螺旋锥齿轮的开发：用计算机技术淘汰试切法

计算机技术已经触及了我们生活的所有领域，从获取机票、购买商品到接受医疗咨询等。这一变化同样对制造业产生了巨大影响，加工技术的改进导致产品质量不断提高，价格持续下降。然而在齿轮制造业，螺旋锥齿轮的轮齿接触区检测这一关键工序相对而言却变化很小。

    开发一个新产品的螺旋锥齿轮副，其试切开发过程需耗时几个月，花费数千美元。为了以更低价格的产品来增加全球竞争力，锥齿轮成为实现下一代计算机化制造的一个主要目标。为了应对这一挑战，Arrow齿轮公司已经实现了螺旋锥齿轮开发方式的更新换代，从而开辟了一个新纪元。

    本文将提供锥齿轮开发的一些基本信息以及Arrow公司为了获得最好的质量，同时降低开发费用所采用的具体程序和工艺技术。

    接触区和齿轮位移的基本概念

    接触区形态是螺旋锥齿轮设计的一个关键特性。简单地说，接触区就是当齿轮旋转进入啮合直至脱离啮合期间，轮齿相互接触的区域。接触区采用以下步骤进行检测：在轮齿上涂覆一层专用的标记化合物，然后在一台检验机上啮合运行。目视观察到化合物被破坏的区域就是接触区，需要由经验丰富的检验人员来解释观察到的结果。为了将接触检测结果归档，可以用胶带纸贴在齿面上，再将接触印痕转印在纸上。

    当一个齿轮被安装在齿轮箱里，并提供动力使其按指定用途运转时，齿轮轮齿上承受着各种不同的压力或载荷，包括箱体变形、轴承运动和温度变化等。当轮齿承受这些变化时，接触区形态也将随之发生变化。

    同一齿轮在非常轻的载荷下和非常重的载荷下接触区的形态不同。有一个常用的经验法则：载荷越大，接触区也越大。

    在下列情况下，接触区形态显得十分重要：对于在载荷下正常工作的齿轮，接触区必须具有一定形状并处于一定位置。一般来说，承载下的理想轮齿接触区应位于齿面中间部位，避免在齿面边缘接触。

    在齿轮箱工作状态下评估齿轮接触区形态时，需要考虑的另一个关键问题是齿轮的位移。许多齿轮箱在运行时，齿轮及齿轮轴并不保持在一个固定的原始方位上。承载引起的力和热应力可导致齿轮箱部件产生明显的运动，偏离其原来的位置。

    可能会出现4种不同的典型运动方式：偏置，小齿轮进入和脱离啮合，大齿轮进入和脱离啮合以及轴间夹角。这些运动引起了齿轮的位移，此外还可能出现这4种运动方式的任意组合。

    对于航空航天用齿轮箱，将重量减至最小是非常重要的。由于所用齿轮的质量通常较小，因此齿轮的位移量较大。另一方面，对于部件刚性很好的商用齿轮箱而言，其位移量不在一个数量级上。

    开发接触区的传统方法

    接触区的尺寸和位置一直是锥齿轮设计中需要考虑的主要因素。多年来为获得好的接触区形态所采用的方法，现在仍然为绝大多数齿轮生产厂商所沿用。

    获得理想接触区的传统方法按如以下步骤操作：首先，由一位工程师根据经验确定齿轮的几何参数，使之能满足提供正确接触区的要求。然后加工出齿轮轮齿的初切齿廓。完成大轮和小轮的加工后，将它们装在检验机上啮合运转。一般情况下，第一次试切所获得的接触区形态不正确，这就需要返回第一步，改变磨齿机的相关参数设置，然后再加工一个新的小齿轮，重新进行检测。这一试切过程可能需要反复多次，直至获得具有所需接触区位置的最佳试切齿轮。但是，该齿轮装入齿轮箱后在承载情况下的工作性能如何？接触区将是怎样的形态？要回答这一问题，在试切过程中还需采取其它一些步骤。#p#分页标题#e#

    首先，将齿轮装入齿轮箱，在轻载荷下运转以检测接触区的运动。然后通过目视观察，检测在啮合齿面上出现轻微磨损的接触区。如果接触区形态不正确（通常如此），就必须重新设置磨齿机的加工参数，然后重新磨制另一个小轮。如此循环进行，直至在全载荷运行状态下获得所需要的合适接触区。

    对于一个新的锥齿轮设计而言，这一试切过程可能需要花费几个月的时间。虽然既费时又费钱，但它却是不得不去做的工作。基于计算机的新的锥齿轮开发技术的出现，从根本上改变了这种状况。

    开发接触区的新方法

    为了克服传统方法的局限性，美国Arrow齿轮公司完成了一套用于开发锥齿轮接触区的先进系统。与传统方法相比，该系统大大节省了开发所需的时间和资金。该系统将当代先进的软件与加工机床结合在一起，其主要组成单元包括格里森公司的AGE、CAGE、MINIGAGE、加载TCA和T-900有限元分析软件包等。至于加工机床，该系统使用了格里森公司的凤凰数控切齿机和凤凰数控磨齿机，以及一台蔡司-赫夫勒的齿轮测量中心。关于该系统的具体使用情况后面将会介绍，这里先列举它的一些亮点。

    采用了开发软件，工程师们可以建立虚拟模型来预测齿轮在实际工况下的传动性能，由此可得到加工机床所需的参数设置。此外，这些机床调整的设置量自动下载到机床上，大大减少了机床参数设置所需的时间。采用该系统最具意义的是，只需在齿轮加工车间进行一两次试切，就可获得满足理想齿轮接触区要求的机床最佳参数设置。

    从本质上说，该系统淘汰了以前必须进行的试切过程。由于缩短了开发时间，齿轮制造商能为用户节约大量经费。

    通过计算机建模开发接触区：过程概述

    采用本系统开发一个新的接触区的过程相当复杂。但是，为了清楚了解该系统是如何工作的，首先介绍一个典型开发的概念要点，更详尽的步骤说明将在后面介绍。

    第一步是接收用户的设计需求，包括详细注明了主要几何参数（如传动比、径节等）的零件设计图纸。此外，如果用户能提供工作扭矩和齿轮位移量，对开发工作将会更有帮助。

    根据齿轮的几何尺寸，工程师们首先为工件建立一个开发接触区的工作文件。利用CAGE软件完成齿面接触分析或TCA分析，这表明了在无载荷状态下接触区的位置。

    最后，在考虑所有位移条件的情况下，进行加载TCA分析（译者注：即LTCA分析），得到理想的接触区。根据这些信息进行有限元分析，预测齿面上和齿根圆角处的应力。这样，工程师就可以确定，齿轮轮齿在啮合线（路径）的任意位置上是否存在因过载或非正常压力引起齿轮失效的潜在可能性。

    关于实施TCA和有限元分析更详细的说明，将在下一节予以介绍。

    通过计算机建模开发接触区：过程详述

    本节将详细介绍通过计算机建模来设计接触区的过程，以及如何将软件集成于加工机床中。

    某一特定的TCA分析来自一个用于飞机喷气发动机的上塔或起飞齿轮传动组的分析结果。为便于说明，在考虑锥齿轮各种位移的情况下，我们仅关注设计工作中锥齿轮凹面的加载TCA分析部分。齿轮位移除了因正常工作力矩载荷所引起以外，还来自于热和外力的影响。

    接触区的设计用于满足齿轮组将会遇到的载荷需要和不同的位移。

    由变化的热和外力以及一个3140in-lbs的力矩载荷引起不同的位移量，其中一些位移相当大，小齿轮在大齿轮上方移动了0.013"，小齿轮向锥心移进了0.029"，而大齿轮向外移动了0.026"。#p#分页标题#e#

    开发目标是设计出一个接触区，使齿轮在正常工作条件下产生不同位移时，接触区仍能具有所需的形状和大小，接触区在运转中不会跑出边缘、落在齿根区或跑出齿顶区。

    设计出能满足不同位移需求的接触区后，下一步是进行加载TCA分析。如果这些接触区相互重叠或连接，那么实质上这一结果就是该齿轮组将来在3140in-lbs的力矩下工作时对于所有不同位移的载荷区状态。

    除了研究不同的位移对接触区的影响外，还研究了啮合路径上不同啮合位置的压力变化情况。

    在载荷为3140in-lbs力矩的情况下，从啮合路径的起点到终点各点处的齿面压力大小不同。啮合起点处的压力较小，它是轮齿剪切的结果（由于接触比较高）；然后压力逐渐增大，在轮齿中心处压力增大至峰值238000lbs./sq.in.；然后压力逐渐降低，最后在轮齿脱离啮合处降至约84000ibs./sq.in.。

    压力研究的一个关键目标是要证实在接触区没有硬接触点。如果存在硬点，表面压力就会出现尖峰值，这就明确表明可能存在失效。当该轮齿进入啮合时，尖峰或凸起将会产生非均匀压力，可能导致齿面的点蚀及随之而来的失效。不过在本例中并未出现尖峰压力。压力逐渐增加至轮齿中心，随后以相同速度逐渐降低。这些齿轮在进入和脱离啮合时运动非常平稳。

    这样的研究工作将在所有齿轮位移情况下进行。完成后，设计工作就可进入下一步的有限元分析。

    首先将加载TCA的结果输入T-900有限元分析软件，程序将完成齿面的应力分析。分析后得到的一份载荷分布报告。报告用不同颜色显示了齿面不同区域的载荷分布状况。接触压力最大的区域为红色。当应力减小时，颜色也随之变化，直至基本载荷处的表面压力或应力最小。这些在齿轮轮齿上将能看到。

    然后对齿根圆角处也进行类似研究。同样，不同的颜色表示不同的应力大小。矩形图表明研究报告中齿面上相应的压力和齿根圆角处相应的压力。如果最大值超过所用材料的许可值，则齿轮失效的可能性极大。

    通过有限元分析还可以观察是否存在潜在的凸缘或边缘接触。如前所述，红色表明最大压力区。如果研究表明任何红色区都不在接触区的中心，则失效也可能将发生在这些区域。

    如果有限元分析表明存在问题，则工程师可以返回CAGE软件，根据需要对接触区进行修正，然后再进行第二次有限元分析。

    TCA和有限元分析一旦完成，就获得了理想的接触区大小和位置，CAGE软件会生成凤凰切齿机和磨齿机加工齿轮所需的机床调整参数。此外，G-AGE软件生成蔡司-赫夫勒公司CNC测量系统（齿轮测量中心）的检测程序。采用该测量系统，可以完成齿面轮廓的电子数字拓扑图，而G-AGE软件能够自动修改机床调整参数，以获得要求的计算机化齿廓形状。通过硬线网络连接，可以下载调整参数和检测文件。在这些开发程序完成后，即可进入生产程序。

    用户受益：开发PTO齿轮装置的实例研究

    用于设计和开发接触区的这种先进方法给用户提供了许多好处，其中最大的好处是大大节约了时间和金钱。用户受益的一个实例就是前面提到的Arrow公司介入的飞机喷气发动机课题，课题详情将在以下的实例研究中予以介绍。

    Arrow公司提供了发动机两个位置的齿轮传动装置。第一个锥齿轮组用于上塔轴或起飞动力（PTO）；第二个锥齿轮组用于辅助齿轮箱。由于这是一台新发动机，要求Arrow公司完成这些锥齿轮组的所有齿轮轮齿的设计和制造。与所有的喷气发动机齿轮一样，由于齿轮箱有很大的变形自由度，因此对齿轮的设计制造要求苛刻。面临时间短、任务难的双重挑战，Arrow公司采用了上述的先进设计和制造技术来开展项目工作。#p#分页标题#e#

    这两个不同的齿轮组生产出来后安装在发动机上，结果令人满意。

    首先，如果采用传统技术来开发满足要求的全载荷接触区，所需的正常周期为6个月。而Arrow公司采用计算机建模技术进行初期开发，花费时间不到一周。并且该初期开发的齿形在发动机测试中满载荷运行时也无需作进一步修正。新的齿轮传动装置的实际制造时间在通常情况下需要22周，而Arrow公司在12周内就完成了此项工作。

    齿轮在发动机上运行75小时后，进行了目视检测。无论是运转组还是启动组的齿轮接触区均与预期的精确吻合。该方法为公司新发动机的开发节约了大量资金和时间。

    故障排除和失效分析

    锥齿轮传动设计系统可用于绝大多数新锥齿轮的设计或现有齿轮的改进设计。除此以外，该系统还有其它用途。如果为该系统提供适当的信息，就可以建立锥齿轮轮齿的虚拟模型，用于预测接触区位置是否合适。将该信息与实际接触区进行比较，能为寻求引起锥齿轮失效或其它问题的原因提供有价值的信息。此外，该方法能使轮齿的抗弯强度提高30%，大大延长锥齿轮的寿命。

    结论

    在当今竞争激烈的制造业环境中，用户首先要求的是迅捷的交货期和较低的价格。在这种情况下，计算机闭环制造对于齿轮生产是最适合的。此外，由于缩短了开发时间，这项技术可使产品尽快进入市场，从而大大减少零件供应商（OEM）的成本。
    考虑到这项技术的诸多优点，可以预测在不久的将来，闭环制造法将成为齿轮制造业的标准开发技术。