齒輪箱及其核心零件高功率密度技術的研究

劉波

（湖南省株洲市九洲傳動機械設備有限公司，湖南 株洲 412000）

齒輪箱在各種機械中有非常廣泛的應用，是指相互嚙合傳動或相互配合聯接的各種齒輪裝置，是機械的關鍵核心部件。具有傳動準確、功率和傳動比范圍大、制造精度高、承載能力穩定、效率高、工作平穩可靠、適應性強、壽命長等特點，廣泛應用于交通運輸車輛、工程機械、航空器、農機、機床、兵器及能源、冶金、化工、輕工等行業裝備。應用于各行業的齒輪箱結構有各種型式，同時各具技術特點，隨著近年來交通運輸等產品輕量化的總趨勢的推動，越來越多的齒輪箱產品在朝著一個共性的先進技術方向發展——高功率密度技術：即齒輪箱傳動功率較大的條件下，產品需要達到理想的結構尺寸最緊湊且質量最輕的設計和制造技術。國內高端齒輪箱產品行業起步相對工業發達國家較晚，多年來，不少技術引進或借鑒是采取對來源逆向設計開發，往往沒真正進行高功率密度技術的研究和設計，也幾乎沒有專門對高功率密度制造工藝的研究和應用，不少產品的零部件實際性能指標、能耗和最終使用壽命有較大的提高空間和需求。開展齒輪箱及其核心零件高功率密度技術的研究和應用，能走在齒輪傳動技術發展的前沿。針對具體產品進行高功率密度設計和制造工藝技術研究和應用，能在設計和生產過程中將核心傳動件的性能和質量可靠地進行保證和提高，以真正提高其使用性能和壽命，減少制造成本，從而提供高端的齒輪箱產品。

1 研究內容

主要研究齒輪箱及其核心零件的高功率密度技術，特別是其齒輪和箱體等核心零件的高功率密度設計和制造技術。

2 關鍵技術

（1）在高功率密度設計緊湊的結構使工作熱量積聚程度增大條件下的齒輪箱熱平衡技術。

（2）高功率密度設計精簡的尺寸和重量，影響強度條件下的齒輪箱承載能力可靠技術。

3 主要研究和應用

3.1 設計

（1）先根據用戶要求進行方案設計和總體結構設計。按照主機系統技術要求，在考慮成本因素下設計方案和總體結構要實現各使用功能且合理；注重緊湊結構包括精簡尺寸的高功率密度設計。同時，進行相關的設計分析計算，包括齒輪傳動副修形、彎曲與接觸疲勞、靜強度及膠合強度計算；軸承壽命計算；軸系剛強度計算；箱體受載應力與變形的有限元分析計算；行星架等受載應力與變形的有限元分析計算；連接和緊固計算；傳動效率計算；熱功率及潤滑與冷卻設計計算；其他特殊的計算項目等。

（2）在上述過程中，重點進行如下幾方面的研究和應用。

①對總體結構設計后的齒輪箱采取有效熱分析及其試驗方法。通過運用ANSYS Fluent和ANSYS Steady—State Thermal模擬分析齒輪箱在實際工作時，齒輪嚙合、軸承運轉和箱體內油氣混合物流動所產生的熱量對箱體平衡溫度場分布的影響和潤滑油、軸承的溫度變化。在齒輪箱加載試驗時采用了快速、實時、準確地監測運行溫度的檢測方法及裝置，測試記錄齒輪箱熱平衡狀態下的實際最高油溫和軸承溫升，達到了齒輪箱最高允許油溫和軸承溫升技術指標的要求。同時與上述熱分析值進行比較，驗證了該方法的可行性。最重要的是驗證了齒輪箱注重緊湊結構包括精簡尺寸的高功率密度總體結構設計在工作運轉時達到熱平衡狀態的合理性。

②在齒輪箱體受載應力與變形的有限元分析基礎上，試制樣機后對齒輪箱體結構強度設計合理性的驗證和優化采取了綜合試驗方法。通過對齒輪箱體進行氣密性試驗和負載試驗時的變形位置標記和數據分析，能對齒輪箱體的結構強度設計進行驗證，并且對齒輪箱體結構包括軸承座、安裝連接位置、加強筋和突變壁厚等重要部位進行優化設計，使高功率密度總體結構設計下的箱體強度可靠穩定、結構更為合理。

③行星齒輪傳動采用幾個均勻分布的行星輪同時傳遞運動和動力。這些行星輪因公轉而產生的離心慣性力和齒廓間反作用力的徑向分力可互相平衡，故主軸受力小，傳遞功率大。另外，由于它采用內嚙合齒輪，充分利用了傳動的空間，且輸入輸出軸在一條直線上，所以整個輪系的空間尺寸要比相同條件下的普通定軸齒輪系小很多。行星齒輪傳動高功率密度的核心技術在于該傳動結構設置多個數量行星輪，相當于多個行星輪共同來分擔載荷。在確定傳動比和外形尺寸條件下，設計的行星輪數量要盡可能多，其功率密度就越高，該功率密度接近與行星輪數量成正比。

④結合熱處理方式選擇比強度高的材料，比強度越高達到相應強度所用的材料質量越輕。當箱體材質為比強度高的鋁合金時，重量只有鑄鐵的一半左右。齒輪采用高強度、高淬透性的鎳系低碳合金結構鋼滲碳淬火處理，滲碳后齒輪表面的化學成分接近高碳鋼，經過淬火后得到很高的表面硬度、耐磨性和疲勞強度，并保持心部有低碳合金結構鋼淬火后的強韌性，使工件能承受沖擊載荷。因此滲碳淬火處理后綜合機械能力非常強，承載能力安全系數比中碳合金結構鋼感應淬火齒輪提高到1.4倍以上，比常規低碳合金結構鋼滲碳淬火齒輪提高到1.2倍以上。

⑤在齒輪副定中心距條件下，滿足齒輪接觸疲勞強度條件下通過如下主要參數設計可直接增大承載能力，以提高功率密度：選擇大壓力角、增加變位系數、適當增大齒輪模數和有效齒寬，但此時需要考慮重量或尺寸增大對功率密度的影響來有效利用空間尺寸或找到最佳平衡點，同時避免出現承載能力過剩。

3.2 制造

（1）研究有效的箱體鑄造和齒輪鍛造技術以提高綜合力學性能。鋁合金箱體采取低壓鑄造方法，冷卻補縮好、鑄件組織致密、力學性能高、內在質量可靠、能保證鑄造出薄壁復雜的箱殼，非常適合高功率密度技術的結構。對齒輪鍛坯著重研究應用盤類齒輪和軸類齒輪這兩種最主要結構形式的鍛造工藝和工裝，研究應用實現盤類齒輪鍛造時鍛出內孔，軸類齒輪鍛造時鍛出各臺階，同時保證重要部位特別是齒部金屬纖維走向理想，這樣承載能力更強，同時充分提高了材料利用率。

（2）對軸類、行星架等承受較大拉伸應力或彎曲應力，且有沖擊載荷或受較大脈動應力作用的重要零件。從高功率密度技術角度出發，要優先選用強度較高的合金結構鋼，并且優先考慮通過鍛造加工獲得毛坯，鍛造后內部金屬晶粒細小，組織致密，又能經受各種熱處理強化工藝，所以鍛造毛坯強度較高，韌性較好，承載能力強。鍛造行星架相比鑄件的內在質量和強度優越很多，其結構和尺寸可更小更緊湊，也使整臺齒輪箱內部結構實用緊湊而可靠性更強。

（3）研究應用能有效提高綜合力學性能的鋁合金箱體熱處理技術。引進或借鑒國外技術的高強度鑄造鋁合金齒輪箱，材質歐標AlSi7Mg0.3是國產化的重要材料，和國標ZL101A材料相當，要求綜合機械性能很高。這兩種材質的鑄造鋁合金齒輪箱體熱處理方法非常重要，直接決定了齒輪箱體的力學性能和尺寸穩定性。經有效研究應用的熱處理方法整個過程如下：先將齒輪箱固溶處理，溫度530～ 540℃，保溫時間n1（n1等于齒輪箱最大壁厚尺寸除以25mm后加上1h）轉移入水，時長≤25s，淬火水溫60～70℃；之后立即轉移入爐，時長≤25s，以每小時≤50℃的升溫速度升溫到適當時效溫度后進行時效處理，時效處理方法分兩種。采用時效處理方法1：時效溫度200～210℃，保溫時間7～9h后出爐空冷；采用時效處理方法2：時效溫度170～180℃，保溫時間n2（n2等于齒輪箱最大壁厚尺寸除以25mm后加上2h），出爐后立即進行冷卻過程中的振動時效處理。振動時效為出爐后立即將齒輪箱體放置在耐高溫橡膠墊上，將激振器和傳感器固定于齒輪箱體上施加機械振動，時長0.5h。齒輪箱經上述固溶處理時，較低的淬火水溫和較快的冷卻速度增加了合金溶質原子析出強化相而形成硬化區的數量，能使后續時效強化作用更大。采取時效處理方法1時，時效處理溫度接近完全時效溫度并且延長時效處理時間，能保證達到一定塑性指標的同時，顯著提高拉伸強度和屈服強度，并且有很好的組織和尺寸穩定性。采取時效處理方法2時，時效處理溫度在不完全時效溫度和完全時效溫度之間，能保證達到一定塑性指標的同時顯著提高拉伸強度和屈服強度，之后進行振動時效不但能進一步消除內部殘余應力使箱體組織和尺寸特別穩定，同時使合金溶質原子析出強化相而形成硬化區更加快速和徹底。本方法能實現該齒輪箱鋁合金塑性指標伸長率達到≥3.5%（A）的同時，提高抗拉強度值和屈服強度值到標準指標的110%以上，并且內部組織和尺寸特別穩定。

（4）研究應用齒輪箱體時效新方法提高其加工精度及穩定性，以此來提高齒輪箱裝配使用性能，特別是明顯減少齒輪箱持續工作運轉過程中的軸承發熱量。通過試驗測試對比，經過下述創新時效處理方法，精加工后的齒輪箱體穩定無變形，精度穩定，而時效不徹底的箱體因殘余應力導致變形會降低尺寸和形位公差精度達1～2級甚至更低。當軸承孔尺寸和形位公差精度超差1～2級時，溫升相比將高出5℃左右。經有效研究實驗的時效方法整個過程如下：當齒輪箱體為焊接、鑄鐵、鑄鋼或鑄鋁合金齒輪箱體。先對齒輪箱體進行時效熱處理：焊接、鑄鐵、鑄鋼齒輪箱體為去應力退火；鑄鋁合金齒輪箱體為固溶處理后的時效熱處理。然后，立即對焊接、鑄鐵、鑄鋼或鑄鋁合金齒輪箱體進行冷卻過程中的振動時效處理。先進行的時效熱處理能有效消除齒輪箱體絕大部分內應力，穩定齒輪箱體組織和尺寸，提高了鑄鋁合金的綜合機械性能；之后進行冷卻過程中的振動時效，能完全消除齒輪箱體的殘余內應力，使齒輪箱體組織和尺寸更加穩定，保證了后續精加工尺寸和精度的穩定無變形。

（5）研究齒輪熱處理工藝技術及其質量過程控制，特別是優良的表面硬度、硬化層深度、硬度梯度分布及其金相組織指標的實現和保證。其中，特別對齒輪箱最易失效的零件——軸類尤其是軸齒輪熱處理進行了創新性設計與工藝以提高強度。軸（含軸齒輪）經過淬火后，能使軸的剛度強度都得到大幅提高。但無論是調質鋼軸類還是滲碳鋼軸類，根據需要往往采取局部感應淬火或者局部防滲/切碳后整體淬火，這樣必然在過渡區產生強度陡降，在工作受載時會出現應力集中、產生裂紋等問題，導致疲勞失效而開裂、斷軸。本研究應用方法具體是對軸（含軸齒輪）淬硬過渡區表面設計為圓錐柱面，圓錐柱面大頭屬于淬硬過渡區，圓錐柱面小頭屬于淬硬區，也就是表面淬硬過渡區和表面淬硬區交接處設計在圓錐柱面中部。調質鋼軸類零件的表面局部淬硬過渡區：在調質前后的機加工均加工出圓錐柱面，調質前后的圓錐柱面長度一致，調質后的加工錐度與設計錐度相等，也與調質前的加工錐度相同，圓錐柱面和其他位置調質后的加工余量相同且均勻，在淬火后的表面局部淬硬過渡區硬度梯度和強度梯度非常平緩。滲碳鋼軸類零件的表面淬硬過渡區：在滲碳前加工出圓錐柱面，但滲碳前的加工錐度小于設計錐度，滲碳前加工的圓錐柱面長度大于滲碳后加工的圓錐柱面長度；表面淬硬過渡區在滲碳后機加工出設計的圓錐柱面，滲碳后的加工錐度與設計錐度相等；在滲碳后的機加工后，滲碳后的加工余量為過渡區的表面滲碳層深沿錐度小頭向大頭方向逐漸變淺，最表層的碳濃度也沿錐度小頭向大頭方向逐漸變低；表面淬硬過渡區在淬火后硬度梯度和強度梯度同樣非常平緩。這樣就使表面淬硬的軸類零件整軸所有位置都具有足夠可靠的強度，不易產生熱處理裂紋，不會產生強度陡降，從而避免了表面局部淬火過渡區疲勞失效而開裂、斷軸。

（6）在齒輪的機加工過程中，可通過應用下述4項技術措施，能綜合提高齒輪彎曲與接觸疲勞強度20%以上，從而有效提高了齒輪箱核心傳動部分的功率密度。輪齒開坯采用專用凸角留磨滾刀，齒根過渡為沉切大圓弧，磨齒時不會造成磨削臺階或燒傷等缺陷，降低了根部應力集中的影響，有利于彎曲強度的提高。提高齒輪加工特別是磨齒時精度以提高齒輪安裝運轉實際承載能力，特別是影響載荷分布均勻性的齒輪精度第三組公差項和影響運轉平穩性而加大振動沖擊的齒輪精度第二組公差項，同時包括齒輪裝配部位的尺寸和形位公差加工精度。對齒輪采取重載修形方法。設計齒向和齒廓修形并在磨齒時加工。合理的齒向修形可有效補償輪齒在工作受載時的變形，改善齒向載荷分布，有效避免偏載的發生，直接提高了輪齒承載能力和可靠性；合理的齒廓修形能有效提高齒輪傳動的平穩性，減少工作運轉的噪聲和振動。在磨齒后對輪齒進行強化噴丸處理，能進一步提高齒輪彎曲與接觸疲勞強度。

4 結語

通過研究齒輪箱及其核心零件的高功率密度技術，特別是其齒輪和箱體等核心零件的高功率密度設計和制造技術，針對在高功率密度設計緊湊的結構使工作熱量積聚程度增大條件下，齒輪箱熱平衡達標和高功率密度設計精簡的尺寸和重量影響強度條件下的齒輪箱承載能力的提高，系統地研究了齒輪箱設計包括總體結構設計、熱分析及其試驗方法、箱體結構強度設計的驗證和優化、行星齒輪傳動、材料選擇及其熱處理方式、齒輪副主要參數等各方面的高功率密度技術；同時全過程地研究了齒輪箱的制造包括箱體、齒輪、軸類、行星架的毛坯加工、熱處理及時效處理、機加工方面的高功率密度技術。近年來，上述技術已經成功應用到試制如下具備代表性的軌道交通車輛和工程機械傳動齒輪箱及其核心零件產品：包括大功率和諧機車、高速動力集中型動車齒輪箱及其核心零件產品，這類列車是鐵路運輸中主要的運行方式，牽引動力集中，因此動力傳動齒輪箱必須具備很高的功率密度；成功應用產品還包括行星齒輪傳動方式的大方量攪拌車罐驅動減速機和大噸位重型卡車輪邊減速機。在實際應用中產生了較好的技術經濟效果，特別是在設計和制造過程中，核心零件的性能和質量得到了可靠保證和提高，從本質上提高了核心零件的使用性能和壽命，從而提高了齒輪箱傳動的效率和質量，能最大限度地發揮其承載能力，并且安全可靠。