端曲面齒輪副發(fā)展綜述＊

王瑤，連晉毅，邵珙

（1.太原科技大學，山西 太原 030024；2.中國鐵路太原局集團有限公司，山西 太原 030000）

前言

機械工程中，齒輪傳動方式應用較為廣泛。隨著科技的發(fā)展和機械領域的進步，人們對機械傳動提出了不同需求，為了滿足一些特殊條件，研究人員已先后研發(fā)了非圓齒輪、雙圓弧齒輪、面齒輪、磁力齒輪、微線段齒輪等不同類型的齒輪傳動類型。而端曲面齒輪傳動就是在非圓齒輪和面齒輪傳動的基礎之上提出的一種新型傳動，該新型齒輪副的主動輪為非圓齒輪，從動輪為端曲面齒輪，其有效地結合了二者的優(yōu)點[1]。

林超等[2]最先提出了將接觸軌跡控制于局部的端曲面齒輪傳動，并對該傳動進行了設計與研究，主要在齒廓設計、強度分析、接觸軌跡等多方面進行了深入研究。端曲面齒輪傳動可傳遞低速下兩軸間的運動和動力，在破碎機、沖擊鉆等工程機械及汽車的傳動結構中應用前景廣闊。趙相路等[3]將端曲面齒輪傳動應用于柱塞泵中，設計出一種新型的柱塞泵—雙端曲面齒輪柱塞泵，該泵有效地提高了柱塞速度，減少了變化周期，在性能上較斜盤式柱塞泵具有明顯優(yōu)勢。林超、劉毅等[4]研發(fā)了一種新型復合沖擊鉆，利用端曲面齒輪副簡化了傳統(tǒng)沖擊鉆的構造，提高了沖擊鉆的性能，延長了其使用壽命。王白王等[5]將端曲面齒輪副應用于軍用汽車的差速器上，提出了一種十字軸式限滑差速器，可提高軍用汽車在非路面上的通過性。

1　端曲面齒輪副的理論研究

1.1　齒輪副的齒形齒廓

龔海等[1]已在齒形研究方面做了大量工作，其在理論上建立了端曲面齒輪副的模型，得到了主、從動齒輪的節(jié)曲線方程以及齒頂、齒根曲線方程，推導了從動輪的齒面方程，并提出了有效避免根切的方法，得到了端曲面齒輪一周期內(nèi)完整的齒廓形狀，開發(fā)了計算機模擬程序，完成了端曲面齒輪副的虛擬加工，這為實體的加工制造奠定了基礎。

1.2　齒輪副的性能

隨著現(xiàn)代化工業(yè)化進程地發(fā)展，對齒輪精度、可靠性、使用壽命等的要求不斷提高，必須要對該齒輪副的相關性能進行深入研究，才能最大限度發(fā)揮端曲面齒輪傳動的優(yōu)勢，使其得到充分利用。

李莎莎、顧思家等[6,7]分別對點接觸和線接觸端曲面齒輪副進行了TCA（齒面接觸）分析，得到了端曲面齒輪傳動的接觸軌跡，分析了安裝誤差存在下，嚙合過程中接觸軌跡的變化情況。林超、顧思家等[7,8]對點、線接觸端曲面齒輪的重合度計算方法進行推導，得出對于端曲面齒輪傳動，線接觸較點接觸的重合度大，這為后續(xù)的理論研究奠定了基礎。

王瑤等[9]對端曲面齒輪副嚙合過程中的受力情況進行了研究，并提出了該齒輪副的瞬時當量齒輪副概念，推導了端曲面齒輪的彎曲應力和齒面接觸應力計算公式，初步建立了端曲面齒輪副的強度計算體系，同時設計了相應的強度測量實驗方法，為端曲面齒輪傳動強度評價體系的建立提供可靠依據(jù)。

2　端曲面齒輪副加工與測量

2.1　齒輪副的加工方法

表1　端曲面齒輪實體加工方法

傳統(tǒng)齒輪多采用插齒、滾齒、磨齒、銑削等加工方法，但對端曲面齒輪，由于該齒輪齒面幾何形狀復雜，齒形呈現(xiàn)出周期性變化，采用傳統(tǒng)的加工工藝，需不斷對機床參數(shù)進行調(diào)整，若加工精度控制稍有差池，便會影響該齒輪副的嚙合質(zhì)量，故必須建立一套專用的加工方法。樊宇等[10]分別建立了數(shù)控機床加工模型以及增材制造模型，提出了四種加工端曲面齒輪特殊齒形的方法，并分別加工出了端曲面齒輪實體，見表 1。并對使用這四種方法加工出的輪齒實體進行了對比分析。

2.2　齒輪副的測量

為了能夠合理控制齒輪的加工制造精度，需要對齒輪進行誤差檢測，建立完善的精度評價體系。目前，常用的輪齒誤差測量儀器主要有齒輪嚙合檢查儀、超精密三坐標測量機、CNC齒輪測量中心等。曹喜軍等[11]對端曲面齒輪的坐標測量主要使用CNC齒輪測量中心，在齒輪副加工制造的基礎上，依據(jù)齒輪精度理論提出了針對該新型齒輪的誤差測量方法，基于此建立了一套端曲面齒輪的誤差計算公式和精度等級評定辦法。

3　端曲面齒輪副的發(fā)展趨勢

端曲面齒輪傳動自2012年提出，已有了迅速發(fā)展，但研究工作仍在進行，雖有所進步，但其理論體系仍有欠缺，在齒面優(yōu)化設計、齒面加工等方面仍存在很大問題，還需在以下幾方面繼續(xù)進行深入探索研究：

（1）在齒輪副的設計方面，齒面的優(yōu)化方法還未研究，導致幾何模型中齒面部分的光滑力度不夠，加工出的齒輪在實驗中表現(xiàn)并不理想。

（2）在端齒輪副的性能方面，對該特殊輪齒進行修形的要求迫在眉睫，其在一定程度上限制了該新型齒輪副的應用。同時，還應考慮如何通過輪齒修形，來優(yōu)化端曲面齒輪傳動中的接觸狀況。該新型齒輪傳動中，有關齒面瞬時接觸溫升和齒面抗膠合能力方面的性能表現(xiàn)也亟待探索研究。

（3）在齒輪副的制造方面，目前使用的加工方法雖可加工出實體，但是加工成本高、加工時間長，無法實現(xiàn)批量生產(chǎn)。仍需尋找一種經(jīng)濟、高效的加工方法。同時，還需要探討該齒輪磨齒修形的方法和技術，進一步提高齒輪的制造精度。

（4）在端曲面齒輪的測量方面，目前所建立的精度評價體系較粗糙，仍需繼續(xù)研究該新型齒輪副的整體誤差測量方法，來完善評價體系。還可以考慮通過對輪齒修形，提高測量效率，簡化精度測量方法。

（5）在端曲面齒輪副新產(chǎn)品的研發(fā)方面，該新型齒輪副在應用方面，受其本身性能的影響，有一定的局限性，可以通過對齒形齒廓的變形，設計出新產(chǎn)品來滿足一些特殊要求。劉毅等[4]在端曲面齒輪傳動的研究成果上提出了一種復合運動端曲面齒輪副。 曾東等[12]設計了斜齒端曲面齒輪副，可增大重合度，從而獲得良好的傳動平穩(wěn)性。

4　結語

齒輪傳動作為一種關鍵的傳動部件，已廣泛應用于工程機械、農(nóng)用機械、軍用設備等領域。作為一種新型的齒輪傳動方式，端曲面齒輪傳動在短短的六年時間里，發(fā)展迅速，足以證明我國制造業(yè)的發(fā)展水平已大幅提高。但是，端曲面齒輪傳動的研究工作現(xiàn)仍處于起步階段，還需要大量研究人員對端曲面齒輪傳動進行全面細致地研究與探索，以完善該新型傳動的理論體系，提出更加成熟的設計、加工、測量的方法，不斷創(chuàng)新。

[1] 龔海.正交非圓面齒輪副的傳動設計與特性分析 [D]. 重慶: 重慶大學,2012.

[2] Lin C, Gong H, Nie N, et al. Geometry design, three-dimensional modeling and kinematic analysis of orthogonal fluctuating gear ratio face gear drive[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Eng-ineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 2013,227(4): 779-793.

[3] 趙相路.雙端曲面齒輪柱塞泵復合傳動特性分析[D].重慶大學,2016.

[4] 劉毅.復合運動端曲面齒輪副的設計與分析[D].重慶大學, 2016.

[5] 王白王,賈巨民,譚曉明.十字軸式限滑差速器端曲面齒輪副節(jié)曲線研究[J].軍事交通學院學報, 2017, 19(10): 43-47.

[6] 李莎莎.正交變傳動比面齒輪副齒面接觸分析[D].重慶大學,2014.

[7] 顧思家.端曲面齒輪嚙合傳動接觸特性分析[D].重慶大學, 2016.

[8] 林超,顧思家,劉毅.點接觸端曲面齒輪副重合度分析[J].吉林大學學報(工學版), 2016,46(2):471-478.

[9] 王瑤.端曲面齒輪傳動的嚙合特性及承載能力分析[D].重慶大學,2015.

[10] 樊宇.正交變傳動比端曲面齒輪的加工方法[D].重慶大學, 2015.

[11] 曹喜軍.端曲面齒輪的誤差檢測及分析研究[D].重慶大學, 2015.

[12] 曾東.斜齒端曲面齒輪副傳動設計及特性分析[D].重慶大學,2016.