■孟江濤

齒輪是一種應(yīng)用最廣的機械傳動基礎(chǔ)零件，因其具有結(jié)構(gòu)緊湊,、傳遞動力大,、傳動比變化范圍及傳動功率范圍大、效率高,、壽命長,、可靠性好和瞬時傳動比恒定等特點，被廣泛應(yīng)用于交通,、風(fēng)電及裝備制造業(yè)等基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域內(nèi),。

齒輪按其輪齒齒廓曲線，可分為漸開線,、擺線,、圓弧線和雙圓弧線齒輪等；按其外形可分為圓柱齒輪,、錐齒輪,、蝸桿蝸輪、鼓形齒輪和非圓齒輪等,；按其運動形式,，又可分為平行軸傳動、相交軸傳動和交錯軸傳動等。齒輪廣泛應(yīng)用于各種傳動機械內(nèi),，盡管其結(jié)構(gòu)和形狀千變?nèi)f化，但其精度標準是統(tǒng)一的,，失效形式是相似的,。研究齒輪的精度及做好產(chǎn)品的過程控制、提高齒輪的使用壽命,，是企業(yè)得以長足發(fā)展,、推動行業(yè)進步的法寶 。

直錐齒輪適用于軸線相交的兩軸間傳動,，軸線成直角或非直角,，其精度直接影響到傳動的平穩(wěn)性、噪聲,、磨損以致?lián)p壞,。錐齒和準雙曲面齒輪共用一個標準，即GB11365—1989《錐齒輪和準雙曲線齒輪精度》,，此標準中詳細闡述了錐齒輪的精度及誤差的來源,，按要求對3個公差組的11個檢驗組，進行測量評定,，特別對3個公差組中的齒距累積誤差,、齒距偏差、齒圈跳動和周節(jié)極限偏差進行靜態(tài)檢驗,，與標準公差值相對應(yīng),，以判定齒輪的精度等級。

而作為精密鍛造的直齒錐齒輪而言,，因其生產(chǎn)工藝的特殊性（大批量鍛造,、后續(xù)機加工以錐齒齒形定位，控制其他尺寸和精度）,，故僅對鍛造齒模型腔齒形,，進行上述檢測項目的靜態(tài)檢驗，要求其精度須達到GB11365—1989之6級精度,，方可進行鍛造,。而所鍛造產(chǎn)品在后續(xù)機加工過程中，須對3個公差組中一齒切向綜合誤差,、一齒軸交角綜合誤差和接觸斑點進行動態(tài)檢驗,，同時對其齒圈跳動、安裝基準面的跳動進行控制和檢驗,。

在實際生產(chǎn)過程中,，差速器直錐齒輪，通常是用專用無側(cè)隙嚙合檢測儀，來衡量一對相嚙合的被檢齒輪的精度的,。一齒切向綜合誤差,，評定齒輪的工作平穩(wěn)性最為全面，可以測量出由于齒距誤差和齒形誤差所引起的傳動誤差,，即反映輪齒從進入嚙合到脫離嚙合整個過程中的傳動誤差,，為動態(tài)綜合檢驗項目，也就是我們常說的一對齒輪對滾檢驗中被檢齒輪的單齒跳動,。一齒軸交角綜合誤差,，是在雙面嚙合條件下滾動檢查的，所得到的數(shù)據(jù)描繪成曲線,，即為一對齒輪在對滾檢驗中,，被檢齒輪輪齒的兩個面同時接觸的結(jié)果，若一對齒輪持續(xù)對滾數(shù)周,，百分表上反映的數(shù)據(jù),，也就是我們常說的被檢齒輪相對于標準輪的一周跳動。接觸斑點的檢驗,，適用于大批量的,、具有互換性的錐齒輪生產(chǎn)中，由被檢齒輪與標準輪對滾而得,。一般而言,，只要動態(tài)檢驗過程中，單齒跳動不超過0.05mm,、一周跳動不超過0.10mm,，接觸印痕在齒長方向偏小端占全齒長2/3、在齒高方向偏齒頂占全齒高1/3,，接觸面積占全齒40%～60%,，就較為理想，即證明漸開線齒形設(shè)計的恰到好處,，在此齒形精度控制的基礎(chǔ)上,，嚴格控制其他相關(guān)尺寸及裝配面的精度，使得最終生產(chǎn)出的齒輪傳動平穩(wěn),、接觸良好,、噪聲理想。

在差速器總成中,，直錐齒輪用來增加轉(zhuǎn)矩并調(diào)節(jié)左右輪的轉(zhuǎn)速,，將動力傳到驅(qū)動輪，推動車輛運行,。這類齒輪受力較大,，受沖擊頻繁,，工作條件比機床齒輪復(fù)雜。因此,，對耐磨性,、疲勞強度、心部強度和韌性等要求比其他齒輪高,，其通常的失效或損壞形式有：輪齒斷齒（折斷）,、齒面點蝕及剝落、齒面磨損,、齒面膠合,、齒面塑性變形等,，而斷齒和齒面點蝕及剝落,，對齒輪影響最大，直接快速導(dǎo)致齒輪副損壞,、設(shè)備發(fā)生故障,，甚至造成安全事故。

20世紀以前,，因制作錐齒輪鍛造齒模的型腔,，仍沿用傳統(tǒng)的老工藝（刨齒機刨削合格的純銅電極，然后通過電火花設(shè)備,，電蝕去除材料的方法得到齒模型腔）,，使得鍛造出的齒輪齒根呈尖角，偶爾個別齒數(shù)較少的齒輪,，極易出現(xiàn)根切現(xiàn)象,，這樣就導(dǎo)致齒根部位因熱處理產(chǎn)生應(yīng)力集中，根切時導(dǎo)致齒根部位齒厚減小,，使得齒根部位強度不足,，兩者疊加就容易產(chǎn)生輪齒斷齒現(xiàn)象。隨著近年來裝備制造業(yè)的提升,，高速數(shù)控銑在模具行業(yè)的大力推廣,，運用三維軟件對齒輪進行實體造型，對于齒輪少齒根切現(xiàn)象,，可完全通過修正來解決,，并且使齒根、齒頂圓角過渡（見圖1）,，在一對齒輪嚙合互不干涉的情況下,，盡量使齒根圓角大些（一般取大端模數(shù)的0.2～0.4倍），齒頂為減小應(yīng)力集中,，取齒根圓角的一半,，這樣通過對修正后的齒輪實體進行數(shù)控編程,，加工紫銅電極或直接加工模具，最終鍛出的齒輪就可大大避免斷齒現(xiàn)象,。

另外,，為了提高輪齒強度、避免斷齒,，經(jīng)與用戶溝通改進了直錐齒輪的結(jié)構(gòu),，即在行星齒輪小端和半軸齒輪小端及部分大端，增添封閉型加強筋,，這樣可使錐齒小端每一個齒相互關(guān)聯(lián),，直觀上每個錐齒小端齒槽內(nèi)填充了材料，增加了各個齒的剛性和強度,，大端視情況個別齒輪也可同樣進行封閉（見圖2）,。

這樣可有效避免各個齒的先期損壞，同時每個齒與小端封閉處都形成光滑的圓角過渡,，有利于避免和減小過渡處的應(yīng)力集中,，減少了早期損壞源的潛在產(chǎn)生。而點蝕和剝落則是一個復(fù)雜的問題,，它是各個因素（包括原材料,、熱處理、齒面表面粗糙度及齒形精度等）的綜合反映,，一直以來都是重載齒輪輪齒面疲勞損壞最普遍的形式,。點蝕通常發(fā)生于輪齒節(jié)圓附近，剛開始呈現(xiàn)點狀麻點,、凹坑,，并逐步擴展以致成塊狀剝落，它是初始點蝕,、破壞性點蝕,、直至表面剝落的漸進過程。初始點蝕通常是因齒面粗糙或有嚴重疵點（鍛造時的氧化麻點及磕碰傷）,，在齒輪正常嚙合傳動時,，局部區(qū)域承受較大的接觸應(yīng)力，在頻繁接觸應(yīng)力的作用下,，可能在局部區(qū)域產(chǎn)生疲勞并出現(xiàn)小區(qū)域的點蝕現(xiàn)象,。初始點蝕并不可怕，齒面粗糙或疵點,，通常會隨著輪齒繼續(xù)嚙合運動而趨于平滑,，此時齒面局部高應(yīng)力也就下降了，齒面初始點蝕也就隨之停止,。破壞性點蝕通常產(chǎn)生于齒輪節(jié)圓以下的齒根區(qū)域,，是由于齒根處曲率半徑較小,，齒面接觸應(yīng)力較高而產(chǎn)生的，呈小點狀金屬脫落形成凹坑,，當(dāng)繼續(xù)擴大或點蝕坑相互連接起來,，可能會造成較大面積破壞，即齒面剝落,，但隨著新工藝的推行,，齒根處的破壞性點蝕并不多見，而常見的齒面剝落,，是由于齒面皮下缺陷,、熱處理后滲層組織欠佳或內(nèi)應(yīng)力過大，以及齒輪制造或裝配不當(dāng)導(dǎo)致的偏心過載所造成的,，這類剝落通常在齒面產(chǎn)生的凹坑,，往往也比破壞性點蝕造成的剝落坑，更大更深更明顯（見圖3）,。

對齒輪傳動的影響也最大,，會造成相關(guān)件的損壞,。齒面磨損一般是在潤滑不當(dāng)或潤滑油內(nèi)雜質(zhì)過多,，齒輪傳動時兩齒面非正常嚙合而產(chǎn)生的；齒面膠合及齒面塑性變形而導(dǎo)致的齒輪損壞也不多見,。

圖 1

圖 2

綜上所述,，在數(shù)十年的錐齒輪鍛造加工實踐中，通過對齒輪結(jié)構(gòu)的改進以提高其強度和剛性,；通過對齒形,、齒向的修形，三維建模時使得漸開線齒面形成鼓形齒,，可任意調(diào)整一對齒輪的接觸印痕和接觸面積,，以提高其接觸精度；通過齒根,、齒頂圓角的過渡,，以減少齒輪根切導(dǎo)致齒根部位強度不足，以減少齒根,、齒頂尖角的熱處理應(yīng)力,，綜合提高齒輪的強度，避免齒輪斷齒,；通過對齒輪參數(shù)的修正,、調(diào)整，以減小一對齒輪嚙合傳動時的單齒跳動和一周跳動,，來增加齒輪副的傳動平穩(wěn)性,；通過改進模具的加工工藝和方法,，提高鍛模的精度和表面粗糙度，以最終提高所加工齒輪的精度和齒面表面粗糙度,，減少齒輪嚙合傳動時的疲勞磨損,；通過對齒輪鍛后機加工前的拋丸，使工件表面材料發(fā)生彈塑性變形,，延伸及材料表層,，在表層下產(chǎn)生壓應(yīng)力,，從而抵消鍛造時不良的拉應(yīng)力,；通過對齒輪熱處理后拋丸，將表層部分殘留奧氏體轉(zhuǎn)化為馬氏體,，可增加材料的硬度,，形成壓應(yīng)力，該殘余壓應(yīng)力延緩了疲勞斷裂的形成,，從而延長齒輪的安全使用壽命,。

圖 3

通過上述一系列措施的逐步實施，使得齒輪壽命不斷得到提高,，但比工業(yè)發(fā)達國家,，我們還相差甚遠。盡管國內(nèi)齒輪行業(yè)數(shù)年來得到飛躍發(fā)展,，在世界上已成為名符其實的第二大齒輪國,，但其總體水平僅相當(dāng)于發(fā)達國家20世紀90年代中后期，與我國的世界第二大經(jīng)濟體的地位極不相稱,，齒輪及齒輪的可靠性研究,，已成為我國高端制造的瓶頸。雖然齒輪的可靠性研究是一個復(fù)雜的課題,，是一個漫長的過程,，但只要我們潛心研究,，瞄準“提質(zhì)減重,、延壽降噪”的目標，撲下身子實踐,，就一定能做到“傳動造福人類，齒輪傳動世界”,。

作者簡介：孟江濤，洛陽華冠齒輪股份有限公司,。