【转帖】摆线齿锥齿轮及准双曲面齿轮的发展概述

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摆线齿锥齿轮及准双曲面齿轮的发展概述

原创 2018-04-30 麻俊方 燕青谈齿轮

概述

当今机械工业中的传动系统产品广泛应用曲线齿锥齿轮，该类型齿轮具有承载能力高，传动噪声小等优点。目前普遍应用的曲线齿锥齿轮，一种其齿面节线为圆弧，另外一种齿面节线为延伸外摆线。摆线齿锥齿轮又被称为等高齿锥齿轮，其轮齿的大端与小端具有相同的齿高，因而传动更加平稳，同时传动噪声更低；同时由于普遍采用连续分度法加工，摆线齿锥齿轮加工效率较高。因此，该类型齿轮副被广泛应用到国外重型汽车主减速器主传动系统中。

目前国际上的锥齿轮制造技术已经达到非常高的水平，目前包括了两个大的体系：以美国格里森(Gleason)齿轮技术公司为代表的CAGE闭环制造系统和以德国克林贝齿轮技术公司为代表的Kimos闭环制造系统。在历史发展过程中，由于铣齿机厂家的不同，摆线齿锥齿轮分为瑞士奥利康制和德国克林贝格制。大传动比奥利康制摆线齿锥齿轮多用于汽车行业，重型机械行业由于大部分为单件小批量生产，因此通常使用克林贝格制摆线齿锥齿轮。随着科技的不断进展和多轴联动数控技术的日益普及，多用途复合型机床得到大规模推广，因此，最新的格里森机床也适用于摆线齿锥齿轮的加工。

在国内，由于历史的原因，对摆线齿锥齿轮加工设备及技术的引用较少，造成目前该方面的技术资料匮乏，尤其是其刀具设计制造技术的相关研究与应用近乎空白。进入21世纪后，国内汽车行业开始引进摆线齿锥齿轮加工工艺和装备，但由于该方面人才和技术储备缺乏，导致设备利用率不高，相关技术对国外依赖严重，未能形成独立的设计开发能力。由于加工原理不同，圆弧齿锥齿轮采用间歇分度法，即加工完一个齿槽后，刀具退回，工件进行分度，然后刀具继续加工下一个齿槽，而而摆线齿锥齿轮采用连续分度法，即刀具和工件同时转动，切入过程中进行分度，类似于滚齿加工，切削过程刀具不回退，直到所有齿槽全部加工完毕。因此加工摆线齿锥齿轮的刀具其设计和检测、应用等各方面需要进行全新探索。

2011年起，国内各大主机汽车公司引进了具有国际先进水平的C系列数控铣齿机、L系列研齿机、T系列配对检查机以及磨刀、装刀测量装置和Kimos软件，大大提升了目前锥齿轮制造工艺水平。因此，作为国内齿轮行业从业者，必须尽快引进、消化和吸收国外先进技术和制造工艺，促进国内锥齿轮行业技术进步和整车质量提升。

摆线齿锥齿轮在重型汽车主减速器中的应用

作为重型汽车驱动桥中的主要零部件，其主减速器锥齿轮副主要包括两大种类：圆弧渐缩齿以及摆线等高齿。在市场成熟的发达国家，这两种齿制的驱动桥各有一定的市场，如北美、日韩等以圆弧渐缩齿锥齿轮为主；在欧洲汽车企业中，摆线等高齿则占有较大比例。

建国初期，从前苏联引进相关技术和设备的基础上，中国建立起以圆弧渐缩齿制为主的汽车锥齿轮制造体系，并一直持续到现在。摆线齿锥齿轮主要局限于大型矿山设备以及少量机床零部件行业，从事该方面研究的人员较少，因此技术水平较低。

进入20世纪80年代以后，随着外资乘用车企业进入中国，摆线齿锥齿轮开始得到推广，如上汽齿轮、韶关齿轮厂等多家公司，采用S20设备进行摆线齿锥齿轮的生产，并利用CDS软件进行产品的设计和工艺参数的调整。而在重型汽车行业，由于引进的斯太尔技术、美驰技术仍旧采用圆弧渐缩齿，故仍无摆线齿锥齿轮的大规模应用，国内各高校也逐步开始对摆线齿锥齿轮的啮合原理、制造工艺及刀具进行相关研究，但仍旧不够成熟。

21世纪以来，中国商用车市场合资、合作的进程加快，中国逐步引入了一些世界先进的曲线齿锥齿轮制造机床和制造工艺。关于摆线齿锥齿轮的研究已成为当前齿轮研究界的热点，涌现出几家有明显特色的高校和科研机构。随着重型汽车驱动桥寿命、可靠性方面的要求逐步提高，摆线齿锥齿轮在国内主流重卡汽车已在最新高端车型单级驱动桥中全面应用，如一汽最新推出的解放J7、东风天龙重卡、中国重汽T7H及C7H重卡、陕汽X3000系列。下一步，随着双级驱动桥的升级换代，摆线齿锥齿轮在重型汽车行业的比例会逐渐增大。

摆线齿锥齿轮发展历程

摆线齿锥齿轮起源于欧洲，在一个世纪多的发展过程中，逐渐形成两家有代表性的公司，奥利康(Oerlikon)和克林贝格(Klingelnberg)两家来自不同国家的公司，先后开发了不同的加工设备和加工刀具，分别简称“奥”制和“克”制。二者均为延伸外摆线等高齿（简称摆线齿），采用连续分度法加工。进入21世纪后，随着两家公司的合并重组，使的该两种齿制进一步融合，形成了国际知名的摆线齿锥齿轮综合技术集团。

两种摆线齿锥齿轮的主要差别为，两者对齿面接触区的控制方法不同。“奥”制齿面接触区主要用刀倾法进行控制，铣齿设备加工多用于中小型齿轮使用场合，因而设备生产量较多；“克”制齿面接触区主要利用其独具特色的双层刀盘来进行，调整时需要精确调整外切与内切刀片回转中心偏距，其开发的铣齿机上无刀倾机构，多用于中大型设备，设备较少。

（1）奥利康制的演变

由于历史的原因，长期以来，我国生产弧齿锥齿轮的加工设备，起初绝大部分采用圆弧齿锥齿轮，因而格里森体系引用较为全面。设备方面，并续引进和仿制了一批前苏联设备，如Y2280等。在摆线齿锥齿轮方面，我国于20世纪60年代，从瑞士引进SKM2型铣齿机，其具有±3°刀倾机构，主要用于避免刀盘干涉，可调节性不高。随着国内工业技术水平的不断进步，奥利康制锥齿轮的应用范围不断扩展，刀倾范围更大的SKM1型和SM3型铣齿机被奥利康公司于20世纪60年代推出。与此同时，该公司还推出主被动齿轮都用展成法加工的“Spiroflex法”，也称刀倾全展成法。

20世纪70年代，借鉴格里森公司相关机床，奥利康公司利用PLC技术和数控技术，开发出S17型和S27型铣齿机，抛弃了原有的板式刀倾机构，将其刀倾角可调范围提高到35°。与此同时，为了提高铣齿效率，该公司推出了刀倾半展成法，即“Spirac法”，主动轮采用展成法，而被动轮采用成形法加工，进一步提升了加工效率。20世纪90年代以后，随着计算机技术的不断发展，以及摆线齿锥齿轮与格里森制弧齿锥齿轮技术的不断融合，奥利康公司推出S20、S30型4轴数控铣齿机、以及S25和S35型全数控铣齿机。与此同时，全新的CDS软件可以根据齿面热处理变形的规律，在热处理前对齿面进行修正，实现了部分工序的闭环制造。

进入21世纪后，随着克林贝格公司与奥利康公司的合并，先后推出了C29、C28、C50、C100U等型号的全数控铣齿机，并且广泛采用了干切技术，该系列铣齿机与其他设备相适应，配以Kimos软件及数据库技术，组成了先进的闭环制造系统。