姚 燦

(海軍裝備部駐武漢地區(qū)軍事代表局駐長(zhǎng)沙地區(qū)軍事代表室，湖南 株洲 412002)

0 引言

面齒輪傳動(dòng)是圓柱齒輪與平面齒輪嚙合的角度傳動(dòng)，可用于兩齒輪軸線正交、非正交或偏置等不同傳動(dòng)方式，如圖1所示[1]。目前的角度傳動(dòng)主要是采用錐齒輪，然而錐齒輪傳動(dòng)需要根據(jù)齒面接觸區(qū)的情況精確調(diào)整錐齒輪的位置，尤其是弧齒錐齒輪，對(duì)安裝精度的要求非常嚴(yán)格，調(diào)試十分費(fèi)時(shí)費(fèi)力。面齒輪相對(duì)于錐齒輪的最大優(yōu)點(diǎn)在于與其嚙合的主動(dòng)圓柱齒輪軸向位置安裝精度要求低，不需要對(duì)主動(dòng)齒輪進(jìn)行精確的定位。這在傳動(dòng)精度要求較高時(shí)是非常有利的，特別是在航空輕型傳動(dòng)中，雖然輕薄的齒輪箱殼體產(chǎn)生的較大的變形會(huì)而起小齒輪的移位，但對(duì)面齒輪齒面接觸區(qū)的影響并不大。另外，相對(duì)于錐齒輪傳動(dòng)來(lái)講，面齒輪傳動(dòng)還具有以下優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)渭?jí)傳動(dòng)比大，可達(dá)到20：1；軸交角可以自由選擇；采用直齒圓柱輪的主動(dòng)齒輪沒(méi)有軸向力，可以減輕軸承負(fù)荷；結(jié)構(gòu)緊湊，可減輕齒輪箱的重量；面齒輪功率分流傳動(dòng)應(yīng)用在航空動(dòng)力傳輸系統(tǒng)中，可以簡(jiǎn)化動(dòng)力傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高可靠性，獲得高功率密度。

1 面齒輪傳動(dòng)技術(shù)研究進(jìn)展

面齒輪傳動(dòng)較早見(jiàn)于Earl Bucking-ham的著作《Analytical Mechanics of Gears》，在該文獻(xiàn)中對(duì)面齒輪機(jī)構(gòu)作了簡(jiǎn)單的幾何描述，對(duì)面齒輪齒形與承載能力做了近似計(jì)算[2]。此后40年對(duì)面齒輪傳動(dòng)的理論研究一直沒(méi)有展開(kāi)，僅有少量關(guān)于面齒輪的研究文獻(xiàn)出現(xiàn)。人們長(zhǎng)期以來(lái)一直認(rèn)為面齒輪傳動(dòng)只能應(yīng)用于低速、輕載的場(chǎng)合，直到20世紀(jì)90年代初，由于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造技術(shù)發(fā)展的促進(jìn)作用，面齒輪傳動(dòng)在直升機(jī)分流/匯流傳動(dòng)中得到了成功的應(yīng)用，其獨(dú)特的分流特性才引起世人的關(guān)注。至此，世界各國(guó)尤其是北美和西歐等先進(jìn)工業(yè)國(guó)家逐步加大了面齒輪傳動(dòng)的研究力度，并先后進(jìn)行了面齒輪嚙合理論和面齒輪加工等方面的研究.

1.1 面齒輪理論研究

美國(guó)Litvin教授對(duì)面齒輪傳動(dòng)的嚙合作了深入研究：根據(jù)幾何學(xué)嚙合原理解決了根切和齒頂變尖的計(jì)算問(wèn)題，由接觸區(qū)域的局部綜合理論發(fā)展了點(diǎn)接觸面齒輪，這兩方面在后來(lái)的研究中得到了進(jìn)一步的發(fā)展；分析了由漸開(kāi)線圓柱插刀展成面齒輪時(shí)齒面的結(jié)構(gòu)問(wèn)題；研究了裝配誤差對(duì)接觸路徑和傳動(dòng)誤差的影響情況；對(duì)兩齒面嚙合接觸進(jìn)行了幾何仿真分析TCA(Tooth Contact Analysis)；應(yīng)用有限元和承載接觸分析LTCA(Loaded Tooth Contact Analysis)技術(shù)對(duì)輪齒強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算[3-7]，如圖2所示。

Michele GuingaIId和Litvin等人也對(duì)面齒輪的各種嚙合情況進(jìn)行了初步的應(yīng)力和扭力分析[8]，考慮了直齒和斜齒面齒輪傳動(dòng)裝置不同軸交角和交錯(cuò)角、各種加工誤差和安裝誤差的情況；編寫(xiě)了面齒輪瞬間嚙合仿真程序，得到一種快速計(jì)算載荷分配的方法，包括彎曲應(yīng)力和接觸應(yīng)力。

圖2 面齒輪理論研究

1992年，美國(guó)陸軍航空系統(tǒng)司令部的R.Handschuh等對(duì)面齒輪傳動(dòng)應(yīng)用于高速(19100r/min)、重載(271kW)的可行性進(jìn)行了1：2縮比試驗(yàn)研究。隨后，Litvin等和麥道直升機(jī)公司[9]對(duì)面齒輪傳動(dòng)的輪齒極限半徑、邊緣接觸、重合度、傳動(dòng)誤差和分扭傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的研究，得出了一種避免邊緣接觸的方案。

在Litvin等人對(duì)面齒輪傳動(dòng)幾何設(shè)計(jì)研究的基礎(chǔ)上，R.Handschuh等人開(kāi)展了面齒輪應(yīng)用于高速重載的可行性試驗(yàn)[10]。試驗(yàn)分兩部分，第一部分由某機(jī)構(gòu)主導(dǎo)，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為19000r/min，功率分別為135kW和270kW(為實(shí)際使用的1/8和1/4)，試驗(yàn)件尺寸是實(shí)際結(jié)構(gòu)的1/2，共用了4對(duì)齒輪試驗(yàn)(其中兩對(duì)是陪試)，如圖3所示。試驗(yàn)齒輪的齒面接觸情況良好，接觸分布在整個(gè)齒面上，而陪試齒輪的齒面中部有一定程度的點(diǎn)蝕出現(xiàn)。第二部分試驗(yàn)是在Lucas Western進(jìn)行的，主要進(jìn)行了功率分流的精度和動(dòng)力學(xué)方面的試驗(yàn)。試驗(yàn)表明轉(zhuǎn)速在第一階固有頻率附近工作時(shí)，并沒(méi)有出現(xiàn)共振現(xiàn)象，也即兩面齒輪與圓柱齒輪的浮動(dòng)能有效地抑制共振發(fā)生。這些試驗(yàn)都取得了初步成功，證明了面齒輪傳動(dòng)用于高速大功率傳動(dòng)是可行的，且動(dòng)力學(xué)性能和功率分流的精度都相當(dāng)出色。

1.2 面齒輪加工研究

Litvin最先發(fā)明了磨削面齒輪的蝸桿砂輪[4,11]，并獲得了美國(guó)專(zhuān)利。基于蝸桿砂輪、插齒刀產(chǎn)形齒輪和面齒輪三者同時(shí)嚙合的原理來(lái)修整砂輪，采用了兩種修整工具。其一是采用盤(pán)狀平面式修整工具修整砂輪，如圖4(a)所示；另外一種是采用與齒輪刀具的母面互補(bǔ)的實(shí)體作為修整工具，如圖4(b)所示。這種方法的局限性在于蝸桿曲面受奇異性影響，砂輪直徑和寬度受到限制，而且模擬的齒輪螺旋角不宜過(guò)大。

圖3 NASA主導(dǎo)的面齒輪傳動(dòng)試驗(yàn)

圖4 蝸桿砂輪磨齒及蝸桿砂輪修整方法示意圖

Augustinus F. H.等人發(fā)明了一種磨齒加工方法[12]，其獨(dú)特之處在于所使用的砂輪修整工具形狀為面齒輪的幾個(gè)輪齒，材料為金剛石，如圖5所示。修整工具安裝在磨齒機(jī)的工件主軸上與蝸桿砂輪做展成運(yùn)動(dòng)后砂輪就具有了正確的齒面，再用砂輪磨削待加工的面齒輪。該方法中砂輪修整工具不需要單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，缺點(diǎn)是需要經(jīng)常拆卸修整工具和工件。目前這種方法和技術(shù)沒(méi)有得到工程應(yīng)用和推廣。

圖5 齒輪式修整器方法

Litvin在該機(jī)構(gòu)報(bào)告中提出了分度展成磨削方法[5]，如圖6所示。原理是利用漸開(kāi)線碟形砂輪模擬圓柱齒輪的一個(gè)輪齒，與面齒輪做相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)從而模擬了小輪與面齒輪的嚙合，完成展成運(yùn)動(dòng)。這種方法原理簡(jiǎn)單且容易實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是需要砂輪在面齒輪齒寬方向上進(jìn)給，因此加工效率較低，同時(shí)該方法不易控制齒距精度。

圖6 漸開(kāi)線碟形砂輪磨削面齒輪方法

格里森公司的工程師Hermann提出了一種新的CONIFACE方法[13]，如圖7所示。它是利用帶傾角內(nèi)凹漸開(kāi)線截形的盤(pán)形砂輪展成磨削面齒輪，特點(diǎn)是不需要在齒寬方向進(jìn)給，因而效率較高。但由于存在局部干涉，因而只能得到近似的齒面形狀，需要進(jìn)行復(fù)雜的參數(shù)調(diào)整以得到良好的嚙合印痕，另外齒距精度也不易控制。

圖7 CONIFACE面齒輪磨削方法與設(shè)備

通過(guò)多年的研究和積累，美國(guó)UIC、Boeing，加拿大North-Star等公司研制出了8～9軸高精度面齒輪蝸桿砂輪磨齒機(jī)床[14](見(jiàn)圖8)，能夠磨削不同錐角、尺寸范圍較大、滿足航空使用要求的面齒輪，目前已生產(chǎn)出精度達(dá)AGMA12級(jí)的面齒輪，面齒輪的外半徑尺寸從200mm到500mm。

圖8 Northstar公司的面齒輪磨齒機(jī)

2 面齒輪在直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究與進(jìn)展

面齒輪傳動(dòng)逐漸成為航空領(lǐng)域較先進(jìn)的傳動(dòng)方式，目前除美國(guó)軍方與NASA外，該技術(shù)還為少數(shù)單位與公司所掌握，如University of Illinois at Chicago、Northstar Aerospace Inc、格里森公司等。美國(guó)NASA經(jīng)過(guò)多年的試驗(yàn)研究，已將面齒輪副應(yīng)用在直升機(jī)主減速器分流—匯流傳動(dòng)中，并發(fā)揮了獨(dú)特的優(yōu)越性，在航空領(lǐng)域的應(yīng)用中表現(xiàn)出了相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。

1992年，道格拉斯直升機(jī)公司、伊利諾伊大學(xué)等參加美國(guó)軍方與NASA聯(lián)合進(jìn)行的ART(the Advanced Rotorcraft Transmission)計(jì)劃，對(duì)高速重載下的面齒輪傳動(dòng)進(jìn)行了研究，并設(shè)計(jì)了使用面齒輪傳動(dòng)的新型航空動(dòng)力傳動(dòng)裝置的分流傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，如圖9所示。一個(gè)漸開(kāi)線圓柱齒輪作為主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)上下兩個(gè)面齒輪，分流傳輸發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力，然后通過(guò)圓柱齒輪合并動(dòng)力傳輸，這樣的分流結(jié)構(gòu)對(duì)稱配置于中央大齒輪的兩側(cè)，合并傳輸雙發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力。相比于當(dāng)時(shí)傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案，該方案重量減輕約40%，并節(jié)省了大量空間[15]。

圖9 ART計(jì)劃的面齒輪分扭傳動(dòng)

1998年，一種比ART設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)約先進(jìn)的分流傳動(dòng)裝置由TRP(the DARPA Technology Reinvestment Program)計(jì)劃研制成功，該裝置如圖10所示。兩個(gè)輸入動(dòng)力的圓柱齒輪與兩個(gè)惰輪(Idler spur gear)分別對(duì)稱布置，動(dòng)力由主動(dòng)小圓柱齒輪分流給上下兩個(gè)面齒輪，惰輪把下部面齒輪分流的動(dòng)力合并傳輸給上部的面齒輪。該設(shè)計(jì)與應(yīng)用當(dāng)代先進(jìn)設(shè)計(jì)方法的傳統(tǒng)構(gòu)型相比，重量減輕約25%[16]。

以上兩個(gè)面齒輪分流傳動(dòng)成功應(yīng)用的范例，顯示了面齒輪傳動(dòng)在直升機(jī)乃至其它機(jī)械動(dòng)力傳動(dòng)中潛在的優(yōu)勢(shì)。

進(jìn)入21世紀(jì)后，美國(guó)推動(dòng)RDS-21計(jì)劃，繼續(xù)開(kāi)展面齒輪分扭傳動(dòng)技術(shù)研究。參與公司包括波音和西科斯基，主要對(duì)面齒輪功率分流傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)和均載進(jìn)行研究。研究的直接目的是對(duì)AH-64進(jìn)行改進(jìn)。其主要研究方向涵蓋了面齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度、傳動(dòng)比的適合范圍以及5100馬力的面齒輪分扭傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。研究成果用于“阿帕奇”最新改進(jìn)型AH-64E。如圖11所示，改進(jìn)設(shè)計(jì)后的主減速器由三級(jí)變?yōu)閮杉?jí)(不含頭部減速器)，體積和重量皆明顯減小。根據(jù)波音公司公布的資料可知，應(yīng)用面齒輪功率分流傳動(dòng)技術(shù)的AH-64E直升機(jī)已于2009年11月23日試飛成功。

圖10 TRP計(jì)劃中的面齒輪分流傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

圖11 “阿帕奇”AH-64E主減速器結(jié)構(gòu)

1998年2月，歐洲五國(guó)聯(lián)合開(kāi)始了題為“面向航空航天傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用的面齒輪傳動(dòng)(FACET)研究計(jì)劃”。該計(jì)劃的目標(biāo)是研究面齒輪代替錐齒輪在航空飛機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用，共有英國(guó)、意大利、法國(guó)、德國(guó)以及瑞士的相關(guān)的七家公司或高校及研究所參加研究，由韋斯特蘭直升機(jī)公司(GKN)牽頭協(xié)調(diào)。

3 面齒輪在航空領(lǐng)域的應(yīng)用前景及其面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

3.1 面齒輪在航空領(lǐng)域的應(yīng)用前景

相比螺旋錐齒輪傳動(dòng)，面齒輪對(duì)安裝誤差不敏感，在一個(gè)圓柱齒輪與兩個(gè)面齒輪嚙合傳動(dòng)中具有安裝與調(diào)整簡(jiǎn)單、誤差敏感性弱等優(yōu)勢(shì)，因此在共軸對(duì)轉(zhuǎn)傳動(dòng)、功率分流傳動(dòng)等航空動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中具有良好的應(yīng)用前景。

1)在共軸對(duì)轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，采用上、下面齒輪和圓柱齒輪換向惰輪的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)內(nèi)、外輸出軸共軸對(duì)轉(zhuǎn)，如圖12所示。該傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零件數(shù)量少，重量輕，圓柱齒輪無(wú)軸向力，支撐與安裝簡(jiǎn)便，相比復(fù)合行星對(duì)轉(zhuǎn)傳動(dòng)和螺旋錐齒輪對(duì)轉(zhuǎn)傳動(dòng)，具有重量、可靠性等方面的優(yōu)勢(shì)。

2)在功率分流傳動(dòng)中，采用面齒輪同軸分扭或面齒輪分扭-圓柱齒輪并車(chē)的結(jié)構(gòu)，分別如圖13和圖14所示。相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可明顯減少并車(chē)齒輪的徑向尺寸，并利用面齒輪傳動(dòng)較大的傳動(dòng)比，減小高速級(jí)的扭矩，減輕重量，在大功率傳動(dòng)中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

圖12 面齒輪共軸對(duì)轉(zhuǎn)傳動(dòng)

圖13 面齒輪同軸分扭傳動(dòng)

圖14 面齒輪分扭-圓柱齒輪并車(chē)傳動(dòng)

3.2 我國(guó)面齒輪傳動(dòng)應(yīng)用中面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

國(guó)內(nèi)針對(duì)面齒輪傳動(dòng)技術(shù)的研究起步于20世紀(jì)90年代。南京航空航天大學(xué)、中南大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等高校的研究人員針對(duì)面齒輪的齒面生成、強(qiáng)度分析、輪齒接觸分析、振動(dòng)特性分析以及面齒輪輪齒成形方法等開(kāi)展了持續(xù)性的研究，促進(jìn)了國(guó)內(nèi)面齒輪傳動(dòng)理論的快速發(fā)展，但欲實(shí)現(xiàn)面齒輪在傳動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用仍面臨著諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。

3.2.1 新齒形面齒輪傳動(dòng)的齒形設(shè)計(jì)方法

國(guó)內(nèi)在正交直齒面齒輪傳動(dòng)方面已有一定的研究基礎(chǔ)，但在非正交斜齒面齒輪傳動(dòng)方面的認(rèn)識(shí)離工程應(yīng)用仍有一定的距離。目前國(guó)外AH-64E上應(yīng)用的非正交小錐角斜齒/直齒面齒輪(如圖15)相比正交直齒面齒輪，具有承載能力更高、節(jié)點(diǎn)適應(yīng)能力更強(qiáng)的特點(diǎn)。

圖15 非正交小錐角斜齒面齒輪傳動(dòng)

3.2.2 面齒輪傳動(dòng)的接觸分析方法

國(guó)內(nèi)在直齒面齒輪接觸分析方面開(kāi)展了一定的理論研究，但尚難以反映航空面齒輪真實(shí)的工作環(huán)境，亦缺乏足夠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)；需考慮柔性支撐環(huán)境、軸向安裝誤差、系統(tǒng)綜合變形等因素的影響，形成面齒輪接觸印痕設(shè)計(jì)的理論方法和軟件模塊，為載荷多變工況下航空面齒輪傳動(dòng)提供分析工具。

3.2.3 面齒輪高精度磨齒加工方法及檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)內(nèi)雖在面齒輪加工理論方面取得了一定進(jìn)展，但加工精度和加工效率尚不能滿足產(chǎn)品需要。國(guó)外已在直升機(jī)上應(yīng)用的面齒輪采用帶小錐角的非正交斜齒面齒輪傳動(dòng)和小軸交角面齒輪傳動(dòng)，國(guó)內(nèi)尚不具備加工能力。因此需繼續(xù)開(kāi)展新齒形加工和高精度磨齒研究，制定相應(yīng)的檢測(cè)與精度評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.4 面齒輪功率分流傳動(dòng)系統(tǒng)的均載設(shè)計(jì)

面齒輪最大的優(yōu)勢(shì)是配合分流傳動(dòng)結(jié)構(gòu)在大功率航空動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用。因此，需研究面齒輪功率分流復(fù)雜傳動(dòng)系統(tǒng)的建模理論與分析方法，建立面齒輪分流傳動(dòng)系統(tǒng)的功率閉環(huán)變形協(xié)調(diào)條件，包括各種誤差、結(jié)構(gòu)參數(shù)等的作用，形成面齒輪功率分支傳動(dòng)系統(tǒng)及均載機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論與方法，為其在直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中的工程應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)。

4 結(jié)論

國(guó)外通過(guò)對(duì)面齒輪傳動(dòng)技術(shù)多年的深入研究，目前已逐步在航空傳動(dòng)系統(tǒng)中進(jìn)行工程應(yīng)用。鑒于面齒輪在航空傳動(dòng)系統(tǒng)中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和巨大應(yīng)用前景，近年來(lái)國(guó)內(nèi)明顯加大了對(duì)面齒輪及其功率分流傳動(dòng)技術(shù)的研究力度，以求有所突破。但我國(guó)面齒輪傳動(dòng)技術(shù)的工程應(yīng)用仍存在諸多的技術(shù)問(wèn)題亟待解決，主要表現(xiàn)在面齒輪新齒形設(shè)計(jì)、接觸分析方法、齒面高精度加工方法、面齒輪功率分流傳動(dòng)的均載設(shè)計(jì)方法等。