì)傳動(dòng)性能幾乎沒(méi)有影響。而在錐齒輪傳動(dòng)過(guò)程中，兩錐齒輪的錐頂要重合。如果產(chǎn)生軸向誤差，將會(huì)引起嚴(yán)重的偏載現(xiàn)象。因此，在一些重要的錐齒輪傳動(dòng)中，要專門進(jìn)行防位錯(cuò)（防止錐頂分離）設(shè)計(jì)。同時(shí)，由于面齒輪傳動(dòng)的小齒輪是直齒圓柱齒輪，無(wú)軸向作用力，可以簡(jiǎn)化支撐，減輕系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)重量，這對(duì)于航空工業(yè)中空間受限和要求輕量化的場(chǎng)合非常有利。（2）雖然面齒輪傳動(dòng)仍然屬于點(diǎn)接觸傳動(dòng)，但在理論上仍然能夠保證定傳動(dòng)比傳動(dòng)，因此面齒輪傳動(dòng)的振動(dòng)和噪聲較低。而點(diǎn)接觸錐齒輪傳動(dòng)從原理上已不能保證定傳動(dòng)比傳動(dòng)，其傳動(dòng)比會(huì)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。（3）由于錐齒輪在制作過(guò)程中很多都是采用配對(duì)制造，即在制造過(guò)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(duì)錐齒輪在使用過(guò)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(shí)只能同時(shí)更換一對(duì)錐齒輪。而面齒輪傳動(dòng)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(fù)雜，在制造過(guò)程中，齒面的形狀也不統(tǒng)一，因此由不同廠家生產(chǎn)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(duì)于錐齒輪的加工制造、檢測(cè)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(dòng)相比，面齒輪傳動(dòng)具有較大的重合度。面齒輪的重合度可以達(dá)到2.0以上，而重合度大對(duì)于提高承載能力和增加傳動(dòng)的平穩(wěn)性很重要。（6）與錐齒輪傳動(dòng)相比，面齒輪傳動(dòng)可以減輕重量，結(jié)構(gòu)也更緊湊。這一特點(diǎn)對(duì)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(dòng)相對(duì)于錐齒輪傳動(dòng)也存在以下不足：

    （1）在圓柱齒輪、錐齒輪的加工過(guò)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(shí)際嚙合的圓柱齒輪相同，因此，對(duì)于不同尺寸和齒數(shù)的面齒輪來(lái)說(shuō)，其加工刀具的參數(shù)也各不相同，這樣就會(huì)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(nèi)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(shè)計(jì)得太長(zhǎng)，在傳動(dòng)強(qiáng)度上受到一定限制。

    盡管與錐齒輪傳動(dòng)相比，面齒輪傳動(dòng)存在上述缺點(diǎn)，但是，隨著技術(shù)的發(fā)展，這些缺陷能夠得到彌補(bǔ)。例如，通過(guò)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(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛。

    2 面齒輪傳動(dòng)研究的歷史與現(xiàn)狀

    早在上世紀(jì)40年代，已有研究面齒輪傳動(dòng)的文獻(xiàn) ,Buckingham采用投影幾何方法研究了面齒輪的變化特點(diǎn)，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(duì)正交軸線的面齒輪根切現(xiàn)象進(jìn)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(dòng)（FaceWormGear）；Litvin對(duì)該方法開(kāi)展了進(jìn)一步研究.這種齒輪傳動(dòng)具有重合度大的特點(diǎn)，與面齒輪和圓柱齒輪傳動(dòng)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(dòng)，而且還可用于相錯(cuò)軸傳動(dòng)。

    面齒輪的推廣應(yīng)用在很大程度上應(yīng)歸功于Litvin博士及其團(tuán)隊(duì)的相關(guān)研究.他系統(tǒng)研究了面齒輪的嚙合原理，從嚙合幾何學(xué)原理上分析了根切和頂尖的條件，同時(shí)發(fā)展了點(diǎn)接觸面齒輪，為將面齒輪應(yīng)用于高速、重載傳動(dòng)打下了基礎(chǔ)。雖然在理論上，面齒輪傳動(dòng)屬于線接觸嚙合，且裝配誤差不會(huì)引起傳動(dòng)誤差，但會(huì)引起接觸斑點(diǎn)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(wèn)題，解決方法是采用局部點(diǎn)共軛法來(lái)實(shí)現(xiàn)用點(diǎn)接觸替代線接觸。對(duì)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(gè)齒，從而使接觸區(qū)局部化，以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)接觸傳動(dòng)。研究團(tuán)隊(duì)還與美國(guó)軍工企業(yè)合作，研制了加工精密面齒輪的磨齒機(jī)床，生產(chǎn)可用于飛機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的高精度面齒輪。

    隨著面齒輪研究的深入，特別是設(shè)計(jì)的改進(jìn)，使面齒輪的承載能力和轉(zhuǎn)動(dòng)速度大幅提高，從而進(jìn)一步拓寬了其使用范圍.在美國(guó)軍方與NASA聯(lián)合開(kāi)展的ART（AdvancedRotorcraftTransmission）研究計(jì)劃中，對(duì)面齒輪進(jìn)行了高速重載研究，設(shè)計(jì)了采用面齒輪傳動(dòng)的新型直升機(jī)主減速器傳動(dòng)裝置的分流傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。研究表明，與傳統(tǒng)的錐齒輪傳動(dòng)相比，采用面齒輪傳動(dòng)可使傳動(dòng)裝置重量下降40%，且動(dòng)力分流效果好，振動(dòng)小，噪聲低。此后，美國(guó)DARPA（DefenseAdvancedResearchProjectsAgency）在TRP（TechnologyReinvestmentProgram）項(xiàng)目中繼續(xù)對(duì)面齒輪傳動(dòng)技術(shù)進(jìn)行研究，其主要目的是要把面齒輪傳動(dòng)技術(shù)應(yīng)用于新一代阿帕奇直升機(jī)中。研究?jī)?nèi)容包括：各類面齒輪傳動(dòng)的齒接觸分析；滲碳磨削面齒輪的制造與實(shí)驗(yàn)研究。歐洲很多國(guó)家也開(kāi)始對(duì)面齒輪展開(kāi)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(jì)劃，該計(jì)劃由意大利阿古斯塔（Agusta）公司從1998年開(kāi)始進(jìn)行，主要研究面齒輪在航空傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用，內(nèi)容包括面齒輪傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、初步理論研究、全尺寸實(shí)驗(yàn)研究和設(shè)計(jì)改進(jìn)等。

    面齒輪的研究在國(guó)內(nèi)開(kāi)展較晚。南京航空航天大學(xué)朱如鵬博士等人對(duì)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(wú)安裝誤差及有安裝誤差的齒接觸分析、運(yùn)動(dòng)誤差、重合度齒面曲率和齒面速度等方面。他們推導(dǎo)了齒面接觸軌跡方程；實(shí)現(xiàn)了接觸軌跡的可視化；分析了主要傳動(dòng)參數(shù)及各類誤差對(duì)接觸軌跡的影響；推導(dǎo)了運(yùn)動(dòng)角度誤差和運(yùn)動(dòng)角速度比誤差的計(jì)算公式；建立了無(wú)安裝誤差和有安裝誤差的面齒輪傳動(dòng)和重合度分析方法。這些研究對(duì)在國(guó)內(nèi)進(jìn)一步開(kāi)展研究奠定了理論基礎(chǔ)。西北工業(yè)大學(xué)方宗德教授及其團(tuán)隊(duì)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(duì)于面齒輪的測(cè)量，目前廣泛采用在測(cè)量機(jī)上進(jìn)行測(cè)量或采用對(duì)滾接觸斑點(diǎn)法進(jìn)行檢測(cè).測(cè)量機(jī)可分為通用型和專用型。通用型測(cè)量機(jī)（如三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)）可利用測(cè)量軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)面齒輪不同齒面的誤差測(cè)量。此類儀器測(cè)量精度高、使用范圍廣，但價(jià)格較昂貴，且測(cè)量操作較繁瑣。專用型測(cè)量?jī)x一般用于高精度面齒輪加工機(jī)床上，通過(guò)在機(jī)床上安裝相應(yīng)的測(cè)量裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量。高性能的CNC磨齒機(jī)通常都具有數(shù)控（NC）及多軸聯(lián)動(dòng)功能、精密線性旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、閉環(huán)反饋系統(tǒng)和用于探測(cè)工件與砂輪位置的內(nèi)置探針。利用這些功能，就能在磨齒機(jī)上實(shí)現(xiàn)在機(jī)測(cè)量。在加工機(jī)床上實(shí)現(xiàn)在機(jī)測(cè)量具有以下優(yōu)點(diǎn)：①可方便、快捷地實(shí)現(xiàn)齒輪在線測(cè)量；②齒輪誤差信息可直接應(yīng)用于加工機(jī)床的閉環(huán)反饋系統(tǒng)；③可實(shí)現(xiàn)加工前、加工中和加工后測(cè)量；④消除了將工件從加工機(jī)床轉(zhuǎn)移到檢測(cè)儀器時(shí)產(chǎn)生的定位誤差。

    對(duì)滾接觸斑點(diǎn)法是一種檢測(cè)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(cè)。由于面齒輪的齒面形狀較復(fù)雜，因此了解其接觸狀況十分重要。而且，面齒輪的內(nèi)圈存在頂尖現(xiàn)象，如果接觸位置位于內(nèi)圈，就有可能加速磨損并引起斷齒，所以，準(zhǔn)確判斷面齒輪傳動(dòng)的接觸位置和接觸形狀對(duì)于預(yù)測(cè)其傳動(dòng)性能具有重要意義。由于齒輪嚙合檢測(cè)設(shè)備簡(jiǎn)單，方法可靠，因此在面齒輪質(zhì)量控制上使用較為普遍。同樣，還可以通過(guò)施加載荷，檢測(cè)面齒輪在不同載荷下的齒面接觸狀況。此外，通過(guò)調(diào)整齒輪加工機(jī)床的工藝參數(shù)，可以控制接觸斑點(diǎn)的位置與形狀。

    目前，面齒輪測(cè)量技術(shù)在國(guó)內(nèi)的研究剛剛起步。北京工業(yè)大學(xué)石照耀教授在這方面進(jìn)行了研究，并建立了面齒輪誤差評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)開(kāi)發(fā)相應(yīng)的測(cè)量軟件，實(shí)現(xiàn)了在坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CMM）上測(cè)量面齒輪誤差。

    3 今后的主要研究方向

    雖然對(duì)面齒輪傳動(dòng)的研究已經(jīng)取得了大量成果，但相對(duì)于比較成熟的圓柱齒輪傳動(dòng)和錐齒輪傳動(dòng)而言，還有許多課題需要進(jìn)一步研究，尤其在國(guó)內(nèi)，對(duì)面齒輪傳動(dòng)的研究還處于起步階段。今后的研究方向和重點(diǎn)包括：（1）面齒輪傳動(dòng)理論的研究。主要包括：面齒輪的彎曲強(qiáng)度、接觸強(qiáng)度和膠合強(qiáng)度分析、面齒輪的潤(rùn)滑研究、面齒輪誤差對(duì)嚙合的影響等。對(duì)圓柱齒輪傳動(dòng)和錐齒輪傳動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性研究已在國(guó)內(nèi)外廣泛開(kāi)展，而對(duì)面齒輪傳動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性研究目前未見(jiàn)報(bào)道，這方面的研究工作也亟待開(kāi)展。（2）面齒輪制造技術(shù)和加工機(jī)床的研究。目前國(guó)外已有比較成熟的面齒輪加工設(shè)備。但在國(guó)內(nèi)，面齒輪加工技術(shù)還處于初期階段。雖然加工面齒輪的插齒機(jī)已研制成功，但其性能還有待進(jìn)一步提高。此外，還需要大力研制開(kāi)發(fā)面齒輪精加工機(jī)床（如面齒輪磨齒機(jī)）.（3）面齒輪測(cè)量技術(shù)的研究。主要包括：面齒輪測(cè)量理論的研究（包括測(cè)量原理、測(cè)量結(jié)果的誤差分析、測(cè)量系統(tǒng)誤差等）；面齒輪測(cè)量?jī)x器的研制開(kāi)發(fā)，包括針對(duì)不同使用場(chǎng)合及使用要求，開(kāi)發(fā)能準(zhǔn)確、方便、經(jīng)濟(jì)地檢測(cè)不同面齒輪誤差的測(cè)量?jī)x器；面齒輪測(cè)量軟件的開(kāi)發(fā)，目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出針對(duì)圓柱齒輪和直齒錐齒輪的測(cè)量軟件，但面齒輪測(cè)量軟件仍是空白。

    4 結(jié)語(yǔ)

    通過(guò)以上分析，可以得出以下兩點(diǎn)結(jié)論：（1）相對(duì)于錐齒輪傳動(dòng)而言，面齒輪傳動(dòng)具有諸多優(yōu)勢(shì)，雖然也存在一些缺陷與不足，但隨著研究的深入和技術(shù)的進(jìn)步，面齒輪傳動(dòng)一定會(huì)獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。（2）相對(duì)于國(guó)外的發(fā)展水平，我國(guó)在面齒輪的加工技術(shù)和測(cè)量技術(shù)上還存在較大差距，尤其在面齒輪精密加工機(jī)床的研制、面齒輪測(cè)量?jī)x器和測(cè)量軟件的開(kāi)發(fā)、完善等方面亟待提高。