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平穩(wěn)、結構緊湊、便于制造、易于維護、承載能力大、使用壽命長等優(yōu)點。但是，由于各種原因不可避免地會出現(xiàn)嚙入、嚙出沖擊、載荷突變、速度波動及由不同振型、頻率組成的各階振動，從而降低傳動精度、縮短使用壽命、降低承載能力、增大振動噪聲[1]。風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，維護成本較高，對系統(tǒng)的振動和噪聲等有嚴格的要求，需要采用修形技術對嚙合條件進行改善。

齒輪的修形技術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，提供了平行修形的螺旋角轉化的理論計算公式，最后還展示了某2 MW風電齒輪箱平行修形的應用案例。

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現(xiàn)，因此應用也最為廣泛。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，左側齒厚較薄，右側齒厚較厚，因此沿齒向方向上的側隙也不同。這就決定了配對齒輪在裝配時，必須保證修形的方向和裝配的方向一致，不能反裝，否則會有裝配干涉的風險，并影響到最終的嚙合效果。在加工方式上，風電齒輪基本都采用成型磨削的加工方法。為實現(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有不同的徑向進刀，這樣就變相地更改了不同齒向位置上的壓力角，從整個齒向上來看，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，會發(fā)現(xiàn)齒形也是從“頂負”到“頂正”變化的，或者是從“頂正”到“頂負”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，通常采用軟件補償?shù)姆绞?，但當修形量超過軟件補償極限時，也無法通過雙面磨削實現(xiàn)了，這時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)濟性較差，而且這種修形的加工原理在磨齒機加工齒頂?shù)菇菚r，會導致整個齒向上的齒頂?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，也沒有裝配干涉風險。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。我們使用的平行修形的螺旋角制造技術，將齒向的平行修形量轉化到螺旋角的變化上，在機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到要求的精度，并且因為不需要砂輪更改徑向進給，僅需要調整砂輪偏轉角度就能實現(xiàn)所需的修形量，齒形的扭曲較小，精度較高，降低了對設備本身的功能要求，老設備同樣可以達到精度要求。

完全不對稱修形如圖1（c）所示，其優(yōu)點是同時兼顧了左右齒面，齒輪在正轉和反轉時對應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，在風電行業(yè)的應用較少。

根據(jù)我們現(xiàn)場的經(jīng)驗，對比總結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

平行修形的傳統(tǒng)加工方式為：所有修形均通過機床的修形功能來實現(xiàn)，如果修形不對稱，新型設備能在雙面磨削的前提下實現(xiàn)較小修形量的無扭曲加工，但是修形量較大時，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）。在機床的修形功能上僅修鼓形和端部修形（這樣老設備也能實現(xiàn)加工精度），而螺旋角修形則通過將螺旋角修形量轉化到齒向螺旋角上來實現(xiàn)，也就是在齒輪參數(shù)中的螺旋角上增加一個附加的螺旋角，通過附加螺旋角實現(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現(xiàn)，在實際生產應用中加工精度較高，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

實際生產中可以將附加螺旋角增加到圖樣中，生產時按照附加螺旋角進行加工和檢驗即可。修形只加工和檢驗鼓形和端部修形，非常簡便，易于實現(xiàn)。

3 平行修形的螺旋角轉化計算

在平行修形的螺旋角制造技術中，將齒向螺旋角修形量轉化到螺旋角上，然后將優(yōu)化后的螺旋角輸入機床中，從而實現(xiàn)齒向螺旋角修形。

修形量和螺旋角轉化的公式為：

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，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。

<1)，且各件產品是否為不合格品相互獨立．

4 平行修形的應用

某2 MW產品某軸原修形方案采用的是對稱修形，右側被減薄，對應的應力分布情況如圖3所示，加載試車后發(fā)現(xiàn)工作齒面的左側和非工作齒面的右側均存在端部壓痕，故需要對該修形進行優(yōu)化。如果繼續(xù)使用對稱修形優(yōu)化時，需要同時調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時非工作面的左側端面壓痕增大。

圖3 對稱修形的應力分布圖及實際嚙合照片

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

圖4 平行修形的應力分布圖及實際嚙合照片

5 結語

隨著風電齒輪箱機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，使用單面磨削的加工方式進行對稱修形，成本較高，效率偏低，經(jīng)濟性不佳。同時，因為對稱修形的齒厚不均勻、裝配側隙不均勻、裝配方向要求較高、磨齒機倒角不均勻及容易產生裝配干涉等原因，其缺點越來越明顯。而平行修形將螺旋角修形量轉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、側隙均勻、可掉面裝配、機床倒角均勻、大修形零件加工效率高等優(yōu)點，必然有著更廣闊的發(fā)展前景。