面齿轮国内外发展状况分析

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摘 要：本文论述了面齿轮传动机构具有重量轻、占有空间小、传动平稳、噪声小的特点，随着航空业发展，国外研究者在面齿轮应用于航空传动系统方面做了大量贡献，本文对我国面齿轮发展状况分析，提出了我国面齿轮研究的发展方向。

关键词：面齿轮；发展状况； 仿真技术； 啮合传动

1 概述

机器的功能需要多种机构配合才能完成，它包括原动机部分、传动机构和动力输出部分，传动机构处于原动机和动力输出端之间，是机器设备必不可少的部分，通过它可以完成机器的增速、减速和运动的转换，来满足输出端的各种运动要求。传动机构在各种机器中占有重要地位，对机器的结构和外形都有重大影响。传动机构通常包括啮合传动和摩擦传动，摩擦传动虽然结构简单，使用维修方便，传动时噪声小，但是传动时会由于皮带用的时间过长或安装不合理使两个皮带轮轴间距太大而出现打滑的现象，这时传动机构的效率大大降低，不能用在重载荷或大功率的转动设备上。

啮合传动包括齿轮传动、蜗杆传动和链条传动，蜗杆传动主要用在机床设备中，链条传动磨损较快，噪声大，传动比变化小，常用于矿山机械设备中，这种传动常常用在开放的环境。齿轮传动在日常的生活、生产中用得最多，与蜗杆和链条传动相比，它具有占用空间小，传动平稳，传动比精确的优点。小到家庭生活中的玩具汽车，大到长江三峡的发电机组都可以找到齿轮传动机构，适用范围非常广。即使在一个减速机里有多对齿轮同时工作，结构也可以设计相当紧凑，传动效率可高达90%以上，在大的机器设备中采用油浴润滑，密闭的工作环境使其噪声很小，使用寿命也比啮合传动中的其它方式更长久。随着机器制造业迅猛发展，对齿轮传动的工作性能和质量的要求也在不断提高，因此齿轮的结构形式也在变化。

社会经济在飞速发展，航空运输已经成为了比较常用的运输方式，各国展示军事实力也把军用飞机放在重要位置，以上这些究其根本原因是因为齿轮占用空间小，传动平稳的优势，使其在飞机制造业得到广泛使用。由于飞行器属于交通运输机械，因此在保证强度达到要求的情况下，重量要轻，可以承载更多的旅客或货物；传动功率要大，来满足制造大飞机的需要；齿面精度要高，来保证飞机的寿命；工作平稳，来保证安全；，噪声要低来满足环保要求。多年以来，为了满足航空业发展需要，设计者在齿轮的研究上，花费了很多精力，面齿轮在这些研究工作中优势可见脱颖而出，西方发达国家在这方面研究较早始终走在前列。

齿轮按加工毛坯外圆不同，可以分为圆柱和圆锥两大类。一对圆柱齿轮传动时，两轴互相平行，一对圆锥齿轮传动时两轴垂直，但无论以上哪种都是成对圆柱或成对圆锥齿轮的组合。普通圆锥齿轮锥角较小，面齿轮最初研究时被看作锥度较大的锥齿轮，它通常与一个较小的圆柱齿轮（以下简称为小齿轮）组成一对啮合齿轮，根据齿形走向与轴之间夹角不同，可以把面齿轮分为直齿、斜齿两大类。还可以依据啮合时，两轴位置差异，把它分为垂直和斜交两种安装形式。当锥度最大达到90度时，齿形完全在圆柱端面上，而且分布均匀，成为名副其实的端面齿轮简称面齿轮。它的传动实质上是小圆柱齿轮和面齿轮的组合，其传动优点包括以下几点。传动过程小齿轮上无轴向力作用，这对于空间受到限制和重量要求轻的场合是极为有用的，尤其是在航空领域非常有应用价值的。面齿轮传动比一对锥齿轮传动的重合度更大。重合度较大可以提高齿轮的承载能力并且能使传动更平稳、振动小，因而噪音比较小。面齿轮传动虽然属于点接触传动，但在理论上仍然能保证精确的传动比。当与面齿轮啮合的小齿轮为渐开线齿轮，啮合时成对齿的公法线相同，这点对于动力传动是非常有好处的。而且啮合传动时小齿轮受面齿轮位置的限制，轴向误差小，对啮合的性能几乎不影响，径向误差就更小了，在传动时齿轮定位得到保证。

2 面齿轮国外发展状况分析

在早期的研究中，面齿轮只看成了锥度很大的锥齿轮，查找面齿轮方面文献，Bucking—ham在二十世纪的五十年代曾经发表过一篇关于齿轮机械性能分析的文章，介绍到它的啮合特点，他是从数学角度看待面齿轮的齿形变化的，把这种啮合类似看作是齿轮和齿条相啮合。

在Bucking—ham研究之后， Emilio发表了两篇关于面齿轮比较重要的论文，较早的一篇他是从几何计算和运动分析角度研究的，另一篇则是面齿轮在齿根部位的根切问题，他的研究成果只局限在中心线相交而且垂直的正交面齿轮上。接下来在Saari.O.E的著作中提到圆柱齿轮或蜗杆能够与面齿轮进行啮合，对面齿轮的定义更加清晰。与普通齿轮传动不同的是面齿轮在与其它齿轮啮合过程中，会有多对轮齿同时接触，重合度大，从而使面齿轮的承载能力大大增强。

在近些年来，Litvin对面齿轮的发展也起了很大作用，他的研究是从几何角度设计面齿轮的。他认为面齿轮在加工时齿根容易被根切，齿顶容易变得较尖而使承载能力下降，面齿轮传动虽然属于点接触传动，但在理论上仍能保证精确传动比。通过计算机的辅助，模拟出面齿轮工作时啮合接触情况，在装配时，它的传动误差不受影响。面齿轮首选插齿加工效果较好，插齿时，刀具形状类似于与之啮合的小齿轮，插齿加工模拟面齿轮传动过程，理论上能够实现齿面点接触，但这种传动是不存在的。受多种因素的影响，齿面接触部位要产生移动，使接触位置向面齿轮外侧移动，这样会影响到它的承载能力，是设计者最不想看到的结果。因此刀具在齿数上的设计要比工作中的小齿轮齿数多些，但是这样又出现了加工出的面齿轮不能够与和它啮合的小齿轮完全正确接触，成为点接触式的传动。

之后，Handschuh和他的科研小组还做了两个实验，分别是传动力矩在分流方面和动力学方面的，大多数国外研究者把面齿轮的应用价值集中在航空业上，因此Handschuh的实验也在很高的转速下进行，并能承受重载。其中一个实验是在美国Lewis 研究中心完成，试验转速为实际使用转速，功率为实际使用的1/8和1/4，齿轮尺寸及相关部件为实际结构的一半。在小齿轮的主轴转过了3×l07转后，检查发现两齿轮的齿面接触较好，传动很平稳，接触部位分布均匀。另一个实验在Lucas Western Inc完成的，首先在面齿轮动力扭矩分流的精度方面，然后又进行了动力学的啮合情况研究。为了具有驱动力，将普通小圆柱齿轮的动力输入端与联轴器相连，它的输出端分别与两个面齿轮接触，这个试验现象可以得出结论：小齿轮即使在自己的固有频率下工作同样能运行平稳，无共振发生，这是因为圆柱齿轮夹在两面齿轮中间，使其两侧轴向力相互抵消避免了共振情况出现。这种面齿轮可以应用于高速度、大功率的啮合传动装置，这使面齿轮应用在航天器上成为可能。

在后来面齿轮的研究主要集中在航空航天领域，在2005年美国军方应用航空技术董事会AATD主办的一个研究成果中，把面齿轮啮合传动结构用在直升飞机的动力装置中（AH-64DApache武装直升机），在这个实验中已试运行60小时，面齿轮传动系统未出现异常。试验结果显示，面齿轮啮合传动可以提供大功率动力，从而达到重载荷的承受力。另外由芝加哥北星航宇公司和波音公司联合研究同样把面齿轮技术应用于直升机上，也已经平稳地运行了400多个小时，这些研究为面齿轮应用于实际奠定了基础。

面齿轮最新研究集中在高速重载齿轮啮合传动上，在美国ART项目上，军用直升机减速器设计采用两面齿轮夹一个小圆柱齿轮的结构，图1是减速器内部齿轮图，图2是与面齿轮相关的啮合简图。如果用两对锥齿轮传递动力，在图2中与联轴器相连的轴上必须安装两个圆锥齿轮，对轴抗扭转性和支撑结构要求较高，因而重量增加很大。但如果把两个大锥齿改为两个面齿轮，把两个小锥齿设计成一个小圆柱齿轮轴，它的重量比原来结构降低了40%，且圆柱齿轮轴径向力正好平衡，振动小、噪声低，研究效果显著。

图1 直升机主减速器齿轮图 图2 锥齿轮传动部分简图

在NASA与美国军方联合进行的ART研究项目完成以后，美国另一个项目TRP深入的研究了面齿轮，目的是使这种结构能够用在阿帕奇直升机的主减速器上，在TRP项目中进行了面齿轮齿接触情况分析，采用渗碳技术进行磨削加工面齿轮等方面研究，但仍局限于实验。面齿轮传动机构由于具有重量轻、占有空间小、传动平稳、噪声小的特点，因此它被许多西方国家称为“旋翼机的希望”，各国都在争先立项研究它。

面齿轮在齿轮设计上是一次创新，把齿形设计在圆柱体端面上而与圆柱齿轮啮合的方式。从以上论述的面齿轮国外发展现状的分析中可以看到，早在半个世纪前国外的研究者就开始对面齿轮啮合传动具有初步的认识，由于它具有许多独特的优点，使面齿轮的发展倾向应用于航空航天传动系统等高速重载方面的研究。在国外发达国家对面齿轮无论是在理论还是在实际应用上已经做了大量的研究工作，并且在这方面已经取得了突破性的进展。

3 面齿轮国内的发展状况分析

我国的工业起步较世界发达国家晚得多，在面齿轮方面还是局限在传动轴正交的面齿轮传动系统，南京航空航天大学朱如鹏博士对面齿轮研究做了很大贡献，而且他领导的科研小组已成功研制出我国第一台面齿轮插齿机床，为我国研究面齿轮起了带头作用，为这种齿轮的加工制造提供了设备条件。近年来，西北工业大学和北京航天航空大学也开始研究面齿轮的啮合形式，其研究内容包括：过渡曲面生成，齿根、齿尖对齿宽的限制，面齿轮动力学分析，接触应力和啮合特性分析等。

在我国机械设计中对仿真技术的应用起步较晚，与日本、美国、德国等制造技术比较发达的国家相比，仍然存在着很大的差距。应用计算机做载体来完成复杂机器零件的加工过程，它在提高产品质量、缩短设计周期、降低机械设计和制造成本等方面起着更大的作用。从这点考虑，把计算机仿真技术应用在面齿轮研究上是必不可少的。

从以上所查资料来看，我国在面齿轮建模和用电脑仿真加工方面研究很少，以后的研究项目应趋于这两个方向，比如依据它的基本啮合理论和齿面方程可以应用Pro/E等设计软件的建模功能来完成面齿轮的参数化建模设计，这时可以对基本参数赋予不同的初始值，来完成数据更改的三维模型，为面齿轮的仿真加工提供理论依据。利用软件自带的程序功能实现刀具齿轮渐开线的绘制，利用镜向和阵列功能完成面齿轮刀具齿廓线的生成，通过拉伸功能得到面齿轮毛坯；让刀具和毛坯沿着各自的轴线按一定的传动比进行旋转。可以完成面齿轮在仿真软件上的加工，并得到其加工后的模型。通过更改设计参数可以得到面齿轮超过齿宽限制条件时齿顶变尖和齿根发生根切的模型。

利用这些研究将为面齿轮加工打下一定的理论基础，也为其它类型的面齿轮研究提供了参考。

参考文献：

[1] 郭辉，赵宁，方宗德，等.基于接触有限元的面齿轮传动弯曲强度研究[J].航空动力学报.2008（08）：1438-1442.

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[3] 鲁文龙，朱如鹏，曾英.正交面齿轮传动中齿面曲率研究[J].南京航空航天大学学报.2000（04）：400-404.