齒輪發(fā)展史與思想基礎(chǔ)

1、齒輪進展史 齒輪作為各種機械傳動設(shè)備中的重要裝置，具有傳動平穩(wěn)，承載能力強等優(yōu)點，有著廣泛的應(yīng)用范圍與前景。采納適當?shù)牟牧现谱鼾X輪及對其進行正確的熱處理，可大大提高齒傳動的可靠性，延長齒輪壽命。本文論述了常用齒輪材料的種類、特點以及齒輪材料的進展。據(jù)史料記載，遠在公元前400200年的中國古代就巳開始使用齒輪，在我國山西出土的青銅齒輪是迄今巳發(fā)覺的最古老齒輪，作為反映古代科學(xué)技術(shù)成就的 HYPERLINK /view/132929.htm t _blank 指南車確實是以齒輪機構(gòu)為核心的機械裝置。17世紀末，人們才開始研究，能正確傳遞運動的輪齒形狀。18世紀，歐洲工業(yè)革命以后， HYPERLI

2、NK /view/987183.htm t _blank 齒輪傳動的應(yīng)用日益廣泛；先是進展擺線齒輪，而后是漸開線齒輪，一直到20世紀初，漸開線齒輪已在應(yīng)用中占了優(yōu)勢。 早在1694年，法國學(xué)者Philippe De La Hire首先提出漸開線可作為齒形曲線。1733年，法國人M.Camus提出輪齒接觸點的 HYPERLINK /view/2110915.htm t _blank 公法線必須通過中心連線上的節(jié)點。一條輔助瞬心線分不沿大輪和小輪的瞬心線(HYPERLINK /view/2508056.htm t _blank節(jié)圓)純滾動時，與輔助瞬心線固聯(lián)的輔助齒形在大輪和小輪上所包絡(luò)形成的兩齒

3、廓曲線是彼此共軛的，這確實是Camus定理。它考慮了兩齒面的嚙合狀態(tài)；明確建立了現(xiàn)代關(guān)于接觸點軌跡的概念。1765年，瑞士的LEuler提出漸開線齒形解析研究的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，闡明了相嚙合的一對齒輪，其齒形曲線的曲率半徑和曲率中心位置的關(guān)系。后來，Savary進一步完成這一方法，成為現(xiàn)在的Eu-let-Savary方程。對漸開線齒形應(yīng)用作出貢獻的是Roteft WUlls，他提出 HYPERLINK /view/3085360.htm t _blank 中心距變化時，漸開線齒輪具有角速比不變的優(yōu)點。1873年，德國工程師Hoppe提出，對不同 HYPERLINK /view/169826.htm t

4、 _blank 齒數(shù)的齒輪在壓力角改變時的漸開線齒形，從而奠定了現(xiàn)代HYPERLINK /view/1174452.htm t _blank變位齒輪的思想基礎(chǔ).19世紀末，展成切齒法的原理及利用此原理切齒的專用機床與 HYPERLINK /view/26232.htm t _blank 刀具的相繼出現(xiàn)，使齒輪加工具軍較完備的手段后，漸開線齒形更顯示出巨大的優(yōu)走性。切齒時只要將切齒工具從正常的嚙合位置稍加移動，就能用標準刀具在機床上切出相應(yīng)的變位齒輪。1908年，瑞士MAAG研究了變位方法并制造出展，后來，英國BSS、美國AGMA、德國DIN相繼對齒輪變位提出了多種計算方法。 為了提高動力傳動齒

5、輪的使用壽命并減小其尺寸，除從材料，HYPERLINK /view/32682.htm t _blank熱處理及結(jié)構(gòu)等方面改進外，圓弧齒形的齒輪獲得了進展。1907年，英國人Frank Humphris最早發(fā)表了圓弧齒形。1926年，瑞土人Eruest Wildhaber取得法面圓弧齒形 HYPERLINK /view/1610596.htm t _blank 斜齒輪的HYPERLINK /view/47808.htm t _blank專利權(quán)。1955年，蘇聯(lián)的MLNovikov完成了圓弧齒形齒輪的有用研究并獲得列寧勛章。1970年，英國RolhRoyce公司工程師RM.Studer取得了雙圓

6、弧齒輪的美國專利。這種齒輪現(xiàn)已日益為人們所重視，在生產(chǎn)中發(fā)揮了顯著效益。 隨著生產(chǎn)的進展，齒輪運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性受到重視。1674年 HYPERLINK /view/6431.htm t _blank 丹麥天文學(xué)家羅默首次提出用HYPERLINK /view/781664.htm t _blank外擺線作齒廓曲線，以得到運轉(zhuǎn)平穩(wěn)的齒輪。 18世紀工業(yè)革命時期，齒輪技術(shù)得到高速進展，人們對齒輪進行了大量的研究。1733年法國數(shù)學(xué)家卡米發(fā)表了齒廓嚙合差不多定律；1765年瑞士數(shù)學(xué)家歐拉建議采納漸開線作齒廓曲線。 19世紀出現(xiàn)的 HYPERLINK /view/965648.htm t _blank 滾齒

7、機和插齒機，解決了大量生產(chǎn)高精度齒輪的問題。1900年，普福特為滾齒機裝上差動裝置，能在滾齒機上加工出斜齒輪，從此滾齒機滾切齒輪得到普及， HYPERLINK /view/965644.htm t _blank 展成法加工齒輪占了壓倒優(yōu)勢，漸開線齒輪成為應(yīng)用最廣的齒輪。 1899年，拉舍最先實施了變位齒輪的方案。變位齒輪不僅能幸免輪齒根切，還能夠湊配中心距和提高齒輪的承載能力。1923年美國懷爾德哈伯最先提出圓弧齒廓的齒輪，1955年蘇諾維科夫?qū)A弧齒輪進行了深入的研究，圓弧齒輪遂得以應(yīng)用于生產(chǎn)。這種齒輪的承載能力和效率都較高，但尚不及漸開線齒輪那樣易于制造，還有待進一步改進。 齒輪的齒面應(yīng)具

8、有較高的耐磨損、抗點蝕、抗膠合及抗塑性變形的能力，而齒根要有較高的抗折斷的能力。常用的齒輪材料是鋼、鑄鐵和非金屬材料。 1、鍛鋼 鋼材的韌性好，耐沖擊，還能夠通過熱處理或化學(xué)熱處理改善其力學(xué)性能及提高齒面硬度，故最適應(yīng)于用來制造齒輪。除尺寸過大（da400600mm）或者是結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜只宜鑄造者外，一般都用鍛鋼制造齒輪，常用的是含碳量在(0.15 0.6)%的碳鋼或合金鋼。 2、鑄鋼 鑄鋼的耐磨性及強度均較好，但應(yīng)經(jīng)退火及正火處理，必要時也可進行調(diào)質(zhì)。鑄鋼常用于尺寸較大的齒輪。 3鑄鐵 灰鑄鐵性質(zhì)較脆，抗沖擊及耐磨性都較差，但抗膠合及抗點蝕的能力較好?；诣T鐵齒輪常用于工作平穩(wěn)、速度較低、功率不

9、大的場合。 4非金屬材料 對高速輕載及精度不高的齒輪傳動，為了降低噪聲，常用非金屬材料（如夾布膠木、尼龍等）做小齒輪，大齒輪仍用鋼或鑄鐵制造。為使大齒輪具有足夠的抗磨損及抗點蝕的能力，齒面的硬度應(yīng)為250350HBS。 材料制造齒輪常用的鋼有HYPERLINK /view/1330572.htm t _blank調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼、滲碳淬火鋼和滲氮鋼。鑄鋼的強度比鍛鋼稍低，常用于尺寸較大的齒輪；灰鑄鐵的機械性能較差，可用于輕載的開式齒輪傳動中；HYPERLINK /view/347481.htm t _blank球墨鑄鐵可部分地代替鋼制造齒輪 ；HYPERLINK /view/30598.htm

10、t _blank塑料齒輪多用于輕載和要求噪聲低的地點，與其配對的齒輪一般用導(dǎo)熱性好的鋼齒輪。 以后齒輪正向重載、高速、高精度和高效率等方向進展，并力求尺寸小、重量輕、壽命長和經(jīng)濟可靠。 而齒輪理論和制造工藝的進展將是進一步研究輪齒損傷的機理，這是建立可靠的強度計算方法的依據(jù)，是提高齒輪承載能力，延長齒輪壽命的理論基礎(chǔ)；進展以圓弧齒廓為代表的新齒形；研究新型的齒輪材料和制造齒輪的新工藝； 研究齒輪的彈性變形、制造和安裝誤差以及溫度場的分布，進行HYPERLINK /view/1421276.htm t _blank輪齒修形，以改善齒輪運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性，并在滿載時增大輪齒的接觸面積，從而提高齒輪的承載

11、能力。 我國齒輪產(chǎn)品通過近10年的進展取得了長足的進步，許多產(chǎn)品已達到或接近國際先進水平，但仍有相當大一部分齒輪與變速箱產(chǎn)品，在振動噪聲與疲勞壽命方面與國際先進水平差距明顯，而這又與齒輪材料與熱處理裝備及工藝水平息息相關(guān)。這些問題已成為中國齒輪產(chǎn)品趕超國際水平的瓶頸。當前齒輪行業(yè)存在的“三重三輕”現(xiàn)象已成為齒輪行業(yè)進一步進展、產(chǎn)品水平進一步提高的最大阻力。1、重技改輕研發(fā)。目前世界上一些要緊的齒輪大型制造企業(yè)，利潤盡管不高，但研發(fā)費用始終保持一定額度，一般占銷售收入的3%，有的達到甚至超過5%。這些企業(yè)不追逐短期利潤，而是更看重企業(yè)的長久進展，希望保持住在行業(yè)內(nèi)的競爭優(yōu)勢，而這就需要不斷進行產(chǎn)

12、品創(chuàng)新與研發(fā)。反觀國內(nèi)企業(yè)，過分注重甚至依靠于技術(shù)改造，尤其是近年來行業(yè)內(nèi)掀起了一股技改熱潮，眾多企業(yè)紛紛投入巨資，購買先進設(shè)備。能夠講，許多齒輪制造企業(yè)目前的硬件水平差不多達到國際先進水平，然而研發(fā)費用的投入?yún)s遠遠不夠。以陜西法士特為例，2006年的銷售收入達到25億元，但研發(fā)費用所占的比例連1%都不到。龍頭企業(yè)尚且如此，小企業(yè)的狀況更可想而知。2、重有用輕基礎(chǔ)。國內(nèi)齒輪企業(yè)通常是依照市場需求來調(diào)整生產(chǎn)打算，哪些型號或品種的齒輪熱銷，企業(yè)就紛紛上馬哪些項目，產(chǎn)品雖具有一定的有用性，但在技術(shù)、性能上顯得較差，包括對其基礎(chǔ)理論的研究都遠遠不夠，這就使產(chǎn)品的最終壽命及其性能與國外產(chǎn)品的差距進一步加

13、大。 3、重眼前輕長遠。相當多的齒輪生產(chǎn)企業(yè)目前的進展態(tài)勢還不錯，但假如就滿足于目前的狀況，可能專門快就淪落為落后企業(yè)了。我國的齒輪產(chǎn)品在技術(shù)水準和質(zhì)量上只有專門少一部分接近或達到國際先進水平，大部分連國際二流水平都達不到,其中的要緊緣故之一確實是自主設(shè)計能力弱。技術(shù)創(chuàng)新能力是以后評價企業(yè)競爭力的最要緊標準之一，假如企業(yè)不重視研發(fā)，沒有長遠的戰(zhàn)略考慮與超前的產(chǎn)品儲備，全然無法跟上主機進展的步伐，現(xiàn)在進步的企業(yè)有可能今后確實是落后的企業(yè)，甚至?xí)惶蕴Ｈ?、自主設(shè)計能力弱齒輪企業(yè)的自主創(chuàng)新能力不強是長久以來齒輪行業(yè)面臨的老問題了，然而隨著汽車、工程機械等相關(guān)領(lǐng)域的飛速進展，對配套齒輪的材質(zhì)、性能、

14、強度等方面的技術(shù)要求又上升了一個新臺階，因此，創(chuàng)新能力那個問題變得更加突出了。目前，國際齒輪產(chǎn)品的進展趨勢要緊有以下幾方面，首先，動力傳動齒輪裝置正沿著小型化、高速化、標準化方向進展，因此專門齒輪的應(yīng)用、行星齒輪裝置的進展、低振動、低噪聲齒輪裝置的研制成了齒輪設(shè)計方面的一些特點；其二，由于機械設(shè)備向大型化進展，齒輪的工作參數(shù)提高了，如高速齒輪的傳遞功率為1000-30000kw；第三，由于硬齒面齒輪廣泛應(yīng)用，以及高速、高性能要求的齒輪日益增多，因此要求磨齒加工，在效率和質(zhì)量上都要提高；此外，關(guān)于齒輪材料與熱處理隨著硬齒面齒輪的進展，也逐漸受到人們的重視。據(jù)中國齒輪專業(yè)協(xié)會副會長王聲堂表示，目前

15、我國齒輪生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品在疲勞壽命與噪聲指標上與國外先進水平表現(xiàn)出來專門大的差距，要緊與材料和熱處理水平有專門大關(guān)系。然而，我國大多數(shù)齒輪生產(chǎn)企業(yè)差不多沒有能力跟得上這些趨勢，只能重復(fù)低水平建設(shè)，在低端市場進行著低價競爭。隨著汽車工業(yè)、機械制造行業(yè)不斷升級，低端齒輪市場專門快就會出現(xiàn)飽和狀態(tài)，那時企業(yè)的經(jīng)營風(fēng)險將更大。此外，原材料的供應(yīng)風(fēng)險也應(yīng)該引起關(guān)注，一方面，國內(nèi)齒輪鋼市場盡管表現(xiàn)平穩(wěn)，然而價格呈現(xiàn)上漲趨勢。我國齒輪產(chǎn)品近10年有了長足的進步，許多產(chǎn)品已達到或接近國際先進水平，但仍有相當大一部分齒輪與變速箱產(chǎn)品，在振動噪聲與疲勞壽命方面與國際先進水平差距明顯，而這又與齒輪材料與熱處理裝備及工

16、藝水平息息相關(guān)，它們已成為中國齒輪產(chǎn)品趕超國際水平的瓶頸。 正是基于對此的清醒認識，齒輪專業(yè)協(xié)會不僅成立了材料與熱處理工作委員會，而且每年都召開一次熱處理方面的研討會。最近，他們又在長春組織舉辦了“2007年齒輪滲碳淬火研討會”，100多位業(yè)內(nèi)專家與齒輪生產(chǎn)企業(yè)、熱處理設(shè)備及輔料制造廠家的代表共聚一堂，為如何進一步提升齒輪質(zhì)量水平交流研討、獻計獻策。 王聲堂表示，齒輪產(chǎn)品上水平離不開我國熱處理工藝成套裝備的支持。最突出的表現(xiàn)就在于我國熱處理工藝成套裝備的數(shù)控化程度明顯提高。20多年來，通過與愛協(xié)林、易普森等國外知名品牌的同臺競爭，目前差不多形成了具有中國特色的齒輪滲碳、熱處理工藝與成套設(shè)備，國

17、產(chǎn)熱處理設(shè)備的市場占有率逐年提升，具有了較強的競爭力，一汽嘉信的箱式爐、連續(xù)爐，西安民生的井式爐差不多上佼佼者。尤其是催滲技術(shù)更引起了國外公司的關(guān)注。 談到齒輪產(chǎn)品與國外先進水平的差距，王聲堂以車輛主減速螺旋錐齒輪為例，指出，除了少數(shù)企業(yè)的產(chǎn)品達到或接近國外先進水平，大部分企業(yè)的產(chǎn)品在疲勞壽命與噪聲指標上與國外先進水平差距較大，企業(yè)陷于低價低質(zhì)的惡性競爭。而其質(zhì)量水平與材料和熱處理水平有著重要關(guān)系。 汽車變速箱產(chǎn)品質(zhì)量的提高是從研究操縱齒輪熱處理變形開始的。從20世紀70年代熱處理變形操縱到20世紀末形成車輛齒輪鋼采購標準，齒輪行業(yè)經(jīng)歷了一段痛苦的摸索過程。后來實踐證明，假如不從齒輪鋼材質(zhì)量進

18、行嚴格操縱，單純研究熱處理工藝操縱，汽車齒輪變形問題不可能解決。 王聲堂將材料比作是齒輪質(zhì)量的根。因此，通過10多年的醞釀、起草及一段時刻的試行，2004年正式公布了齒輪專業(yè)協(xié)會的第一個標準車輛齒輪鋼采購標準。王聲堂講，從貫徹齒輪鋼采購標準這些年來看，汽車變速箱齒輪生產(chǎn)水平有了明顯提高。因此應(yīng)接著貫徹齒輪鋼采購標準，對汽車齒輪推舉A類鋼，堅持B類鋼，淘汰C類鋼。 材料解決了，通過粗加工后下一步便是進行熱加工，只有通過熱處理，才能提高齒輪產(chǎn)品的硬度，提高壽命、可靠性，但熱處理必定導(dǎo)致產(chǎn)品變形，如何最大限度地操縱變形現(xiàn)在仍然是一個世界性的難題，而我國在熱處理的變形操縱上又與國外先進水平存在差距。王聲堂指出，工業(yè)變速箱齒輪的變形操縱是高質(zhì)量磨齒的基礎(chǔ)，如重齒、南高齒、杭前進等企業(yè)磨削34級滲碳淬火齒輪，為跨國公司配套，差不多上以操縱熱處理變形為基礎(chǔ)的。沒有好的變形操縱，就沒有好的磨齒齒輪，假如靠磨齒掩蓋超偏差的熱處理變形，以滿足幾何精度的觀念是錯誤的。磨齒修正變形只能在合理公差以內(nèi)實行，否則滲碳層會被破壞，齒根圓光滑過渡會不合格。 針對存在的問題，王聲堂提出了