風(fēng)電齒輪螺旋角修形方式的探討

王明鏡，王炯，曹榮青，束長林，魏玉星

（南京高速齒輪制造有限公司，南京211100）

0 引言

漸開線圓柱齒輪具有傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、便于制造、易于維護(hù)、承載能力大、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。但是，由于各種原因不可避免地會(huì)出現(xiàn)嚙入、嚙出沖擊、載荷突變、速度波動(dòng)及由不同振型、頻率組成的各階振動(dòng)，從而降低傳動(dòng)精度、縮短使用壽命、降低承載能力、增大振動(dòng)噪聲[1]。風(fēng)電齒輪采用的就是漸開線圓柱齒輪，但是因其使用條件較惡劣，維護(hù)成本較高，對系統(tǒng)的振動(dòng)和噪聲等有嚴(yán)格的要求，需要采用修形技術(shù)對嚙合條件進(jìn)行改善。

齒輪的修形技術(shù)主要包括齒形修形和齒向修形[2]，其中齒向修形包括齒向螺旋角修形、齒向鼓形修形和端部修形等3種[3]，而齒向螺旋角修形又分為對稱修形（左右齒面對稱）、平行修形（左右齒面中心對稱）和完全不對稱修形等3種方式。本文主要介紹了我公司對這3種螺旋角修形方式的了解和使用情況，對比了平行修形和對稱修形的優(yōu)缺點(diǎn)，提供了平行修形的螺旋角轉(zhuǎn)化的理論計(jì)算公式，最后還展示了某2 MW風(fēng)電齒輪箱平行修形的應(yīng)用案例。

1 齒向螺旋角修形方式及優(yōu)劣對比

齒向螺旋角修形的3種方式中，以對稱修形最簡單且最容易實(shí)現(xiàn)，因此應(yīng)用也最為廣泛。對稱修形如圖1（a）所示，修形后左、右齒面對稱，在齒向方向上的齒厚不一致，左側(cè)齒厚較薄，右側(cè)齒厚較厚，因此沿齒向方向上的側(cè)隙也不同。這就決定了配對齒輪在裝配時(shí)，必須保證修形的方向和裝配的方向一致，不能反裝，否則會(huì)有裝配干涉的風(fēng)險(xiǎn)，并影響到最終的嚙合效果。在加工方式上，風(fēng)電齒輪基本都采用成型磨削的加工方法。為實(shí)現(xiàn)對稱修形，常規(guī)的雙面磨削砂輪在不同的齒向位置上會(huì)有不同的徑向進(jìn)刀，這樣就變相地更改了不同齒向位置上的壓力角，從整個(gè)齒向上來看，齒面是從過切到少切變化的，或者是從少切到過切變化的，假如從齒向一端到另外一端不間斷地測量齒形，會(huì)發(fā)現(xiàn)齒形也是從“頂負(fù)”到“頂正”變化的，或者是從“頂正”到“頂負(fù)”變化的，也就是我們俗稱的“齒形扭曲”現(xiàn)象。為解決這一問題，通常采用軟件補(bǔ)償?shù)姆绞?，但?dāng)修形量超過軟件補(bǔ)償極限時(shí)，也無法通過雙面磨削實(shí)現(xiàn)了，這時(shí)就必須使用單面磨削。單面磨削的效率較低、成本偏高、加工經(jīng)濟(jì)性較差，而且這種修形的加工原理在磨齒機(jī)加工齒頂?shù)菇菚r(shí)，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)齒向上的齒頂?shù)菇遣痪鶆颉?/p>

圖1 螺旋角修形3種方式的示意圖

平行修形如圖1（b）所示，左右齒面修形中心對稱。平行修形齒寬兩端齒厚均勻，裝配沒有方向要求，可掉面裝配，也沒有裝配干涉風(fēng)險(xiǎn)。在加工方式上，傳統(tǒng)的加工方式必須使用單面磨削，左、右齒面分開修形。這種加工方式效率較低、成本偏高，且對操作人員的技能水平要求較高，容易將修形方向弄錯(cuò)。我們使用的平行修形的螺旋角制造技術(shù)，將齒向的平行修形量轉(zhuǎn)化到螺旋角的變化上，在機(jī)床中直接輸入新的螺旋角，這種方法使用普通的雙面磨削的加工方式就能達(dá)到要求的精度，并且因?yàn)椴恍枰拜喐膹较蜻M(jìn)給，僅需要調(diào)整砂輪偏轉(zhuǎn)角度就能實(shí)現(xiàn)所需的修形量，齒形的扭曲較小，精度較高，降低了對設(shè)備本身的功能要求，老設(shè)備同樣可以達(dá)到精度要求。

完全不對稱修形如圖1（c）所示，其優(yōu)點(diǎn)是同時(shí)兼顧了左右齒面，齒輪在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時(shí)對應(yīng)的工作齒面和非工作齒面均能得到較好的嚙合效果。但是完全不對稱修形的常規(guī)加工需要使用單面磨削，效率較低，在風(fēng)電行業(yè)的應(yīng)用較少。

根據(jù)我們現(xiàn)場的經(jīng)驗(yàn)，對比總結(jié)了對稱修形和平行修形的優(yōu)劣，如表1所示。

2 平行修形的螺旋角制造技術(shù)

平行修形的傳統(tǒng)加工方式為：所有修形均通過機(jī)床的修形功能來實(shí)現(xiàn)，如果修形不對稱，新型設(shè)備能在雙面磨削的前提下實(shí)現(xiàn)較小修形量的無扭曲加工，但是修形量較大時(shí)，還是需要采用單面磨削，效率較低、成本偏高。

平行修形的螺旋角制造技術(shù)是一種新的加工方式，將齒向修形拆分為齒向螺旋角修形、齒向鼓形修形和端部修形（如圖2）。在機(jī)床的修形功能上僅修鼓形和端部修形（這樣老設(shè)備也能實(shí)現(xiàn)加工精度），而螺旋角修形則通過將螺旋角修形量轉(zhuǎn)化到齒向螺旋角上來實(shí)現(xiàn)，也就是在齒輪參數(shù)中的螺旋角上增加一個(gè)附加的螺旋角，通過附加螺旋角實(shí)現(xiàn)螺旋角修形的方式。該加工方法減少了修形量（只修鼓形和端部修形），僅使用雙面磨削加工就能實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中加工精度較高，效率和成本優(yōu)勢明顯。

表1 對稱修形和平行修形的優(yōu)劣對比表

圖2 平行修形的拆分圖

實(shí)際生產(chǎn)中可以將附加螺旋角增加到圖樣中，生產(chǎn)時(shí)按照附加螺旋角進(jìn)行加工和檢驗(yàn)即可。修形只加工和檢驗(yàn)鼓形和端部修形，非常簡便，易于實(shí)現(xiàn)。

3 平行修形的螺旋角轉(zhuǎn)化計(jì)算

在平行修形的螺旋角制造技術(shù)中，將齒向螺旋角修形量轉(zhuǎn)化到螺旋角上，然后將優(yōu)化后的螺旋角輸入機(jī)床中，從而實(shí)現(xiàn)齒向螺旋角修形。

修形量和螺旋角轉(zhuǎn)化的公式為：

式中：fHβ為齒向螺旋角修形量；b為齒寬；Δβ為螺旋角變動(dòng)量；β為齒輪的螺旋角[4]；β1為優(yōu)化后的螺旋角。這里需要注意Δβ的正負(fù)，即修形帶來的螺旋角的變化是變大還是變小。一般的判斷原則是，根據(jù)工作齒面判斷修形的旋向，若修形的旋向和齒輪的螺旋角方向一致，則Δβ為正，反之則Δβ為負(fù)。

<1)，且各件產(chǎn)品是否為不合格品相互獨(dú)立．

4 平行修形的應(yīng)用

某2 MW產(chǎn)品某軸原修形方案采用的是對稱修形，右側(cè)被減薄，對應(yīng)的應(yīng)力分布情況如圖3所示，加載試車后發(fā)現(xiàn)工作齒面的左側(cè)和非工作齒面的右側(cè)均存在端部壓痕，故需要對該修形進(jìn)行優(yōu)化。如果繼續(xù)使用對稱修形優(yōu)化時(shí)，需要同時(shí)調(diào)整一對嚙合齒輪的齒向修形量，并優(yōu)化鼓形，并且很容易造成反轉(zhuǎn)時(shí)非工作面的左側(cè)端面壓痕增大。

圖3 對稱修形的應(yīng)力分布圖及實(shí)際嚙合照片

如果使用平行修形，僅調(diào)整該軸的螺旋角修形量即可實(shí)現(xiàn)工作面的右側(cè)減薄和非工作面的左側(cè)減薄，同時(shí)解決工作面右側(cè)和非工作左側(cè)的壓痕問題。圖4為使用平行修形后的應(yīng)力分布情況，實(shí)現(xiàn)了左、右兩側(cè)的均勻分布。

圖4 平行修形的應(yīng)力分布圖及實(shí)際嚙合照片

5 結(jié)語

隨著風(fēng)電齒輪箱機(jī)型的功率增大和功率密度的要求越來越高[5]，齒輪的螺旋角修形量也越來越大。在齒向螺旋角修形量較大時(shí)，使用單面磨削的加工方式進(jìn)行對稱修形，成本較高，效率偏低，經(jīng)濟(jì)性不佳。同時(shí)，因?yàn)閷ΨQ修形的齒厚不均勻、裝配側(cè)隙不均勻、裝配方向要求較高、磨齒機(jī)倒角不均勻及容易產(chǎn)生裝配干涉等原因，其缺點(diǎn)越來越明顯。而平行修形將螺旋角修形量轉(zhuǎn)化到齒輪的螺旋角上，螺旋角修形量的大小對其沒有影響，僅使用普通的雙面磨削方式就能得到無扭曲的齒形精度，并且具有齒厚均勻、側(cè)隙均勻、可掉面裝配、機(jī)床倒角均勻、大修形零件加工效率高等優(yōu)點(diǎn)，必然有著更廣闊的發(fā)展前景。