由于圓弧齒輪的承載能力比同樣條件下的漸開線齒輪高，且工藝簡單、成本低，我國從1958年就開始了研究和應(yīng)用。在基礎(chǔ)理論和設(shè)計(jì)計(jì)算方面，先后進(jìn)行了嚙合理論、承載能力計(jì)算、輪齒受載變形及修形計(jì)算、彈流潤滑分析、珩齒工藝機(jī)理、滾刀齒形設(shè)計(jì)與計(jì)算、精度檢驗(yàn)與測量尺寸計(jì)算、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)與繪圖等項(xiàng)研究。在齒輪和滾刀制造工藝方面，進(jìn)行了滾齒修形(齒端修薄)、中硬齒面滾齒、硬齒面刮削、蝸桿型軟砂輪珩齒，以及硬質(zhì)合金雙圓弧齒輪刮削滾刀制造等項(xiàng)技術(shù)研究。與此同時(shí)，進(jìn)行了大量的試驗(yàn)和工業(yè)應(yīng)用，并且先后制訂了一整套有關(guān)圓弧齒輪的國家標(biāo)準(zhǔn)。它們是：GB/T1840一1989圓弧圓柱齒輪模數(shù)、GB/T12759一1991雙圓弧圓柱齒輪基本齒廓、GB/T13799一1992雙圓弧圓柱齒輪承載能力計(jì)算方法、GB/T14348.1一1993雙圓弧齒輪滾刀型式和尺寸、GB/T14348.2一1993雙圓弧齒輪滾刀技術(shù)條件、GB/T15752一1995圓弧圓柱齒輪基本術(shù)語和GB/T15753一1995圓弧圓柱齒輪精度。
圓弧齒輪泛指單圓弧齒輪和雙圓弧齒輪。在70年代中期以前，我國主要是研究應(yīng)用單圓弧齒輪。由于齒形特點(diǎn)，圓弧齒輪具有較高的接觸強(qiáng)度，在廣泛使用非硬齒面齒輪傳動(dòng)的情況下，正好彌補(bǔ)了漸開線齒輪易出現(xiàn)點(diǎn)蝕失效的不足，因而在高低速動(dòng)力齒輪傳動(dòng)行業(yè)廣泛應(yīng)用了單圓弧齒輪，都取得了良好的效果。單圓弧齒輪有兩點(diǎn)不足，一是齒形限制，齒根彎曲強(qiáng)度略顯不足，使承載能力得不到較大提高;二是需用兩把滾刀(凸齒和凹齒滾刀)加工一對嚙合齒輪，工藝比較麻煩。
我國從60年代中期就開始研究雙圓弧齒輪，但進(jìn)入實(shí)質(zhì)性的研究、試驗(yàn)和應(yīng)用是在1975年以后。經(jīng)過有限元計(jì)算分析、光彈試驗(yàn)、臺(tái)架承載能力試驗(yàn)和工業(yè)使用驗(yàn)證，證明雙圓弧齒輪的承載能力比單圓弧齒輪有較大的提高。這是因?yàn)殡p圓弧齒形是集凸、凹弧于一體，在輪齒根部有較寬的齒厚，提高了輪齒根部的彎曲強(qiáng)度。在相同條件下，雙圓弧齒輪同時(shí)接觸的點(diǎn)數(shù)要多于單圓弧齒輪，減小了每個(gè)接觸點(diǎn)上的平均載荷。臺(tái)架承載能力試驗(yàn)表明，雙圓弧齒輪的彎曲強(qiáng)度和接觸強(qiáng)度分別比單圓弧齒輪提高60%和40%：其綜合承載能力比單圓弧齒輪提高40%以上。在工藝上，雙圓弧齒輪只需一把滾刀就可以加工一對嚙合齒輪。雙圓弧齒輪的這兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)正好克服了單圓弧齒輪的兩點(diǎn)不足。
我國從80年代開始就重點(diǎn)發(fā)展雙圓弧齒輪，在低速重載齒輪傳動(dòng)領(lǐng)域內(nèi)，主要推廣應(yīng)用中硬齒面雙圓弧齒輪;在高速齒輪傳動(dòng)領(lǐng)域內(nèi)，主要推廣應(yīng)用氮化硬齒面雙圓弧齒輪。在中等載荷(齒面載荷系數(shù)K≤2.0MPa)下，使用中硬齒面(低速傳動(dòng))和滲氮硬齒面(高速傳動(dòng))雙圓弧齒輪，較使用滲碳淬火磨齒漸開線齒輪會(huì)有更好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，因?yàn)槠涔に嚭唵巍⒊杀镜汀⒅圃熘芷诙蹋话愎S都可以生產(chǎn)。但要注意保證齒輪的加工、裝配精度(低速傳動(dòng)不低于7級(jí)、高速傳動(dòng)不低于6級(jí))和材質(zhì)質(zhì)量，高速齒輪應(yīng)進(jìn)行齒端修形和齒面珩齒工藝。對于低速齒輪，今后應(yīng)在中小模數(shù)范圍內(nèi)推廣滲碳淬火硬齒面刮削工藝，進(jìn)一步提高齒輪的承載能力。因此本篇主要介紹雙圓弧齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算、精度測量及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
圓弧齒輪在我國的應(yīng)用十分廣泛。作為低速重載齒輪傳動(dòng)主要應(yīng)用于冶金、礦山、石油化工、建材水泥、榨糖、運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)。如首鋼650軋機(jī)單圓弧齒輪機(jī)座，太鋼1200薄板軋機(jī)單圓弧齒輪減速器，鞍鋼初軋廠的18in連軋機(jī)和24in連軋機(jī)雙圓弧齒輪減速器。用非硬齒面圓弧齒輪替代同樣條件的漸開線齒輪以后，都大幅度地提高了鋼產(chǎn)量和延長了齒輪使用壽命。如24in連軋機(jī)的傳遞功率，由原設(shè)計(jì)的2982kw(4000hp)提高到5000kw，鋼產(chǎn)量由原設(shè)計(jì)50萬t/年提高到300萬t/年，18in連軋機(jī)原漸開線齒輪的使用壽命平均為2.2年，而雙圓弧齒輪的使用壽命在6年以上。1985年第一重型機(jī)器廠為西南鋁加工廠2800軋機(jī)設(shè)計(jì)制造的模數(shù)為30mm，中心距800mm的雙圓弧齒輪機(jī)座，是目前應(yīng)用的最大模數(shù)的雙圓弧齒輪。我國石油工業(yè)抽油機(jī)用的減速器，幾乎全部采用雙圓弧齒輪，并且制訂了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到了美國AP1613標(biāo)準(zhǔn)要求，出口美國。另外，礦井提升機(jī)、行車運(yùn)行機(jī)構(gòu)和膠帶運(yùn)輸機(jī)用的減速器，以及工業(yè)通用減速器已形成系列產(chǎn)品。在低速重載齒輪傳動(dòng)領(lǐng)域，還將非標(biāo)準(zhǔn)的短齒雙圓弧齒輪成功地用于煤炭刮板運(yùn)輸機(jī)減速器上和長江航運(yùn)駁船上，進(jìn)一步提高了齒輪的承載能力。圓弧齒輪也在汽輪機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)等高速齒輪傳動(dòng)方面獲得廣泛應(yīng)用。與一般工業(yè)用鼓風(fēng)機(jī)和小型汽輪發(fā)電機(jī)組配套的高速圓弧齒輪變速箱已成系列產(chǎn)品，成為我國高速齒輪批量生產(chǎn)的主導(dǎo)產(chǎn)品。浙江鎮(zhèn)海煉化公司煉油廠應(yīng)用的30傭kW催裂化主風(fēng)機(jī)高速雙圓弧齒輪箱，齒輪采用中硬調(diào)質(zhì)、精滾齒齒端修形、齒面深層離子滲氮和齒面珩齒工藝，齒輪節(jié)圓線速度達(dá)到117m/5，齒面載荷系數(shù)1.88MPa，噪聲為8.9dB(A)，其動(dòng)態(tài)特性(振動(dòng)和噪聲)均達(dá)到國際先進(jìn)水平。其承載能力和磨齒漸開線齒輪相當(dāng)，而制造成本大為降低，具有十分明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。新開發(fā)的6300kw高速雙圓弧齒輪箱已于1999年11月在鎮(zhèn)海投產(chǎn)。9000kw同類產(chǎn)品已于1998年底交付南陽煉油廠。
綜觀圓弧齒輪在我國的發(fā)展與應(yīng)用，從基礎(chǔ)理論研究到標(biāo)準(zhǔn)化系列化生產(chǎn)，從試制到掌握成套的中硬齒面、滲氮硬齒面齒輪制造技術(shù)，從不會(huì)用到合理的使用維護(hù)等方面，標(biāo)志著圓弧齒輪已發(fā)展成具有我國特色的齒輪傳動(dòng)技術(shù)體系。隨著社會(huì)的發(fā)展，這一齒輪傳動(dòng)技術(shù)體系必將得到進(jìn)一步的發(fā)展和完善。
圓弧齒輪泛指單圓弧齒輪和雙圓弧齒輪。在70年代中期以前，我國主要是研究應(yīng)用單圓弧齒輪。由于齒形特點(diǎn)，圓弧齒輪具有較高的接觸強(qiáng)度，在廣泛使用非硬齒面齒輪傳動(dòng)的情況下，正好彌補(bǔ)了漸開線齒輪易出現(xiàn)點(diǎn)蝕失效的不足，因而在高低速動(dòng)力齒輪傳動(dòng)行業(yè)廣泛應(yīng)用了單圓弧齒輪，都取得了良好的效果。單圓弧齒輪有兩點(diǎn)不足，一是齒形限制，齒根彎曲強(qiáng)度略顯不足，使承載能力得不到較大提高;二是需用兩把滾刀(凸齒和凹齒滾刀)加工一對嚙合齒輪，工藝比較麻煩。
我國從60年代中期就開始研究雙圓弧齒輪，但進(jìn)入實(shí)質(zhì)性的研究、試驗(yàn)和應(yīng)用是在1975年以后。經(jīng)過有限元計(jì)算分析、光彈試驗(yàn)、臺(tái)架承載能力試驗(yàn)和工業(yè)使用驗(yàn)證，證明雙圓弧齒輪的承載能力比單圓弧齒輪有較大的提高。這是因?yàn)殡p圓弧齒形是集凸、凹弧于一體，在輪齒根部有較寬的齒厚，提高了輪齒根部的彎曲強(qiáng)度。在相同條件下，雙圓弧齒輪同時(shí)接觸的點(diǎn)數(shù)要多于單圓弧齒輪，減小了每個(gè)接觸點(diǎn)上的平均載荷。臺(tái)架承載能力試驗(yàn)表明，雙圓弧齒輪的彎曲強(qiáng)度和接觸強(qiáng)度分別比單圓弧齒輪提高60%和40%：其綜合承載能力比單圓弧齒輪提高40%以上。在工藝上，雙圓弧齒輪只需一把滾刀就可以加工一對嚙合齒輪。雙圓弧齒輪的這兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)正好克服了單圓弧齒輪的兩點(diǎn)不足。
我國從80年代開始就重點(diǎn)發(fā)展雙圓弧齒輪，在低速重載齒輪傳動(dòng)領(lǐng)域內(nèi)，主要推廣應(yīng)用中硬齒面雙圓弧齒輪;在高速齒輪傳動(dòng)領(lǐng)域內(nèi)，主要推廣應(yīng)用氮化硬齒面雙圓弧齒輪。在中等載荷(齒面載荷系數(shù)K≤2.0MPa)下，使用中硬齒面(低速傳動(dòng))和滲氮硬齒面(高速傳動(dòng))雙圓弧齒輪，較使用滲碳淬火磨齒漸開線齒輪會(huì)有更好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，因?yàn)槠涔に嚭唵巍⒊杀镜汀⒅圃熘芷诙蹋话愎S都可以生產(chǎn)。但要注意保證齒輪的加工、裝配精度(低速傳動(dòng)不低于7級(jí)、高速傳動(dòng)不低于6級(jí))和材質(zhì)質(zhì)量，高速齒輪應(yīng)進(jìn)行齒端修形和齒面珩齒工藝。對于低速齒輪，今后應(yīng)在中小模數(shù)范圍內(nèi)推廣滲碳淬火硬齒面刮削工藝，進(jìn)一步提高齒輪的承載能力。因此本篇主要介紹雙圓弧齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算、精度測量及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
圓弧齒輪在我國的應(yīng)用十分廣泛。作為低速重載齒輪傳動(dòng)主要應(yīng)用于冶金、礦山、石油化工、建材水泥、榨糖、運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)。如首鋼650軋機(jī)單圓弧齒輪機(jī)座，太鋼1200薄板軋機(jī)單圓弧齒輪減速器，鞍鋼初軋廠的18in連軋機(jī)和24in連軋機(jī)雙圓弧齒輪減速器。用非硬齒面圓弧齒輪替代同樣條件的漸開線齒輪以后，都大幅度地提高了鋼產(chǎn)量和延長了齒輪使用壽命。如24in連軋機(jī)的傳遞功率，由原設(shè)計(jì)的2982kw(4000hp)提高到5000kw，鋼產(chǎn)量由原設(shè)計(jì)50萬t/年提高到300萬t/年，18in連軋機(jī)原漸開線齒輪的使用壽命平均為2.2年，而雙圓弧齒輪的使用壽命在6年以上。1985年第一重型機(jī)器廠為西南鋁加工廠2800軋機(jī)設(shè)計(jì)制造的模數(shù)為30mm，中心距800mm的雙圓弧齒輪機(jī)座，是目前應(yīng)用的最大模數(shù)的雙圓弧齒輪。我國石油工業(yè)抽油機(jī)用的減速器，幾乎全部采用雙圓弧齒輪，并且制訂了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到了美國AP1613標(biāo)準(zhǔn)要求，出口美國。另外，礦井提升機(jī)、行車運(yùn)行機(jī)構(gòu)和膠帶運(yùn)輸機(jī)用的減速器，以及工業(yè)通用減速器已形成系列產(chǎn)品。在低速重載齒輪傳動(dòng)領(lǐng)域，還將非標(biāo)準(zhǔn)的短齒雙圓弧齒輪成功地用于煤炭刮板運(yùn)輸機(jī)減速器上和長江航運(yùn)駁船上，進(jìn)一步提高了齒輪的承載能力。圓弧齒輪也在汽輪機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)等高速齒輪傳動(dòng)方面獲得廣泛應(yīng)用。與一般工業(yè)用鼓風(fēng)機(jī)和小型汽輪發(fā)電機(jī)組配套的高速圓弧齒輪變速箱已成系列產(chǎn)品，成為我國高速齒輪批量生產(chǎn)的主導(dǎo)產(chǎn)品。浙江鎮(zhèn)海煉化公司煉油廠應(yīng)用的30傭kW催裂化主風(fēng)機(jī)高速雙圓弧齒輪箱，齒輪采用中硬調(diào)質(zhì)、精滾齒齒端修形、齒面深層離子滲氮和齒面珩齒工藝，齒輪節(jié)圓線速度達(dá)到117m/5，齒面載荷系數(shù)1.88MPa，噪聲為8.9dB(A)，其動(dòng)態(tài)特性(振動(dòng)和噪聲)均達(dá)到國際先進(jìn)水平。其承載能力和磨齒漸開線齒輪相當(dāng)，而制造成本大為降低，具有十分明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。新開發(fā)的6300kw高速雙圓弧齒輪箱已于1999年11月在鎮(zhèn)海投產(chǎn)。9000kw同類產(chǎn)品已于1998年底交付南陽煉油廠。
綜觀圓弧齒輪在我國的發(fā)展與應(yīng)用，從基礎(chǔ)理論研究到標(biāo)準(zhǔn)化系列化生產(chǎn)，從試制到掌握成套的中硬齒面、滲氮硬齒面齒輪制造技術(shù)，從不會(huì)用到合理的使用維護(hù)等方面，標(biāo)志著圓弧齒輪已發(fā)展成具有我國特色的齒輪傳動(dòng)技術(shù)體系。隨著社會(huì)的發(fā)展，這一齒輪傳動(dòng)技術(shù)體系必將得到進(jìn)一步的發(fā)展和完善。