某产品齿轮修形技术研究

李大勇

摘 要：本文从齿形修形和齿向修形的原理入手，分析了齿轮修形的原因和齿轮修形对于提高齿轮啮合的影响，同时介绍了几种常见的齿轮修形方法，并对齿轮修形的进展进行了浅述。根据实例及几何关系提出了齿轮修形量和修形高度的计算公式，并与一般参考文献的推荐值进行了对比。

关键词：齿轮修复原理

一、概述

在目前我国机械行业中，齿轮传动仍是使用作广泛的传动形式，它具有速比恒定、承载能力高和传动效率高的优点，但由于不可避免的制造、安装误差的影响，以及齿轮受力时的变形使齿轮基节产生变化，以至在齿轮传动中产生顶刃啮合现象，齿轮齿面出现擦伤。通过对齿轮齿面进行修形，能有效减少齿轮的啮入、啮出冲击，改善载荷分布，减少振动和噪音，提高齿轮的承载能力和使用寿命。目前，齿轮修形已成为提高齿轮质量的关键技术，是提高齿轮传动质量的重要措施之一，对航空高速重载齿轮传动更为重要。

二、齿轮修形原理

齿轮修形一般分为两类，即齿向修形和齿廓修形。齿高修形也称齿廓修形或齿廓修缘，主要弥补由实际啮合引起的基节偏差等，减小齿轮传动中的啮合冲击，减小因轮齿载荷突然变化造成的振动和噪声等；齿向修形主要弥补由齿轮结构和支撑安装形式所引起的啮合刚度剧变、弹性变形、热变形和安装误差等，消除或减轻传动中因轮齿偏向一端接触造成的载荷集中问题，提高齿轮承载能力和使用寿命。经过修形后的航空齿轮传动运转平稳、振动低、噪声小。因此，齿轮修形是航空齿轮传动中重要且不可或缺的环节，开展齿轮修形的研究对于齿轮传动，特别是航空齿轮传动的发展具有重要的意义。

1.齿高修形原理

渐开线圆柱齿轮传动在实际传动时是单齿对啮合和双齿对啮合交替进行的。由于加工及安装误差、受载弹性变形及热变形的存在，使得处于啮合线上的主动轮基节和从动轮基节不再相等，交替临界点将产生干涉现象。

齿轮齿高修形是人为地在齿轮齿廓的齿顶或齿根处修去由变形误差，齿形误差等引起的干涉量，消除齿轮在啮合过程中的基节误差，从而减少啮入、啮出冲击并减轻动载荷的方法。对于高速重载齿轮传动，齿高修形显得格外重要。

2.齿向修形原理

在实际工作条件下，由于存在齿向误差、轴承安装孔的位置误差、齿轮轴、轴承及壳体的变形等，将导致齿轮轮齿在齿宽方向上偏一端接触，造成载荷沿齿宽分布不均匀。

齿轮齿向修形是沿齿宽方向人为地把由于齿轮制造误差、在载荷作用下的弹性变形及热变形而嵌入另一个齿轮轮齿的部分修去，保证受载点处相切而不相割，从而使载荷均匀分布的方法。

三、几种齿廓修形工艺方法及修形技术进展

1.利用修形滚刀滚齿实现齿廓修形

这种方法最为简便，无需调整计算。只是在精滚齿时采用修形滚刀滚齿，修形滚刀本身修形是靠模法在其制造过程中实现的，修形量由滚刀设计时所采用的修形滚刀标准决定的。

2.利用磨齿机修形机构实现修形

磨齿机种类很多，其修形原理也不尽相同。现针对常用的蝶形双砂轮磨齿机和锥面砂轮磨齿机的修形方法分别介绍。

（1） 蝶形双砂轮型磨齿机

这种磨齿机带有专门的修形机构，使砂轮在预定的时间内相对齿面做一个沿砂轮轴线方向的附加运动来实现。这个附加运动，由修形机构通过精密液压传动来控制，实际应用中效果很理想。但是由于这类磨齿机价格昂贵，属稀有机床，加之磨齿本身效率低，所以加工成本很高，因此在应用上受到很大的限制。

（2） 锥面砂轮型磨齿机

这类磨齿机通用性很强，磨齿效率高，得到了广泛应用。在这类磨齿机上进行齿廓修形，通常是利用砂轮修整机构中的专用靠模装置，将砂轮修整成齿廓修形基准齿条的齿槽形状。这类磨齿机的改进型上具有齿廓修形靠模装置。修形时根据齿轮修形设计要求设计、制作修形模板，将砂轮修整成形。上述两种修形方法依赖于磨齿机上的修形机构，并要设计和制作修形模板。

3.电化学修形工艺

电化学加工的基本原理是基于电解过程的阳极溶解原理，将被加工零件作为阳极放置于电解液中，通以直流电后零件表面金属发生阳极溶解而被去除，达到电化学加工的目的。

在电解液的电场中，电力线密集处电流密度大，则此处的金属去除量也较多，所以有效地控制电力线的分布就可对零件表面及异形零件表面进行可控去除。

齿轮的电化学修形是在电解液中以齿轮为阳极，以另一金属件为阴极，当通以直流电后，由于齿轮轮齿形状的特点，在齿顶部分的尖端处及其附近存在着电力线集中现象，通过控制电力线分布即实现修缘。

四、齿轮修形实际应用研究

1.某型号齿轮修形实践研究

某型号产品在使用过程中出现滑油光谱金属含量超标问题， 主要表现为铁超标。经过排故攻关确认，齿轮齿面擦伤是导致铁元素超标的主要原因，且齿面磨损区域主要集中在齿轮齿廓的齿顶或齿根位置。

该型产品齿轮转速较高、载荷较大，齿面磨损主要为齿轮啮合过程中存在，冲击动载荷较大导致。为消除齿轮在啮合过程中的基节误差，从而减少啮入、啮出冲击并减轻动载荷，开展了齿轮齿面修形研究工作。根据产品工作状态，计算齿轮齿面修缘量，对部分齿轮进行了齿高修形和齿向修形。

2.试验验证

为验证齿轮修形效果，并通过使用同台产品进行了齿轮修形对比试验，以排除装配的影响和机匣加工的影响。试验过程中，采用声发射技术监测齿轮啮入啮出的冲击应力波反应齿轮状态，通过修形齿轮与未修形齿轮在各种转速加载情况下声发射绝对能量对比，分析齿轮修形作用。

对机匣内齿轮载荷变化期间绝对能量变化率进行计算，计算结果显示修形齿轮绝对能量变化率小于未修形齿轮能量变化率，即在同样载荷变化下，修形齿轮冲击变化小，齿轮齿面修形有效。

五、总结

齿輪轮齿由于不可避免的制造和安装误差、受载变形等因素，在实际啮合过程中会产生冲击、振动和偏载，如仅考虑依靠提高制造和安装精度，必然会大大增加成本，而且也不能消除因变形造成偏载。通过有意选择合适的齿廓和齿向偏差来抵消或减小上述因素的不良影响，即对齿轮进行修形。

实际应用过程中发现，齿轮修形可降低齿轮轴运转过程中的冲击，进一步可降低修形齿轮啮合过程中产生的振动值，但也会导致未修形齿轮的振动值有所升高，附件机匣整体振动值变化不大。因此，制定齿轮修形方案时，应深入了解和掌握产品的工况，分析试车过程中产品各振动峰值的变化规律，对较高峰值对应的齿轮轴均进行修形处理。