提高齒輪箱扭矩密度的設(shè)計制造方法

陳 東，萬文銘

（弗蘭德傳動系統(tǒng)有限公司，天津 300400）

1 引言

自近代工業(yè)革命以來，齒輪箱技術(shù)取得了長足的進步。特別是硬齒面齒輪箱技術(shù)的開發(fā)和大規(guī)模推廣應(yīng)用，極大地提高了其承載能力和傳動精度，促進了工業(yè)發(fā)展、提高了人民生活水平。需求產(chǎn)生變革，進入21世紀以來，隨著新能源技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，特別是風力發(fā)電、電力機車以及電動汽車等工業(yè)的發(fā)展給齒輪箱技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)，要求齒輪箱在質(zhì)量不變的情況下具備更高的承載能力，因此如何提高扭矩密度逐漸成為研究熱點。

扭矩密度，即單位質(zhì)量上可傳遞的扭矩。單位為N·m/kg。那么提高扭矩密度就需要從兩個主要方面和一個次要方面進行努力：一個主要方面是要提高齒輪箱的額定扭矩，即從理論上講齒輪箱可以在該載荷下長期運行的扭矩；另一個主要方面要最大限度地降低齒輪箱的整體質(zhì)量；一個次要方面是要盡可能地提高齒輪箱傳遞效率，即在輸入扭矩相同的情況下獲得更高的輸出扭矩。齒輪箱作為一個系統(tǒng)，是由齒輪、軸、軸承和箱體等零部件組成的。要提高齒輪箱的扭矩密度應(yīng)盡量做到各個零部件具有相同的承載能力以實現(xiàn)物盡其用，避免短板效應(yīng)的發(fā)生。

在提高齒輪箱扭矩密度方面，各大高校、研究院所以及齒輪箱的生產(chǎn)廠家都進行了大量的探索和實踐，并且有很多的研究成果已經(jīng)獲得生產(chǎn)實踐的檢驗得以大規(guī)模的推廣應(yīng)用。在此將幾種主要的齒輪箱設(shè)計制造技術(shù)進行綜述。

2 高性能的齒輪鋼

提高齒輪箱扭矩密度的一個顯著辦法就是提高齒輪材料的承載能力。目前對高性能齒輪鋼的研究熱點主要分為兩個方向，一方面是通過降低有害元素的含量獲得超純凈鋼來提高承載能力。ISO6336-5《正齒輪和斜齒輪載荷能力的計算 第5部分：材料的強度和質(zhì)量》中對于齒輪材料的質(zhì)量水平進行了詳細的規(guī)定，國內(nèi)學者朱孝錄對齒輪的內(nèi)在品質(zhì)和齒輪強度做了大量的研究，并在一定程度上給出了量化關(guān)系。

另一方面是提高材料質(zhì)量的穩(wěn)定性并降低成本。瑞典OVAKO公司開發(fā)的超純凈鋼系列在設(shè)計制造水平相同的情況下，其齒根彎曲疲勞強度和齒面接觸疲勞強度提高了40%～60%。但是由于其高昂的生產(chǎn)成本且極其困難的質(zhì)量控制一直沒有大范圍推廣應(yīng)用，下一步還要在質(zhì)量穩(wěn)定性和如何降低生產(chǎn)成本方面進行進一步探索和研究。德國慕尼黑工業(yè)大學FZG研究所對齒輪材料的優(yōu)化進行了一些有益的嘗試和探索。在齒輪材料里面加入稀有金屬Nb，可以將齒輪承載能力提高30%以上，其原理是加入金屬Nb后可以在晶界處形成具有釘扎作用的化合物，這種化合物在高溫滲碳過程中可以抑制晶粒的長大，在淬火過程中獲得可以提高承載能力的針狀鐵素體或貝氏體組織。

3 齒輪形貌修正技術(shù)

齒輪形貌修正技術(shù)是避免應(yīng)力集中，改善齒輪承載能力的有效措施。大致可以分為三種：第一種是根據(jù)載荷的大小和分布規(guī)律對齒面接觸部分進行微觀的形狀修整，可以有效降低載荷分布系數(shù)來提高承載能力，主要是通過計算補償系統(tǒng)的變形來達到降低應(yīng)力的目的，如圖1所示，比較詳細地說明了齒輪修形需要考慮的變形要素和避免邊緣接觸導致應(yīng)力過大的主要方法。市場上也有非常成熟的商用軟件輔助設(shè)計，譬如KISSsoft、ROMAX等。第二種是通過優(yōu)化齒根部分的過度曲線來降低齒根應(yīng)力來提高齒輪承載能力。齒根曲線改善前后的對比如圖2所示，改善后齒根應(yīng)力降低了10%左右。第三種是改善齒面的粗糙程度和進行有計劃的表面織構(gòu)進而提高齒輪承載能力。如圖3所示，左右兩側(cè)分別是超精密磨削降低粗糙度和表面織構(gòu)的效果圖。

圖1 齒輪修形的基本模型及方法

圖2 齒根應(yīng)力改善前后的對比

圖3 超精密磨削和表面織構(gòu)效果圖

此外，廣義的齒輪形貌修正技術(shù)還有表面涂層和齒根強力噴丸等，都可以有效地提高齒輪承載能力。

4 齒輪箱中的軸承選擇

在過去的四十多年里，齒輪的承載能力提升了400%，相應(yīng)的滾動軸承的承載能力僅僅增加了30%。并且正如本文第一部分提到的，這種承載能力的差距還有進一步增大的趨勢，無疑給齒輪箱設(shè)計中軸承的選型和設(shè)計帶來了困難。因此要想進一步提高齒輪箱的扭矩密度就必須將原有的定軸傳動方式改為行星傳動。這一趨勢可以從風力發(fā)電增速機上得到了充分的驗證。風力發(fā)電增速機的發(fā)展趨勢如圖4所示，即最早的平行軸定軸傳動，到后來的行星傳動，再接下來是更緊湊的無外圈的行星軸承的創(chuàng)新應(yīng)用，然后是現(xiàn)在最先進的以滑動軸承替代滾動軸承的超緊湊設(shè)計。

圖4 風力發(fā)電增速機的發(fā)展趨勢

5 齒輪箱中的傳動軸設(shè)計

齒輪箱中的傳動軸的主要失效是在軸肩位置出現(xiàn)疲勞斷裂或者過載斷裂。因此除了選擇高性能的材料，另外一個提高傳動軸承載能力的方式就是優(yōu)化軸肩位置的過度曲線來減小應(yīng)力集中。

6 齒輪箱中的結(jié)構(gòu)件設(shè)計

箱體在齒輪箱中的主要作用就是起到固定支撐的作用，在滿足這個使用要求的條件下盡可能地減小質(zhì)量是提高齒輪箱扭矩密度的重要措施。目前對箱體進行減重主要有兩種方法：一種是借助仿真工具不斷進行迭代計算來達到最優(yōu)解的方法，通過Isight軟件進行系統(tǒng)集成自動完成結(jié)構(gòu)修改、仿真計算和結(jié)果評估，可以大幅度減少工作時間，縮短開發(fā)周期；另一種是直接采用更先進的算法進行拓撲優(yōu)化再加上增材制造技術(shù)來實現(xiàn)齒輪箱箱體的輕量化設(shè)計。首先根據(jù)負載情況約束條件和性能指標在給定的區(qū)域內(nèi)進行材料分布的優(yōu)化布置得出性能最優(yōu)的結(jié)果，但通常都是比較復雜的結(jié)構(gòu)且不易鑄造和加工，而采用先進的3D打印技術(shù)可以有效彌補拓撲優(yōu)化的不足。

7 傳動鏈集成設(shè)計

除了上面提到的傳統(tǒng)的提高齒輪箱各個部件的承載能力上的努力，另一個方向是著眼于原動機、齒輪箱、聯(lián)軸器和工作機整個傳動鏈的優(yōu)化設(shè)計。譬如去掉齒輪箱與原動機之間的聯(lián)軸器可以大幅降低整體質(zhì)量和不必要的功率損失，還可以節(jié)省安裝空間方便最終用戶。同時直接將齒輪箱也一起去掉而采用電機直接驅(qū)動的方式，可以再次提高傳動效率并降低客戶的維護成本。但是由于去掉減速機后造成電機的尺寸、成本都有大幅度的增加又反過來限制了驅(qū)動鏈扭矩密度的提升。因此便產(chǎn)生了電機齒輪箱各讓一步的中間路線——半直驅(qū)的傳動技術(shù)，即更小的變速比配上中速永磁的集成設(shè)計方案。這種方案兼具成本和扭矩密度的雙重優(yōu)勢，目前已經(jīng)在風力發(fā)電領(lǐng)域得到初步驗證，正向其他的傳動領(lǐng)域擴展。新技術(shù)衍生出新的研究方向，新型永磁材料和永磁電機的控制方法稱為各大高校、研究所和生產(chǎn)廠家的研究熱點；另外，永磁電機的冷卻技術(shù)和絕緣技術(shù)也隨著功率和電壓的增加逐漸稱為傳動系統(tǒng)設(shè)計的瓶頸，油冷卻和超低軸電壓的控制也是各研究單位的重要方向。

8 總結(jié)和展望

新材料、先進制造技術(shù)、仿真技術(shù)以及新型傳動理念的發(fā)展使得齒輪箱的扭矩密度不斷提高，但是應(yīng)注意單一零件的承載能力提高并不能代表齒輪箱整體承載能力的提升。同時，設(shè)計的經(jīng)濟性以及技術(shù)的成熟度應(yīng)該與承載能力一起進行綜合考慮，巧妙靈活地制定經(jīng)濟合理的技術(shù)方案。

雖然有些技術(shù)能夠較大幅度地提高齒輪箱扭矩密度，但是在大規(guī)模推廣上還存在很多問題，下一階段應(yīng)在以下幾個方向繼續(xù)進行探究：

1）新型齒輪材料的微合金化以及超純凈齒輪鋼方面應(yīng)繼續(xù)進行批量化生產(chǎn)實踐，探索出一條質(zhì)量穩(wěn)定、風險可控的工藝路線。

2）開發(fā)更加先進的仿真工具進行齒輪微觀形貌的設(shè)計，將盡可能多的變量引入仿真工具以求更準確地描述齒輪的實際工況。具體而言，應(yīng)將箱體和結(jié)構(gòu)件的變形以及關(guān)聯(lián)件的熱變形等因素考慮進去。

3）緊密跟蹤先進技術(shù)的發(fā)展，關(guān)注交叉學科領(lǐng)域的技術(shù)進展，特別是增材制造、激光熔覆、摩擦與潤滑等能夠?qū)X輪箱起到革命性變革的技術(shù)。

4）在半直驅(qū)傳動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，應(yīng)該開始進行超高速傳動系統(tǒng)的預研工作，其概念也是源于扭矩密度的提高和生產(chǎn)成本的降低。在進一步增加齒輪傳動速比的同時通過提高電機的轉(zhuǎn)速來達到相同的功能。這種新型的傳動方案將會給設(shè)計上和制造上帶來更大的挑戰(zhàn)，特別是系統(tǒng)振動特性、轉(zhuǎn)子動力學以及變頻控制方面，需要進一步的探索和實踐。