朱佳柏，楊曉紅，楊 澈，葉 霞

（1.江蘇理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213001；2.江蘇理工學(xué)院 材料工程學(xué)院，江蘇 常州 213001）

齒輪一般在機(jī)器中起到傳遞運(yùn)動(dòng)、力和扭矩的作用。某些大型器械上的齒輪不僅精度要求高、造價(jià)昂貴，而且往往是該器械的核心部件，這一類齒輪一旦損壞，不僅會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)給操作人員帶來嚴(yán)重的安全隱患。隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)齒輪的性能要求越來越高，尤其是在高質(zhì)量的高速重載齒輪方面。目前，更高精度的齒輪傳動(dòng)技術(shù)已成為制約我國頂尖機(jī)械國產(chǎn)化的瓶頸之一[1]。在齒輪傳動(dòng)過程中，齒輪摩擦界面的環(huán)境十分復(fù)雜，強(qiáng)大的應(yīng)力、較高的溫度以及乏油潤滑等情況都易引發(fā)齒輪的失效。如果這些情況不被及時(shí)控制，齒輪的摩擦磨損會(huì)進(jìn)一步加劇，產(chǎn)生更大的振動(dòng)與噪音，進(jìn)而危害機(jī)械的正常運(yùn)轉(zhuǎn)[2-5]。

如何改善齒輪工作界面的性能已成為近年來的研究熱點(diǎn)，目前的方法有：（1）齒輪表面改性技術(shù)。如表面淬火[6]、噴丸強(qiáng)化[7]、滲碳滲氮[8]等。（2）表面涂覆技術(shù)。例如，通過激光熔覆法在齒輪表面涂覆一層納米TiC梯度功能涂層，可以提高齒輪的耐磨性等[9]。（3）使用更好的潤滑劑[10]。例如，在潤滑劑中添加納米TiO2和SiO2粒子能夠在齒面形成一定厚度的表面吸附膜，提高了齒輪的耐磨性。（4）優(yōu)化齒輪的加工工藝。比如，選取更好的齒輪材料[11]、使用更佳的加工方法[12]、采用更適合的齒輪修形方案[13]等。（5）表面織構(gòu)化技術(shù)。人們把仿生學(xué)應(yīng)用到摩擦學(xué)中，針對(duì)復(fù)雜工況下齒面摩擦磨損等問題，參考大自然中的減摩減阻現(xiàn)象，提出了在齒輪表面添加微結(jié)構(gòu)的思路。該技術(shù)目前多應(yīng)用于齒輪[14]、刀具[15]、活塞環(huán)-缸套[16]、密封裝置[17]、滑動(dòng)軸承[18]等領(lǐng)域，有效改善了工作表面的摩擦性能。

相比表面改性技術(shù)的較大加工應(yīng)力殘留、表面涂覆技術(shù)的較差耐磨性、改善齒輪整體材料的過高成本，表面織構(gòu)化技術(shù)因具有更好的耐磨性、更優(yōu)的潤滑性能以及能夠改善齒輪振幅與固有頻率的優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為研究的熱點(diǎn)。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)齒面織構(gòu)化技術(shù)進(jìn)行了深入研究，研究方向包括表面微結(jié)構(gòu)的制備方法，表面微結(jié)構(gòu)的形貌參數(shù)對(duì)織構(gòu)化齒輪的潤滑性能、摩擦學(xué)性能、動(dòng)力學(xué)性能等方面的影響。

1 齒面微結(jié)構(gòu)的制備方法

1.1 常規(guī)加工工藝生成齒面微結(jié)構(gòu)

首先，在齒輪的生產(chǎn)流程中，各道加工工藝不可避免地會(huì)在齒面留下痕跡，不同工藝下殘留的表面紋理對(duì)齒輪的性能影響不同。例如，在齒輪成型階段，磨齒和剃齒兩種加工工藝對(duì)齒輪的潤滑性能影響就各不相同[19]：當(dāng)控制齒面粗糙度增大時(shí)，由磨齒產(chǎn)生的具有橫向紋理的齒輪，其油膜厚度增大，而剃齒產(chǎn)生的具有縱向紋理的齒輪，其油膜厚度卻呈減小趨勢，并且剃齒齒輪的表面更易產(chǎn)生較大的應(yīng)力。因此，磨齒齒輪相對(duì)具有更好的性能。在表面光整階段，磨削、銑削和電化學(xué)光整加工三種工藝所產(chǎn)生的不同形貌的微結(jié)構(gòu)，對(duì)齒面法向接觸剛度和阻尼亦有較大影響[20]。研究結(jié)果表明：齒面法向接觸剛度和阻尼會(huì)隨著微結(jié)構(gòu)分形維數(shù)的增大而增大，隨著特征尺度的增大而減小；而與磨削和銑削加工相比，電化學(xué)光整加工后的齒面微觀形貌分形維數(shù)更大，特征尺度更小，從而使齒面法向接觸阻尼更大，降低了齒輪工作時(shí)的振動(dòng)幅度，提高了齒輪的傳動(dòng)穩(wěn)定性。

1.2 激光刻蝕法制備齒面微結(jié)構(gòu)

激光刻蝕法是通過將能量聚集在齒面需要加工的局部區(qū)域，使該區(qū)域的材料熔化、氣化，以達(dá)到所需效果的一種方法。激光刻蝕輔以夾持裝置、電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置和數(shù)控系統(tǒng)，最終完成在齒輪表面的微結(jié)構(gòu)制備，如圖1所示。激光刻蝕加工屬于常規(guī)齒輪加工工藝之后的二次加工，其刻蝕出的微結(jié)構(gòu)尺寸一般大于常規(guī)加工工藝留下的微結(jié)構(gòu)尺寸。隨著短波長和短脈寬激光的發(fā)展，激光刻蝕加工技術(shù)已經(jīng)成為制備表面微結(jié)構(gòu)的重要手段之一。

圖1 激光制備齒面微結(jié)構(gòu)

激光刻蝕法制備齒面微結(jié)構(gòu)時(shí)，首先需要設(shè)置科學(xué)的激光參數(shù)。明興祖等人[21-22]先后研究了飛秒脈沖激光、納秒脈沖激光加工20CrMnTi齒輪過程中的燒蝕特性。研究結(jié)果表明：當(dāng)齒面溫度達(dá)到材料氣化溫度時(shí)，材料去除率明顯提高，齒面粗糙度降低；隨著溫度的繼續(xù)升高，燒蝕坑深度逐漸增大，但燒蝕率會(huì)下降，這是因?yàn)闇囟鹊纳邿o法改變材料表面的物理性能；飛秒脈沖激光的最佳能量密度為7.64 J/cm2，加工時(shí)幾乎不會(huì)產(chǎn)生熱影響區(qū)，得到的織構(gòu)更加精細(xì)，但是其燒蝕作用只發(fā)生在材料表面，對(duì)材料內(nèi)部的影響并不明顯；納秒脈沖激光的最佳能量密度為0.067 J/cm2，它的燒蝕深度能夠達(dá)到幾十微米，能加工出的尺寸范圍更廣，但會(huì)產(chǎn)生許多毛刺。

通常，需要激光刻蝕的區(qū)域是輪齒易發(fā)生斷裂的齒根處和易發(fā)生齒面點(diǎn)蝕的齒輪節(jié)圓附近。呂尤[23]使用CT-200Ⅱ數(shù)控激光刻花機(jī)在齒輪表面進(jìn)行加工。他設(shè)置脈沖激光器定點(diǎn)打標(biāo)，并以數(shù)控機(jī)床控制齒輪的旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)，成功在輪齒節(jié)線附近區(qū)域刻蝕出網(wǎng)格狀微結(jié)構(gòu)；后續(xù)性能檢測表明，制備出的織構(gòu)化齒輪具有更長的使用壽命。張永勝[24]使用JG20-1激光表面毛化處理機(jī)，以電機(jī)控制齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，以指令控制激光束在指定區(qū)域內(nèi)掃描刻蝕出微溝槽結(jié)構(gòu)。經(jīng)激光共聚焦顯微鏡觀測，所加工出的微結(jié)構(gòu)符合預(yù)設(shè)要求。邵飛先[25]則使用了激光智能仿生再制造系統(tǒng)在齒輪材料表面制備出了凸包型微結(jié)構(gòu)。此系統(tǒng)的激光器由一個(gè)具有六個(gè)自由度的機(jī)械手控制，搭配控制系統(tǒng)能夠在工件上加工出三維立體的微結(jié)構(gòu)，并且具有極高的重復(fù)精度。Petare等人[26]在激光毛化刻蝕法的基礎(chǔ)上，輔以磨粒流光整加工，在原本的溝槽狀織構(gòu)上磨出了一層與之垂直的紋理，形成網(wǎng)狀紋理，同時(shí)也磨去了激光毛化處理時(shí)產(chǎn)生的毛刺，改善了齒面的微觀形貌，如圖2所示。后續(xù)性能檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，此方法較單一的激光刻蝕法，提升了齒面的抗接觸疲勞性能和抗磨損性能。激光毛化處理與磨料流光整加工兩者相輔相成，大大提高了齒輪的工作性能和使用壽命，降低了其工作時(shí)的噪聲和振動(dòng)。

圖2 激光毛化輔以磨料流光整加工

1.3 掩膜電解法制備齒面微結(jié)構(gòu)

電化學(xué)法是處于常溫狀態(tài)下的無機(jī)械切削力的加工手段，加工出的表面不會(huì)產(chǎn)生變形與毛刺，且適用于大批量加工，經(jīng)濟(jì)且快速。張騰飛[27]采用掩膜電解加工技術(shù)進(jìn)行齒面微溝槽的加工。他選擇負(fù)性光刻膠對(duì)齒面進(jìn)行涂覆，覆蓋上一層設(shè)計(jì)好形狀的掩膜板后置于紫外光下曝光，使一部分光刻膠發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)；曝光完成后，將齒輪浸于顯影劑中，發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)的部分被除去，即獲得所需的光刻膠圖案；電解時(shí)，以齒輪為陽極黃銅為陰極，NaCl、NaNO3等鹽溶液為電解液進(jìn)行電解，最后經(jīng)除膠處理得到齒面帶有微溝槽的齒輪工件，如圖3所示；后續(xù)分析了不同加工參數(shù)對(duì)齒面微結(jié)構(gòu)形貌的影響，證實(shí)了掩膜電解加工技術(shù)的可靠性。

綜上，經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：常規(guī)加工工藝留下的微結(jié)構(gòu)的尺度較小，對(duì)齒輪性能改善的能力較弱；激光刻蝕法能夠較為精準(zhǔn)地加工出一定尺寸的微結(jié)構(gòu)，但會(huì)留下殘余熱應(yīng)力，并有較大毛刺需要后續(xù)處理；掩膜電解法能夠一次性大批量地完成加工，更加經(jīng)濟(jì)快捷，但前期準(zhǔn)備較為麻煩，且無法精確控制微結(jié)構(gòu)的深度。

2 織構(gòu)化技術(shù)對(duì)齒輪性能的影響

2.1 微結(jié)構(gòu)對(duì)齒面潤滑性能的改善

圖3 模板電解制備齒面微結(jié)構(gòu)

齒面潤滑后，赫茲接觸面間易生成油膜，而高低起伏的微結(jié)構(gòu)則起到了干涉齒面潤滑油流動(dòng)形態(tài)的作用。微小的凹坑不僅能夠儲(chǔ)存余量的潤滑油以確保齒面間的接觸為固-液接觸，改善齒輪的潤滑效果，還能在高負(fù)載狀態(tài)下產(chǎn)生額外的液壓來承擔(dān)一部分載荷，提高了齒輪的壽命。徐彩紅等人[28]研究發(fā)現(xiàn)：在粗糙度較小的情況下（小于0.1μm），微織構(gòu)的存在反而會(huì)使齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的壓力、膜厚和溫升出現(xiàn)波動(dòng)，對(duì)潤滑不利；而隨著齒面粗糙度的適當(dāng)增加，潤滑性能不降反升。李榮榮等人[29]分析了粗糙度逐漸增大時(shí)橫、縱紋理對(duì)齒面潤滑性能的影響，結(jié)果表明：適當(dāng)提高齒面粗糙度時(shí)（大于0.5μm），橫向紋理對(duì)油膜厚度起增大作用，而縱向紋理對(duì)油膜厚度起減小作用。高創(chuàng)寬等人[19]在此基礎(chǔ)上研究了適當(dāng)提高表面粗糙度時(shí)，橫縱紋理對(duì)齒面應(yīng)力變化的影響，發(fā)現(xiàn)兩者均比光滑表面有更大的接觸應(yīng)力，但橫向紋理齒輪的表面接觸應(yīng)力更接近光滑齒輪。黃尚仁等人[30]研究了乏油條件下表面紋理參數(shù)和表面粗糙度對(duì)齒面油膜壽命的影響，同樣得出了表面粗糙度的適度增加可以延長油膜壽命的結(jié)論。所以，可以用其他方法在齒面加工出較大尺寸規(guī)整的微結(jié)構(gòu)來達(dá)到這一效果。何國旗等人[31]以激光打標(biāo)法在齒面加工出具有一定尺寸的微凹坑結(jié)構(gòu)，并分析了齒面油膜厚度的變化情況；研究結(jié)果表明，凹坑型微結(jié)構(gòu)在一定范圍內(nèi)能有效增加工作時(shí)齒面的油膜厚度。徐勁力等人[32]進(jìn)一步研究了空化效應(yīng)下齒面微結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)雙曲面齒輪油膜承載力的影響，結(jié)果表明：若不考慮齒輪工作時(shí)存在的空化效應(yīng)，最佳的表面形貌是截面為方形或梯形的結(jié)構(gòu)；若考慮空化效應(yīng)，則方坑型微結(jié)構(gòu)具有最大的油膜承載力，同時(shí)其齒面摩擦力也最小，能夠有效改善齒面的潤滑。肖洋軼等人[33]將織構(gòu)化技術(shù)和表面涂敷技術(shù)相結(jié)合，研究了表面微織構(gòu)涂層的形貌參數(shù)對(duì)系統(tǒng)彈流響應(yīng)的影響；研究結(jié)果表明，涂層基體的彈性模量差會(huì)影響齒面的應(yīng)力集中，但存在一個(gè)最優(yōu)的織構(gòu)深度、寬度和密度，使得鍍膜齒輪的潤滑性能達(dá)到最佳。

2.2 微結(jié)構(gòu)對(duì)齒輪摩擦磨損性能的改善

在齒面構(gòu)筑了微結(jié)構(gòu)后，齒輪得到了更好的潤滑，摩擦學(xué)性能隨之提升。湯麗萍等人[34]對(duì)比了激光凹坑織構(gòu)（半徑68μm、深度1.5μm）、Magg交叉紋理（寬度32μm、深度0.35μm）、普通磨削紋理（寬度64μm、深度0.7μm）的摩擦磨損性能，結(jié)果為激光凹坑織構(gòu)最優(yōu)。這也證實(shí)了適當(dāng)提高齒面粗糙度能夠提升齒輪的摩擦性能。Greco等人[35]單獨(dú)研究了激光凹坑織構(gòu)（直徑85μm、深度7.4μm）對(duì)齒面抗磨損性能的影響，結(jié)果表明：紋理化試件的刮傷臨界載荷比無紋理試件增加了183%，但在高載荷下齒輪的磨損率略有增加，而齒尖、齒根處所受載荷低于齒輪節(jié)線處，且出現(xiàn)的失效形式多為擦傷，故適用此微結(jié)構(gòu)。該研究為了盡快得到齒輪刮傷的臨界載荷，所加載荷較大（200~1 000 N）。與之相比，Choi等人[36]則在較低載荷下（2~10 N）測試了齒面凹坑微結(jié)構(gòu)密度對(duì)其摩擦學(xué)性能的影響，測試結(jié)果表明：隨著微結(jié)構(gòu)密度的增大，表面摩擦系數(shù)先減小后增大，最佳密度為12.5%；隨著載荷的增大，表面摩擦系數(shù)逐漸減小。而在齒輪常見載荷下（50~500 N），邵飛先[25]研究了乏油條件下凸包型、微圓坑型、微方坑型耦合仿生微結(jié)構(gòu)的摩擦學(xué)性能，研究結(jié)果表明：具有一定深度的圓坑型微結(jié)構(gòu)具有更好的減磨減阻效果，在載荷為50~100 N時(shí)，其摩擦系數(shù)隨著載荷的增加會(huì)不斷減小；隨著載荷的繼續(xù)增大，表面形貌就會(huì)被破壞，摩擦系數(shù)隨著載荷的增加而增加。上述研究表明，在不同載荷下，表面具有一定尺寸微結(jié)構(gòu)的齒輪有更好的摩擦學(xué)性能。但由于他們試驗(yàn)時(shí)摩擦面間的接觸方式與齒面間實(shí)際接觸方式不同，故試驗(yàn)方案仍需改進(jìn)。

根據(jù)赫茲接觸理論，可以得出齒輪嚙合時(shí)是面接觸而非線接觸[37]，由此我們可以通過赫茲接觸公式計(jì)算出齒輪嚙合面間的赫茲接觸壓力P，以此來對(duì)比不同接觸情況下嚙合點(diǎn)處所受壓力的情況，見式（1）：

式中：F為所受載荷，b為接觸區(qū)域長度，ρ1、ρ2分別為兩齒輪嚙合點(diǎn)處的曲率半徑，μ1、μ2、E1、E2分別為兩齒輪的泊松比和彈性模量。

為了與實(shí)際情況相貼合，姜莉莉等人[38]選擇了環(huán)-塊線接觸式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)來模擬齒輪嚙合時(shí)的接觸方式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：面密度20%、深徑比0.075的凹坑結(jié)構(gòu)綜合性能最優(yōu)，且最佳形貌在高速輕載時(shí)可發(fā)揮出最佳的減摩耐磨性能；過大的面密度與深徑比反而會(huì)降低齒輪的減摩減阻性能。為了方便比較，使用公式（1）將其所受力的大小轉(zhuǎn)換為赫茲接觸壓力，制得圖4、圖5。此方法較好地模擬了齒輪嚙合時(shí)的接觸方式，但缺陷是實(shí)驗(yàn)中的摩擦形式為單一的滑動(dòng)摩擦，忽略了齒輪嚙合時(shí)滾動(dòng)摩擦的存在。Li等人[39]彌補(bǔ)了這一問題。他們采用了雙盤對(duì)滾摩擦實(shí)驗(yàn)，通過控制兩圓盤的轉(zhuǎn)速，來達(dá)到控制摩擦面間滾滑比（SR）的效果。以面密度9%、深徑比0.04的微結(jié)構(gòu)為例，試驗(yàn)結(jié)果如圖6、圖7所示：在SR為5%時(shí)，齒面摩擦系數(shù)會(huì)隨著載荷的增加而降低，隨著表面卷吸速度的增加而增加；但在SR為25%時(shí)，齒面摩擦系數(shù)在高載荷下表現(xiàn)為隨著表面卷吸速度的增加反而降低。由此看來，在研究微結(jié)構(gòu)齒面摩擦學(xué)性能的變化規(guī)律時(shí)，齒面間的滾滑比不可忽視。

朱佩元等人[40]同樣選擇了圓柱滾子對(duì)滾實(shí)驗(yàn)研究了凹槽形微結(jié)構(gòu)的減摩耐磨性能，得到的最佳形貌為深10~40μm、寬140~170μm。呼詠等人[41]則發(fā)現(xiàn)，激光制備仿生溝槽微結(jié)構(gòu)時(shí)，在凹槽邊緣留下的較大殘余壓應(yīng)力能夠中和一部分有害應(yīng)力，也起到了提高齒輪耐磨性能的作用。

2.3 微結(jié)構(gòu)對(duì)齒輪動(dòng)力學(xué)性能的影響

圖4 赫茲接觸壓力對(duì)滑動(dòng)摩擦系數(shù)的影響

圖5 卷吸速度對(duì)滑動(dòng)摩擦系數(shù)的影響

圖6 不同滾滑比下赫茲接觸壓力對(duì)摩擦系數(shù)的影響

構(gòu)筑微結(jié)構(gòu)屬于減材制造，由于改變了齒輪的外觀，所以微結(jié)構(gòu)對(duì)齒輪動(dòng)力學(xué)性能的影響也不可忽視。崔有正等人[42]對(duì)織構(gòu)化齒輪進(jìn)行了模態(tài)分析，結(jié)果顯示：在齒輪節(jié)圓附近引入仿生球形凹坑表面形態(tài)后，其各階最大振幅均有減小，在節(jié)圓處的振幅減小幅度最大；且織構(gòu)化齒輪的前10階固有頻率更小，范圍更集中，不易與其他部件產(chǎn)生共振，如圖8、圖9所示。Gupta等人[43]測試了齒輪工作時(shí)的振動(dòng)情況，考慮到齒輪嚙合時(shí)表面同時(shí)存在滾動(dòng)摩擦與滑動(dòng)摩擦，且各個(gè)部位的摩擦形式不同，故在齒面的不同部位加工出不同大小的微坑以對(duì)應(yīng)其不同的滾滑比，并對(duì)比了不同載荷和不同節(jié)距線速度下齒輪副的振動(dòng)特性等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，齒面間赫茲接觸壓力為0.4 GPa時(shí)，齒面振幅在4 m/s和8 m/s的節(jié)線速度下分別降低了40%和51%，效果令人滿意。這是由于微結(jié)構(gòu)的存在改善了潤滑情況，減小了齒面間的摩擦系數(shù)，增加了阻尼，從而使齒輪振幅減小，提高了齒輪的傳動(dòng)平穩(wěn)性。

圖7 不同滾滑比下卷吸速度對(duì)摩擦系數(shù)的影響

圖8 普通齒輪與仿生齒輪的前10階最大振幅

圖9 普通齒輪與仿生齒輪前10階固有頻率變化曲線

何國旗等人[44]從嚙合力和傳動(dòng)精度兩個(gè)方面研究了微結(jié)構(gòu)對(duì)面齒輪傳動(dòng)性能的影響。他們選取了圓形、三角形、正方形三種凹坑形貌面齒輪與常規(guī)面齒輪進(jìn)行了對(duì)比，研究結(jié)果表明，微結(jié)構(gòu)的存在會(huì)使齒面接觸面積減小，故而嚙合力均大于光滑齒輪，進(jìn)而使得織構(gòu)化面齒輪的傳動(dòng)誤差也更大一些。三種形貌中，圓形凹坑形貌的面齒輪傳動(dòng)平穩(wěn)性最接近光滑齒輪，在后續(xù)研究中確定了對(duì)面齒輪傳動(dòng)誤差影響最小的圓形凹坑直徑為300μm[45]，優(yōu)化了微結(jié)構(gòu)面齒輪的傳動(dòng)精度。

除此之外，微結(jié)構(gòu)在齒輪根部也能發(fā)揮出令人滿意的抗彎曲疲勞作用。韓志武等人[46]使用激光在齒根處刻蝕出網(wǎng)狀微結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了雙齒脈動(dòng)載荷的彎曲疲勞試驗(yàn)。研究結(jié)果表明，微結(jié)構(gòu)可以有效阻止齒根處疲勞裂紋的蔓延，大大改善了齒輪的抗彎曲疲勞性能。

3 齒面微結(jié)構(gòu)的性能改善機(jī)理分析

3.1 改善潤滑情況

在齒輪工作中，添加潤滑劑能夠?qū)X輪嚙合時(shí)原本的固-固接觸轉(zhuǎn)化為固-液接觸，從而降低磨損率。但若加量過多，齒面則有可能被潤滑劑里的化學(xué)物質(zhì)腐蝕。潤滑劑會(huì)隨著時(shí)間的推移逐漸耗盡，若得不到補(bǔ)充，齒輪會(huì)進(jìn)入乏油潤滑狀態(tài)，極易引起齒輪失效。而在齒輪表面構(gòu)建微結(jié)構(gòu)，則可以有效地改善這一問題：（1）在乏油狀態(tài)下，這些微結(jié)構(gòu)可以起到儲(chǔ)存少量潤滑油的作用，不斷地補(bǔ)充潤滑油，幫助齒面上形成油膜，防止嚙合處出現(xiàn)固-固接觸現(xiàn)象。（2）在富油條件下，微結(jié)構(gòu)中儲(chǔ)存的潤滑油會(huì)產(chǎn)生附加的流體動(dòng)壓力，引起動(dòng)壓潤滑效應(yīng)，每一個(gè)微坑中儲(chǔ)存的潤滑油都相當(dāng)于一個(gè)微小的流體動(dòng)壓潤滑軸承，承載了一部分外部壓力，如圖10所示。（3）齒面微結(jié)構(gòu)會(huì)破壞流體的邊界層，使邊界層內(nèi)的粘性流動(dòng)部分與邊界層分離，相當(dāng)于減小了潤滑油與齒面間的摩擦力；且在高溫高壓下，齒面微結(jié)構(gòu)中易發(fā)生空化效應(yīng)，破壞流體流動(dòng)的穩(wěn)定性，從而降低了固液間的摩擦力。

圖10 微結(jié)構(gòu)齒面潤滑油的流動(dòng)狀態(tài)

3.2 減輕磨粒磨損

齒面上加工出的微結(jié)構(gòu)凹槽能夠收納一部分生產(chǎn)過程中掉落到齒面上的廢屑，減小出現(xiàn)劃痕的概率。剩余未能收納進(jìn)微結(jié)構(gòu)凹槽中的廢屑，也會(huì)被高低錯(cuò)落的微結(jié)構(gòu)磨圓棱角，在一定程度上減輕了磨損。

3.3 阻斷裂紋擴(kuò)展

齒輪內(nèi)表層處會(huì)因?yàn)閼?yīng)力的積累而產(chǎn)生裂紋，進(jìn)而發(fā)生齒面點(diǎn)蝕；齒根處會(huì)因受到較大的彎曲應(yīng)力而萌生裂紋，最終導(dǎo)致輪齒折斷。這部分累積應(yīng)力的深度大都低于微結(jié)構(gòu)的深度，在初始裂紋產(chǎn)生后，由于微結(jié)構(gòu)的阻擋，裂紋大都無法繼續(xù)擴(kuò)展，少部分繼續(xù)擴(kuò)展的裂紋也無法產(chǎn)生大范圍的破壞。同時(shí)，齒面微結(jié)構(gòu)的制造過程也會(huì)在基體上殘留大量的殘余應(yīng)力，如激光加工微結(jié)構(gòu)時(shí)殘余的熱應(yīng)力，磨削時(shí)產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力等，這些殘余應(yīng)力都能中和大部分工作時(shí)累積的應(yīng)力，從根源上減少了裂紋的產(chǎn)生，提高了齒輪的疲勞壽命。

3.4 加速溫度耗散

高低錯(cuò)落的齒面微結(jié)構(gòu)擴(kuò)大了齒面的整體面積，加快散熱速度；減小了齒輪嚙合時(shí)的接觸面積，提高了齒輪與空氣之間傳遞熱量的效率，故而延緩了齒面溫升速度，更利于形成油膜，減小了出現(xiàn)齒面膠合的概率。

3.5 改變固有頻率

在齒面構(gòu)筑微結(jié)構(gòu)一般屬于減材制造，客觀上改變了齒輪的形貌，故其前10階固有頻率和最大振幅也會(huì)隨之變化。經(jīng)計(jì)算，微結(jié)構(gòu)齒輪前10階固有頻率的范圍更小，最大振幅也更小。

4 總結(jié)與展望

國內(nèi)外有關(guān)學(xué)者的研究表明：在齒輪表面構(gòu)筑微結(jié)構(gòu)可以改善齒面潤滑情況，減輕磨粒磨損，阻斷齒輪內(nèi)部裂紋擴(kuò)展，減緩齒面溫升速度，改變齒輪固有頻率；齒面微結(jié)構(gòu)的密度與深徑比對(duì)齒輪性能有較大影響；齒面間接觸壓力、卷吸速度和滾滑比的變化也會(huì)引起齒輪性能的變化；光柵型、網(wǎng)格型微結(jié)構(gòu)多加工在齒根處，可以更好地改善輪齒的抗彎曲疲勞性能。綜上所述，齒輪織構(gòu)化技術(shù)具有巨大的潛力，但同時(shí)也有更多相關(guān)問題值得繼續(xù)探索。

（1）從微結(jié)構(gòu)形貌選擇方面。目前，面密度、深徑比、深寬比已被證實(shí)對(duì)微結(jié)構(gòu)性能有較大影響，但對(duì)微溝槽的傾斜程度、排列方式，微坑內(nèi)壁的曲率半徑、底部的參數(shù)均未有實(shí)際探索。且受限于加工手段，加工出的微結(jié)構(gòu)多為微圓坑形和微溝槽形，對(duì)于方坑、菱形坑等其他幾何形狀僅局限于模擬仿真階段，缺乏對(duì)其實(shí)物的性能研究。

（2）從微結(jié)構(gòu)位置選擇方面。目前，微結(jié)構(gòu)的形貌基本為連續(xù)相同的結(jié)構(gòu)構(gòu)成，但由于齒輪嚙合時(shí)，嚙合處的赫茲接觸壓力、卷吸速度和滾滑比都是隨著嚙合位置的變化而變化的，所以齒面不同位置處的最佳微結(jié)構(gòu)形貌并不相同，后續(xù)研究需要重點(diǎn)考慮此變化。

（3）從微結(jié)構(gòu)齒輪的性能檢測方面。微結(jié)構(gòu)改善齒輪表面諸多性能的同時(shí)，也破壞了齒輪表面的精度，且接觸應(yīng)力不可避免地變大，所以抗沖擊性、減噪能力等其他性能也有檢測的必要。同時(shí)，隨著齒面間溫度與載荷的增加，潤滑油的性質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生變化，高溫高壓可能使?jié)櫥筒糠謿饣?，引起空化效?yīng)。目前缺少對(duì)微結(jié)構(gòu)齒輪極端工況下的更多工作性能測試。

（4）從微結(jié)構(gòu)齒輪的生產(chǎn)方法方面。在齒輪表面添加微結(jié)構(gòu)只是齒面減摩的一種方法，多種方法的復(fù)合使用是一種新的方向，如激光毛化輔以磨料流光加工法、微結(jié)構(gòu)-涂層復(fù)合法等，后續(xù)值得探究各種減摩方法之間的相互影響?，F(xiàn)有的齒輪表面微結(jié)構(gòu)加工工藝大多僅實(shí)驗(yàn)室可用，不適用于工業(yè)化流水線生產(chǎn)，需要繼續(xù)優(yōu)化。