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計算機技術已經觸及瞭我們生活的所有領域，從獲取機票、購買商品到接受醫療咨詢等。這一變化同樣對制造業産生瞭巨大影響 ，加工技術的改進導緻産品質量不斷提高，價格持續下降。然而在齒輪制造業，螺旋錐齒輪的輪齒接觸區檢測這一關鍵工序相對而言卻變化很小 。
開發一個新産(chǎn)品的螺旋錐齒輪副 ，其試切開發過程需耗時幾個月，花費數千美元 。爲瞭(le)以更低價格的産(chǎn)品來增加全球競争力 ，錐齒輪成爲實現下一代計算機化制造的一個主要目标。爲瞭(le)應對這一挑戰 ，Arrow齒輪公司已經實現瞭(le)螺旋錐齒輪開發方式的更新換代，從而開辟瞭(le)一個新紀元。
本文将提供錐齒輪開發的一些基本信息以及Arrow公司爲瞭(le)獲得最好的質量 ，同時降低開發費用所採(cǎi)用的具體程序和工藝技術。
接觸(chù)區和齒(chǐ)輪位移的基本概念
接觸區形态是螺旋錐齒輪設計的一個關鍵特性。簡單地說，接觸區就是當齒輪旋轉進入齧合直至脫離齧合期間，輪齒相互接觸的區域。接觸區採(cǎi)用以下步驟進行檢測 ：在輪齒上塗覆一層專用的标記化合物，然後在一台檢驗機上齧合運行 。目視觀察到化合物被破壞的區域就是接觸區，需要由經驗豐富的檢驗人員來解釋觀察到的結果。爲瞭(le)将接觸檢測結果歸檔，可以用膠帶紙貼在齒面上，再将接觸印痕轉印在紙上。
當一個齒輪被安裝在齒輪箱裏 ，並(bìng)提供動力使其按指定用途運轉時，齒輪輪齒上承受著(zhe)各種不同的壓力或載荷，包括箱體變形、軸承運動和溫度變化等。當輪齒承受這些變化時 ，接觸區形态也将随之發生變化。
同一齒(chǐ)輪在非常輕的載荷下和非常重的載荷下接觸(chù)區的形态不同。有一個常用的經驗法則：載荷越大 ，接觸(chù)區也越大。
在下列情況下，接觸區形态顯得十分重要 ：對於(yú)在載荷下正常工作的齒輪，接觸區必須具有一定形狀並(bìng)處於(yú)一定位置。一般來說，承載下的理想輪齒接觸區應位於(yú)齒面中間部位，避免在齒面邊緣接觸 。
在齒輪箱工作狀态下評估齒輪接觸區形态時，需要考慮的另一個關鍵問題是齒輪的位移。許多齒輪箱在運行時，齒輪及齒輪軸並(bìng)不保持在一個固定的原始方位上 。承載引起的力和熱應力可導緻齒輪箱部件産(chǎn)生明顯的運動，偏離其原來的位置。
可能會出現4種不同的典型運動方式：偏置 ，小齒(chǐ)輪進入和脫離齧合，大齒(chǐ)輪進入和脫離齧合以及軸間夾角。這些運動引起瞭(le)齒(chǐ)輪的位移，此外還可能出現這4種運動方式的任意組合 。
對於(yú)航空航天用齒(chǐ)輪箱，将重量減至最小是非常重要的。由於(yú)所用齒(chǐ)輪的質量通常較小，因此齒(chǐ)輪的位移量較大。另一方面，對於(yú)部件剛性很好的商用齒(chǐ)輪箱而言，其位移量不在一個數量級上 。
開發接觸(chù)區的傳(chuán)統方法
接觸區的尺寸和位置一直是錐齒輪設計中需要考慮的主要因素。多年來爲獲得好的接觸區形态所採(cǎi)用的方法，現在仍然爲絕大多數齒輪生産(chǎn)廠商所沿用。
獲得理想接觸區的傳統方法按如以下步驟操作：首先 ，由一位工程師根據經驗確(què)定齒輪的幾何參數，使之能滿足提供正確(què)接觸區的要求。然後加工出齒輪輪齒的初切齒廓。完成大輪和小輪的加工後 ，将它們裝在檢驗機上齧合運轉 。一般情況下，第一次試切所獲得的接觸區形态不正確(què)，這就需要返回第一步 ，改變磨齒機的相關參數設置 ，然後再加工一個新的小齒輪，重新進行檢測。這一試切過程可能需要反複多次，直至獲得具有所需接觸區位置的理想試切齒輪。但是，該齒輪裝入齒輪箱後在承載情況下的工作性能如何？接觸區将是怎樣的形态？要回答這一問題，在試切過程中還需採(cǎi)取其它一些步驟。
首先，将齒輪裝入齒輪箱，在輕載荷下運轉以檢測接觸區的運動。然後通過目視觀察 ，檢測在齧合齒面上出現輕微磨損的接觸區。如果接觸區形态不正確(què)（通常如此），就必須重新設置磨齒機的加工參(cān)數，然後重新磨制另一個小輪。如此循環進行，直至在全載荷運行狀态下獲得所需要的合适接觸區 。
對於(yú)一個新的錐齒輪設計而言，這一試切過程可能需要花費幾個月的時間。雖然既費時又費錢，但它卻是不得不去做的工作。基於(yú)計算機的新的錐齒輪開發技術的出現，從根本上改變瞭(le)這種狀況。
開發接觸區的新方法
爲瞭(le)克服傳統方法的局限性，美國Arrow齒輪公司完成瞭(le)一套用於(yú)開發錐齒輪接觸區的系統 。與傳統方法相比，該系統大大節省瞭(le)開發所需的時間和資金。該系統将當代軟件與加工機床結合在一起 ，其主要組成單元包括格裏森公司的AGE、CAGE、MINIGAGE、加載TCA和T-900有限元分析軟件包等。至於(yú)加工機床，該系統使用瞭(le)格裏森公司的鳳凰數控切齒機和鳳凰數控磨齒機 ，以及一台蔡司-赫夫勒的齒輪測量中心。關於(yú)該系統的具體使用情況後面将會介紹 ，這裏先列舉它的一些亮點。
採(cǎi)用瞭(le)開發軟件，工程師們可以建立虛拟模型來預測齒輪在實際工況下的傳動性能，由此可得到加工機床所需的參數設置。此外，這些機床調整的設置量自動下載到機床上 ，大大減少瞭(le)機床參數設置所需的時間 。採(cǎi)用該系統最具意義的是 ，隻需在齒輪加工車間進行一兩次試切 ，就可獲得滿足理想齒輪接觸區要求的機床理想參數設置。
從本質上說，該系統淘汰瞭(le)以前必須進行的試切過程。由於(yú)縮短瞭(le)開發時間 ，齒輪制造商能爲用戶節約大量經費。
通過計算機建模開發(fā)接觸(chù)區：過程概述
採(cǎi)用本系統開發一個新的接觸區的過程相當複雜 。但是 ，爲瞭(le)清楚瞭(le)解該系統是如何工作的，首先介紹一個典型開發的概念要點，更詳盡的步驟說明将在後面介紹。
第一步是接收用戶的設計需求，包括詳細注明瞭(le)主要幾何參數（如傳動比 、徑節等）的零件設計圖紙。此外，如果用戶能提供工作扭矩和齒輪位移量，對開發工作将會更有幫(bāng)助。
根據齒(chǐ)輪的幾何尺寸，工程師們首先爲工件建立一個開發接觸區的工作文件 。利用CAGE軟件完成齒(chǐ)面接觸分析或TCA分析 ，這表明瞭(le)在無載荷狀态下接觸區的位置。
最後，在考慮所有位移條件的情況下 ，進行加載TCA分析（譯者注：即LTCA分析），得到理想的接觸區。根據這些信息進行有限元分析，預測(cè)齒面上和齒根圓角處的應力。這樣，工程師就可以確(què)定 ，齒輪輪齒在齧合線（路徑）的任意位置上是否存在因過載或非正常壓力引起齒輪失效的潛在可能性 。
關(guān)於(yú)實施TCA和有限元分析更詳細的說明 ，将在下一節予以介紹。
通過計算機建模開發(fā)接觸(chù)區 ：過程詳述
本節将詳細介紹通過計算機建模來設計接觸(chù)區的過程，以及如何将軟件集成於(yú)加工機床中。
某一特定的TCA分析來自一個用於(yú)飛機噴氣發動機的上塔或起飛齒輪傳動組的分析結果。爲便於(yú)說明，在考慮錐齒輪各種位移的情況下 ，我們僅關注設計工作中錐齒輪凹面的加載TCA分析部分。齒輪移除瞭(le)因正常工作力矩載荷所引起以外 ，還來自於(yú)熱和外力的影響。
接觸區的設計用於(yú)滿足齒(chǐ)輪組将會遇到的載荷需要和不同的位移。
由變(biàn)化的熱和外力以及一個3140in-lbs的力矩載荷引起不同的位移量，其中一些位移相當大，如小齒輪在大齒輪上方移動瞭(le)0.013"，小齒輪向錐心移進瞭(le)0.029"，而大齒輪向外移動瞭(le)0.026"。
開發目标是設計出一個接觸區，使齒輪在正常工作條件下産(chǎn)生不同位移時，接觸區仍能具有所需的形狀和大小，接觸區在運轉中不會跑出邊(biān)緣 、落在齒根區或跑出齒頂區。
設計出能滿足不同位移需求的接觸區後，下一步是進行加載TCA分析。如果這些接觸區相互重疊或連接，那麽實質上這一結果就是該齒(chǐ)輪組将來在3140in-lbs的力矩下工作時對於(yú)所有不同位移的載荷區狀态。
除瞭(le)研究不同的位移對接觸區的影響外，還研究瞭(le)齧合路徑上不同齧合位置的壓力變(biàn)化情況。
在載荷爲3140in-lbs力矩的情況下 ，從齧合路徑的起點到終點各點處的齒(chǐ)面壓力大小不同。齧合起點處的壓力較小，它是輪齒(chǐ)剪切的結果（由於(yú)接觸比較高）；然後壓力逐漸增大 ，在輪齒(chǐ)中心處壓力增大至峰值238000lbs./sq.in.；然後壓力逐漸降低，最後在輪齒(chǐ)脫離齧合處降至約84000ibs./sq.in.。
壓力研究的一個關鍵目标是要證實在接觸區沒有硬接觸點。如果存在硬點，表面壓力就會出現尖峰值 ，這就明確(què)表明可能存在失效。當該輪齒進入齧合時，尖峰或凸起将會産生非均勻壓力，可能導緻齒面的點蝕及随之而來的失效。不過在本例中並(bìng)未出現尖峰壓力。壓力逐漸增加至輪齒中心，随後以相同速度逐漸降低。這些齒輪在進入和脫離齧合時運動非常平穩 。
這樣的研究工作将在所有齒(chǐ)輪位移情況下進行。完成後(hòu)，設計工作就可進入下一步的有限元分析。
首先将加載TCA的結果輸入T-900有限元分析軟件，程序将完成齒面的應力分析。分析後得到的一份載荷分布報(bào)告。報(bào)告用不同顔色顯示瞭(le)齒面不同區域的載荷分布狀況。接觸壓力最大的區域爲紅色。當應力減小時，顔色也随之變化 ，直至基本載荷處的表面壓力或應力最小 。這些在齒輪輪齒上将能看到。
然後對齒(chǐ)根圓角處也進行類似研究。同樣，不同的顔色表示不同的應力大小。矩形圖表明研究報(bào)告中齒(chǐ)面上相應的壓力和齒(chǐ)根圓角處相應的壓力。如果最大值超過所用材料的許可值，則齒(chǐ)輪失效的可能性極大。
通過有限元分析還可以觀察是否存在潛在的凸緣或邊(biān)緣接觸(chù)。如前所述，紅色表明最大壓力區。如果研究表明任何紅色區都不在接觸(chù)區的中心，則失效也可能将發生在這些區域。
如果有限元分析表明存在問題，則工程師可以返回CAGE軟件，根據需要對(duì)接觸(chù)區進行修正，然後再進行第二次有限元分析。
TCA和有限元分析一旦完成，就獲得瞭(le)理想的接觸區大小和位置，CAGE軟件會生成鳳凰切齒機和磨齒機加工齒輪所需的機床調整參數。此外，G-AGE軟件生成蔡司-赫夫勒公司CNC測量系統（齒輪測量中心）的檢測程序。採(cǎi)用該測量系統，可以完成齒面輪廓的電子數字拓撲圖，而G-AGE軟件能夠自動修改機床調整參數，以獲得要求的計算機化齒廓形狀。通過硬線網絡連接，可以下載調整參數和檢測文件。在這些開發程序完成後，即可進入生産程序。
用戶受益：開發(fā)PTO齒(chǐ)輪裝置的實例研究
用於(yú)設計和開發接觸區的這種方法給用戶提供瞭(le)許多好處，其中最大的好處是大大節約瞭(le)時間和金錢。用戶受益的一個實例就是前面提到的Arrow公司介入的飛機噴氣發動機課題，課題詳情将在以下的實例研究中予以介紹。
Arrow公司提供瞭(le)發動機兩個位置的齒輪傳動裝置。第一個錐齒輪組用於(yú)上塔軸或起飛動力（PTO）；第二個錐齒輪組用於(yú)輔助齒輪箱。由於(yú)這是一台新發動機，要求Arrow公司完成這些錐齒輪組的所有齒輪輪齒的設計和制造。與所有的噴氣發動機齒輪一樣，由於(yú)齒輪箱有很大的變形自由度，因此對齒輪的設計制造要求苛刻。面臨時間短、任務難的雙重挑戰，Arrow公司採用瞭(le)上述的設計和制造技術來開展項目工作。
這兩個不同的齒(chǐ)輪組生産(chǎn)出來後安裝在發動機上，結果令人滿意。
首先，如果採用傳統技術來開發滿足要求的全載荷接觸區，所需的正常周期爲6個月。而Arrow公司採用計算機建模技術進行初期開發，花費時間不到一周。並(bìng)且該初期開發的齒形在發動機測試中滿載荷運行時也無需作進一步修正。新的齒輪傳動裝置的實際制造時間在通常情況下需要22周，而Arrow公司在12周内就完成瞭(le)此項工作。
齒輪在發動機上運行75小時後，進行瞭(le)目視檢測。無論是運轉組還是啓動組的齒輪接觸區均與預期的精確(què)吻合。該方法爲公司新發動機的開發節約瞭(le)大量資金和時間。
故障排除和失效分析
錐齒輪傳動設計系統可用於(yú)絕大多數新錐齒輪的設計或現有齒輪的改進設計。除此以外，該系統還有其它用途。如果爲該系統提供适當的信息，就可以建立錐齒輪輪齒的虛拟模型，用於(yú)預測(cè)接觸區位置是否合适。将該信息與實際接觸區進行比較，能爲尋求引起錐齒輪失效或其它問題的原因提供有價值的信息。此外，該方法能使輪齒的抗彎強度提高30%，大大延長錐齒輪的壽命。
結論
在當今競争激烈的制造業環境中，用戶首先要求的是迅捷的交貨期和較低的價格。在這種情況下，計算機閉環制造對於(yú)齒輪生産是最适合的。此外，由於(yú)縮短瞭(le)開發時間，這項技術可使産品盡快進入市場，從而大大減少零件供應商（OEM）的成本。
考慮到這項技術的諸多優點，可以預測(cè)在不久的将來，閉(bì)環制造法将成爲齒輪制造業的标準開發技術。 |
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