齒輪表面織構化研究現(xiàn)狀與進展*

蘇永生 李 亮2 方 明 黃勝洲

(1.安徽工程大學機械與汽車工程學院 安徽蕪湖 241000;2.南京航空航天大學機電學院 江蘇南京 210016)

齒輪傳動機構是眾多機械裝備的核心部件，已被廣泛應用于機床、汽車、軍用車輛、機器人、高速鐵路、風力發(fā)電、艦艇及航空航天器等領域。隨著工業(yè)技術的進步，高端裝備制造業(yè)對齒輪傳動機構在高速重載方面提出更苛刻的要求，現(xiàn)有齒輪傳動技術已成為制約高端機電裝備國產(chǎn)化的關鍵瓶頸之一。齒輪傳動過程中的齒面摩擦環(huán)境異常復雜，尤其高速重載工況會導致齒輪摩擦界面的溫度升高，潤滑膜難以形成，摩擦副容易發(fā)生點蝕、脫落和膠合等現(xiàn)象。劇烈的齒面摩擦磨損會降低齒輪傳動效率、導致齒面溫度升高、產(chǎn)生振動和噪聲及引起齒面磨損和膠合現(xiàn)象等問題[1-4]。因此，改善齒輪傳動過程中的齒面潤滑和摩擦狀態(tài)，降低齒面摩擦和磨損對抑制齒輪失效具有重要的意義。

近年來，表面織構化技術已成為降低界面摩擦和磨損的研究熱點，并在活塞環(huán)-缸套、機械密封、滑動軸承、模具、刀具等多個領域得到了應用，有效改善了摩擦副界面潤滑效果，降低了摩擦表面的摩擦和磨損[5-12]。在仿生學和表面織構摩擦學研究的推動下，針對復雜工況下的齒面摩擦磨損等問題，在齒輪設計和制造中引入表面織構實現(xiàn)減摩，為齒輪副摩擦特性“主動調(diào)控”提供了一條可能的途徑，已逐漸成為新型齒輪傳動技術研究的一個熱點，為改善齒輪失效提供了一種重要方法。

本文作者重點從表面織構齒輪理論可行性、表面織構齒輪減摩效果和減摩機制等方面，分析齒輪表面織構化研究存在的問題，并對表面織構化齒輪技術及應用前景進行了展望。

1 齒面抗摩擦和磨損途徑

目前，在齒輪傳動過程中，提高齒輪傳動性能，解決齒輪傳動件齒面摩擦磨損的途徑主要有以下幾個方面：

(1)通過齒輪修形，改善齒輪嚙合區(qū)域的接觸特性和運動特性，減少沖擊和噪聲、提高齒輪承載能力，減少齒面由摩擦磨損而產(chǎn)生的失效[13-15]；

(2)通過開發(fā)耐熱性、耐磨性、硬度、強度、韌性及抗疲勞性能更好的高性能齒輪材料，提高齒輪傳動承載力，降低齒輪摩擦磨損[16]；

(3)應用潤滑油、潤滑脂及固體潤滑介質(zhì)降低齒面摩擦和磨損，提高傳動效率和承載力[17-18];

(4)采用涂層技術改善齒面性能，如通過MoS2/Ti復合涂層技術降低齒輪箱溫度和摩擦因數(shù)[19]；對齒面開展熱噴涂與噴丸結(jié)合的復合涂層技術，提高齒面完整性[20]。

2 表面織構齒輪減摩理論分析

齒輪副嚙合界面摩擦過程非常復雜，摩擦界面既有滑動摩擦，也伴隨滾動摩擦發(fā)生。在齒輪傳動過程中，在重載條件下齒輪副會發(fā)生彈性變形，使得理論上的線接觸轉(zhuǎn)變?yōu)槊娼佑|[21]，這為在潤滑介質(zhì)參與條件下，通過齒面上的微織構、納米織構或微納復合織構來改善齒面潤滑、降低齒面摩擦，進而發(fā)揮減摩作用提供了可能。圖1所示為表面織構齒輪示意圖。

圖1 表面織構齒輪示意圖Fig 1 Schematic diagrams of surface texture gear (a) friction on the gear surface;(b) groove texture compound lubricant; (c) groove texture on the gear surface;(d) enlarged topography of groove texture

高速重載極端工況條件下，齒面存在復雜的相互摩擦和高溫高應力的多重作用，對于常規(guī)齒輪副嚙合界面來說，外部供應的潤滑介質(zhì)難以在摩擦界面持續(xù)存在，致使嚙合界面潤滑效果不佳，而摩擦界面潤滑膜的穩(wěn)定持續(xù)形成可能是實現(xiàn)齒面自潤滑，降低齒面摩擦和磨損的關鍵。根據(jù)現(xiàn)有研究理論推測：表面織構內(nèi)儲存的潤滑介質(zhì)在摩擦熱、摩擦力及摩擦振動等作用下，易在摩擦界面迅速鋪展并拖覆至摩擦區(qū)域成膜，持續(xù)參與摩擦過程，改善潤滑效果。

3 表面織構齒輪潤滑及減摩特性

仿生摩擦學和表面織構摩擦學研究表明，表面織構在減摩、抗黏附、抗磨損及減振等多個方面表現(xiàn)出良好的摩擦學性能，這為表面織構化齒輪減摩提供了借鑒和參考。目前，針對表面織構化齒輪對摩擦界面的摩擦特性的影響，國內(nèi)外部分專家和學者開展了初步的研究。

3.1 表面織構化齒輪研究

吉林大學呼詠等人[22]在圓柱滾子上采用激光加工技術制備出多種條紋狀表面織構，并開展了齒輪副的嚙合傳動模擬試驗，研究表明，表面織構能夠改善齒輪潤滑條件、利于存儲碎屑、增大散熱面積，有效提高齒輪的接觸疲勞性能。吉林大學韓志武等[23]利用激光雕刻技術，在齒輪齒根處分別制備出多種寬度、橫向間距和縱向間距的條紋溝槽織構陣列，開展了織構化齒輪的彎曲疲勞試驗研究，試驗結(jié)果表明：與常規(guī)齒輪相比，齒輪表面的織構陣列對改善齒輪的彎曲疲勞壽命具有良好的效果，能夠?qū)X輪的彎曲疲勞壽命提高最大約1.5倍。此外，韓志武等[24-25]也開展了織構化直齒圓柱形齒輪有限元仿真分析，結(jié)果表明：與常規(guī)齒輪相比，表面織構化的齒輪具有更低的固有頻率和更小的形變量，取得了更好的齒輪動態(tài)特性。GRECO等[26]開展了微圓坑織構摩擦試驗，并指出在齒輪表面設計微圓坑織構可提高齒輪系統(tǒng)的抗膠合性能。PETARE等[27]在合金鋼20MnCr5上借助光纖激光器開展了齒輪激光織構化研究，并對激光織構化后的齒輪輔以磨料流拋光處理，結(jié)果表明，激光織構化并輔以磨料流拋光后的齒輪，在跳動、平均表面粗糙度、最大表面粗糙度、顯微硬度、耐磨性等方面改善效果，其中耐磨性性能提高了26.41%。

3.2 齒輪表面織構形狀研究

清華大學湯麗萍和劉瑩[28]針對于Magg交叉織構和普通磨削織構建立觸模型，比較了2種紋理的摩擦特性，發(fā)現(xiàn)Magg 交叉織構的減摩效果均優(yōu)于普通磨削織構；同時，針對Magg 交叉織構和普通磨削織構開展了重載條件下的齒輪嚙合傳動試驗驗證，試驗結(jié)果與理論結(jié)果一致，且發(fā)現(xiàn)織構深寬比、夾角、分布密度等特征參數(shù)影響摩擦學性能，最優(yōu)的織構參數(shù)可以獲取最優(yōu)的界面摩擦學性能；此外，對Magg交叉織構、普通磨削織構和激光表面凹坑織構的摩擦性能進行了理論比較，結(jié)果表明凹坑織構具有最優(yōu)的減摩性能。

吉林大學邵飛先[29]利用激光加工技術在齒輪表面制備出凹坑及凸包形織構，研究了乏油條件下齒輪界面摩擦學性能及其抗磨損機制，試驗表明：在乏油條件下，相較于方形槽凹坑織構和凸包形織構，弧形槽凹坑織構具有最好的抗磨損性能，凸包形織構抗磨損性能最差；此外，當載荷較大時，織構齒輪難以降低界面摩擦因數(shù)，反而表現(xiàn)出不斷增大規(guī)律；織構齒輪有限元仿真結(jié)果表明，齒面織構化能夠有效改善齒面接觸狀態(tài)。

3.3 齒輪表面織構特征參數(shù)研究

湯麗萍和劉瑩[28]在研究中發(fā)現(xiàn)齒輪織構特征參數(shù)對界面摩擦因數(shù)有較大影響，一定條件下的織構深寬比、角度和分布的最優(yōu)組合可以獲取最小的摩擦因數(shù)如圖2所示。

圖2 齒輪織構特征對摩擦因數(shù)的影響Fig 2 Influence of gear texture characteristics on friction coefficient (a) depth-to-width ratio;(b) included angle of texture; (c) density of distribution

湖南工業(yè)大學何國旗等[30]研究了凹坑織構參數(shù)對齒面潤滑效果的影響規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)，當凹坑直徑在50～200 μm、凹坑深度在5～20 μm間變化時，對應凹坑織構直徑參數(shù)取100 μm、凹坑深度取10 μm時，對增加潤滑膜厚度的效果最好。吉林大學韓志武等[23]發(fā)現(xiàn)，齒輪表面的條紋特征如寬度、橫向間距和縱向間距對齒輪彎曲疲勞壽命具有重要的影響，試驗分析表明，存在一個最優(yōu)的條紋特征組合，即當條紋寬度、橫向間距和縱向間距分別取150、150 和250 μm時，對齒輪的彎曲疲勞性能影響最小。

4 表面織構化齒輪問題及未來研究方向

4.1 齒輪表面織構減摩機制研究

現(xiàn)有研究初步顯示表面織構對齒輪界面摩擦特性改善具有積極效果,但高速和重載等極端工況下，齒輪織構減摩特性及其復合潤滑介質(zhì)的作用機制，國內(nèi)外尚未涉及。

4.2 齒輪表面織構參數(shù)研究

目前，國內(nèi)外針對齒輪織構特征參數(shù)的研究較少，仍處于試驗嘗試階段，在刀具織構等不同摩擦副研究中發(fā)現(xiàn)：與滑動摩擦方向垂直的橫向溝槽比平行溝槽和坑狀織構具有更好的減摩效果，但是，橫向溝槽能否在齒輪副界面取得更優(yōu)的減摩效果尚需驗證，且現(xiàn)有研究缺乏針對極端工況下織構特征參數(shù)的系統(tǒng)性試驗數(shù)據(jù)和理論研究成果，用于指導齒輪織構參數(shù)選擇。

4.3 齒輪表面織構協(xié)同潤滑介質(zhì)效應研究

現(xiàn)階段，利用新型齒輪材料來進一步提高齒輪耐磨損性能仍難有大的突破，傳統(tǒng)的潤滑油和潤滑脂在苛刻的工況條件下潤滑效果不佳，而表面織構復合固體潤滑劑，能夠長時間保持摩擦界面的低摩擦狀態(tài)，這為極端工況下的齒輪界面的減摩提供了可能[31]。目前，在齒輪織構特征研究中，針對齒輪織構特征參數(shù)協(xié)同不同潤滑介質(zhì)對界面摩擦特性影響涉及的很少，如何發(fā)揮潤滑介質(zhì)和織構特征參數(shù)協(xié)同作用下，獲取界面最優(yōu)摩擦性能，尚需深入探索和研究。

4.4 齒輪表面織構未來研究方向

針對上述齒輪織構存在問題，在后續(xù)的齒輪織構研究中應重點從以下幾個方面開展工作：

(1)極端工況下齒輪織構減摩機制研究，分析不同工況下的齒輪織構減摩特性，探明齒輪織構和潤滑介質(zhì)的綜合作用機制，指導齒輪織構設計與優(yōu)化。

(2)齒輪織構特征參數(shù)與界面潤滑效果關系研究，指導齒輪織構參數(shù)選擇。

(3)多變量齒輪織構設計方法研究，針對常規(guī)工況和極端工況下的摩擦特性進行驗證和探索，構建多變量復合的齒輪織構設計方法和參數(shù)計算方法。

5 結(jié)語

國內(nèi)外專家和學者在眾多摩擦副表面已經(jīng)開展了表面織構化技術的理論和試驗研究，研究結(jié)果表明：同等條件下表面織構化的摩擦副與無織構摩擦副相比， 總體上來講可以減小摩擦力，降低摩擦溫度，改善界面摩擦狀態(tài)，且基本認為微溝槽的作用效果優(yōu)于微坑織構，與切削刃平行的橫向微溝槽的作用效果優(yōu)于縱向微溝槽。

現(xiàn)有研究基本表明：表面織構復合潤滑介質(zhì)對降低摩擦界面摩擦，改善界面潤滑效果，提高摩擦副抗磨損性能具有良好的積極作用。因此，借鑒表面織構技術在其他摩擦副的現(xiàn)有研究成果，針對齒面摩擦磨損問題，開展更為深入系統(tǒng)的機制探索和應用技術研究，為有效改善齒輪傳動件的摩擦學特性，提高齒輪件壽命及奠定該技術的工程化應用基礎，具有重要的理論意義和應用價值。綜上可知，表面織構齒輪技術是一種具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ男滦驮O計技術，已逐漸成為國內(nèi)外研究的新熱點，必將對解決高端裝備齒輪傳動機構極端運行工況下出現(xiàn)的低效率、低精度、低壽命等問題產(chǎn)生廣泛和深遠的積極影響。