第一節(jié) 產(chǎn)品定義、性能及應(yīng)用特點

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，因此強度提高，是一種轉(zhuǎn)動時較為安靜的齒輪。

特點

1、較直齒傘形齒輪的齒承受面積、強度、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，傳動效率比較好

4、制作上比較困難

用途

適用于高負荷及高速轉(zhuǎn)動的場合，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

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

人類很早就將齒輪用于機械傳動，但第一個將共軛齒面用于齒輪傳動的是丹麥天文學(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、安裝和傳動等方面的優(yōu)越性能，這使?jié)u開線齒輪在平行軸傳動中牢固占據(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，這引起了爭議，其理論被認為不夠嚴謹且不具一般性。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。直到最近由于計算機技術(shù)在螺旋傘齒輪齒面設(shè)計方面的應(yīng)用，人們才開始重新注意到T. Olivier的幾何法的工程應(yīng)用價值。

對螺旋傘齒輪技術(shù)的理論 研究 表明，螺旋傘齒輪齒面是與一種螺旋運動關(guān)系相對應(yīng)的復(fù)雜曲面，它必須通過能在刀具和工件之間產(chǎn)生這種螺旋運動的機床才能實現(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床的發(fā)展，其設(shè)計理論的發(fā)展又必然推動新的切齒機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，直到一個世紀之后，隨著加工機床的出現(xiàn)，螺旋傘齒輪才從概念變?yōu)楝F(xiàn)實。

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)的專利報告，這些報告包含的內(nèi)容非?；A(chǔ)和廣泛。在報告中，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制造了一臺原型機，以驗證他的方法。采用此原型機，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，齒面修形的概念還沒有出現(xiàn)，因為大小輪采用相同的產(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)計出了第一臺螺旋傘齒輪端面切削機床。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動關(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型機床是這個時期的代表性機床。從這時起，格利森公司生產(chǎn)的螺旋傘齒輪加工機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雙曲面齒輪并進行了理論 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，從而提高了小輪強度。小輪模數(shù)的增大使小輪的最少齒數(shù)從9個齒降低到5 -6個齒。同時，齒輪副的重合度也明顯的增加了?？傊?，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)，增加了齒面抗壓強度和齒根強度。

軸線偏置對齒輪副傳動性能的最大不利影響是齒面嚙合時，接觸齒面沿齒長方向的相對滑動速度增大。相對滑動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。但相對滑動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雙曲面齒輪的加工機床No.16H。1926年，殼牌石油公司向市場推出了準雙曲面齒輪潤滑油。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雙曲面齒輪，這是世界上第一家采用準雙曲面齒輪的汽車公司。螺旋傘齒輪技術(shù)的另一項巨大進步是刀傾法的引入。這種方法也是格利森公司提出并首先實現(xiàn)的，第一臺帶刀傾機構(gòu)的螺旋傘齒輪加工機床出現(xiàn)在1930年之前。采用帶刀傾機構(gòu)的切齒機床，可對齒面進行沿齒長和齒廓方向的修正。自此，點接觸齒面開始出現(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機床達到了純機械齒輪加工機床的頂峰（最大化的機械智能，最小化的電氣控制）。這種機床帶有刀傾機構(gòu)，能選擇應(yīng)用變性機構(gòu)或螺旋展成運動。它是第一臺能夠把高級嚙合理論在螺旋傘齒輪副上變成現(xiàn)實的機床。這種機床所有的運動優(yōu)化都是通過改變驅(qū)動齒輪、偏心機構(gòu)及凸輪實現(xiàn)的。直至現(xiàn)在，這種機床還在得到廣泛的使用。我國在上世紀七十年代從美國引進的螺旋傘齒輪切齒機主要就是這種機床。這種機床的設(shè)計概念模型已經(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

圖：傳統(tǒng)搖臺型機床的三維概念模型

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，它們設(shè)計的機床采用連續(xù)分度的方法滾切加工齒輪。這三家公司之間既相互競爭，又相互借鑒與合作，共同推動了錐齒輪技術(shù)的不斷進步與發(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準。

隨著控制技術(shù)的發(fā)展，電氣控制在螺旋傘齒輪加工機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型機床中，這標志著螺旋傘齒輪加工技術(shù)進入了PLC控制階段。1986年，格利森公司推出的GMAXX 2010型機床使螺旋傘齒輪的加工技術(shù)又向前邁進了一大步。這是第一臺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床。它的搖臺、工件、刀盤之間的協(xié)調(diào)運動完全采用數(shù)控系統(tǒng)進行控制，機床參數(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型機床徹底突破了傳統(tǒng)切齒機床的設(shè)計思想，拋棄了傳統(tǒng)的搖臺、刀傾、變性等復(fù)雜的機構(gòu)，建立了六坐標的機械結(jié)構(gòu)，齒面的成形由六軸之間的協(xié)調(diào)運動來完成。它在大大簡化傳統(tǒng)搖臺類機床復(fù)雜機械結(jié)構(gòu)的同時，提高了機床的動靜態(tài)剛度和加工精度，而且使機床可更加靈活的進行控制。這是一種萬能型齒輪加工機床，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床KNC40，它的設(shè)計思想和下圖類似。

圖：Free-form機床的三維概念模型

在理論推動齒輪加工機床技術(shù)不斷發(fā)展的同時，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)的微分幾何和運動學(xué)原理，提出了對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60年代，M.L.Bax-ter提出了一個準雙曲面幾何模型，進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動傳遞情況的定量 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，嚴密而簡潔地論證了有關(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，對各種安裝加工誤差對運動精度的影響進行了解析描述。應(yīng)該提及的是這一時期，日俄等國有工程師也提出了自己的螺旋傘齒輪加工機床的設(shè)計模型或設(shè)想，由于設(shè)計方案在機床運動的穩(wěn)定性和剛度以及切齒技術(shù)方法等方面存在明顯缺陷，因而沒有在實踐中采用，或在實際應(yīng)用中因難以控制的誤差而被淘汰。這從一個側(cè)面反映了螺旋傘齒輪技術(shù)的難度和復(fù)雜程度。
 

我國的錐齒輪和準雙曲面齒輪技術(shù)興起于二十世紀七十年代，以“格利森齒制”為主要目標，原機械工業(yè)部曾把“格利森成套技術(shù)的 研究 ”列為重點 研究 課題，組織國內(nèi)有關(guān)力量進行攻關(guān)，1971年南開大學(xué)的數(shù)學(xué)家嚴志達教授首先提出了相對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、曾韜等對齒輪嚙合理論進行了深入 研究 ，他們不僅運用各自的方法正確推導(dǎo)了Gleason公司機床參數(shù)調(diào)整卡上的公式， 分析 了其理論實質(zhì)，而且還指出并改進了其中的錯誤和不足。西安交通大學(xué)機制教研室齒輪 研究 組發(fā)展和改進了前蘇聯(lián)的一種精度很低的切齒計算方法，并將其用于 分析 Gleason公司No.116機床參數(shù)調(diào)整卡，得到了與原機床參數(shù)調(diào)整卡具有同等精度的計算結(jié)果。到二十世紀八十年代，我國學(xué)者已基本弄清Gleason螺旋傘齒輪技術(shù)的理論實質(zhì)和加工原理，并設(shè)計制造出國產(chǎn)機械式螺旋傘齒輪加工機床。1999年由中南大學(xué)曾韜教授領(lǐng)導(dǎo)的科研團隊研制出我國第一臺七軸五聯(lián)動全數(shù)控磨齒機YK2045。并在2003年實現(xiàn)商品化。目前，國內(nèi) 研究 螺旋傘齒輪技術(shù)的團隊有重慶大學(xué)的齒輪傳動國家重點實驗室、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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