1.1概述

　　錐齒輪用于傳遞相交軸之間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。錐齒輪傳動(dòng)用于各種車輛、拖拉機(jī)和直升飛機(jī)的中央傳動(dòng)。準(zhǔn)雙軸面齒輪傳動(dòng)用于傳遞交錯(cuò)軸之間的動(dòng)力和動(dòng)力。準(zhǔn)雙曲軸齒輪傳動(dòng)多用于汽車、工程機(jī)械后橋的減速傳動(dòng)。

　　回顧機(jī)械工程技術(shù)發(fā)展史，就齒輪傳動(dòng)方面而言，我國(guó)是發(fā)明齒輪和應(yīng)用齒輪傳動(dòng)最早的國(guó)家。早在西漢時(shí)代(約一世紀(jì))已應(yīng)用了鑄鋼齒輪;東漢時(shí)代(公元78-139年)張衡已用了較復(fù)雜的齒輪系。特別是在行星差動(dòng)傳動(dòng)方面，我國(guó)早在南北朝時(shí)代(公元429-500年)，世界聞名的偉大科學(xué)家祖沖之發(fā)明了如圖1-1所示，具有錐齒輪行星差動(dòng)傳動(dòng)的指南車。這種由錐齒輪組成的行星差動(dòng)傳動(dòng)能保證“圓轉(zhuǎn)不窮，而司方如一“。因此，我國(guó)行星差動(dòng)傳動(dòng)的應(yīng)用比歐美各國(guó)早1300多年。后來(lái)由于歷史的原因，我們落后了。

　　弧齒錐齒輪只是齒輪傳動(dòng)中的一種，但是它的幾何關(guān)系最復(fù)雜，加工方法也最復(fù)雜。以弧齒錐齒輪加工方法的演變和興衰，可以讓我們看到不同技術(shù)之間的相互推動(dòng)和影響。

　　弧齒錐齒輪成為一個(gè)關(guān)鍵零件，是由于它在汽車差速器傳動(dòng)中的應(yīng)用。隨著汽車工業(yè)和航空工業(yè)的大發(fā)展?；↓X錐齒輪和準(zhǔn)雙曲面齒輪的用量很大，既要求高的生產(chǎn)率，也要求高的精度?；↓X錐齒輪的加工就是在這樣的背景下發(fā)展起來(lái)的。

　　1865年，格里森(W.Gleason，愛爾蘭裔)在美國(guó)紐約州建立了專門生產(chǎn)齒輪機(jī)床的Gleason公司，開始生產(chǎn)直齒錐齒輪加工機(jī)床。1913年，為汽車減速器而開發(fā)的弧齒錐齒輪剛剛出現(xiàn)不久，Gleason就發(fā)明了能大批生產(chǎn)這種齒輪的加式原理和相應(yīng)的機(jī)床，即著名的Gleason加工法。Gleason加工法為單分度銑削加式，得到的齒輪縱向齒線為圓弧，輪齒的齒高由大端向小端收縮(收縮齒)。用該法加工也可磨齒和研齒。1927年，又實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)雙曲面齒輪的加工。

　　汽車后橋部分要求有傳遞垂直軸間傳動(dòng)的錐齒輪傳動(dòng)。20世紀(jì)20年代，隨著汽車速度的提高 ，汽車設(shè)計(jì)者提出要求：這一傳動(dòng)應(yīng)能適應(yīng)較高的速度，異能降低傳遞運(yùn)動(dòng)給后橋的傳動(dòng)軸的位置，以降低汽車的重心。1916，美國(guó)Gleason公司為此作出了貢獻(xiàn)，開發(fā)出了弧齒錐齒輪及其加工機(jī)床。1927年，該公司的咨詢工程師威爾德哈伯(E.Wildhaber)主持開發(fā)了準(zhǔn)雙曲面齒輪，這種齒輪為垂直交錯(cuò)軸間的傳動(dòng)。用期代替錐齒輪傳動(dòng)使汽車的重心有所下降，獲得了廣泛的應(yīng)用。Wildhaber是齒輪設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域著名的發(fā)明家，他一生共獲得279項(xiàng)專利。

　　1944年，瑞士的奧利康(Oerlikom)公司研制成另一種加工弧齒錐齒輪的機(jī)床，相應(yīng)的加工方法稱為Oerlikom加工法。Oerlikom加工法為連續(xù)銑削，得到的齒輪縱向齒線為外擺線，各點(diǎn)曲率不同，得到的輪齒從大端到等高(等高齒)。

　　弧齒錐齒輪與普通的圓柱齒輪不同：用不同的加工方法加工出來(lái)的錐齒輪是不能嚙合的。

　　所謂Oerlikom加工法，實(shí)際上是Gleason公司在1914年的專利。

　　為什么Gleason公司對(duì)這個(gè)專利棄之不用呢?Oerlikom法是連續(xù)切削，生產(chǎn)率比Gleason法的單齒分度高。但是，其卻不能采用基于范成法的磨齒加工，而汽車和飛機(jī)都采用了硬齒面齒輪，必須進(jìn)行磨齒加工。Gleason公司在1930年就開發(fā)出弧齒錐齒輪的磨齒加工工藝。此外，等高齒被認(rèn)為不符合等強(qiáng)度的原則，因此在長(zhǎng)期內(nèi)，Gleason機(jī)床在市場(chǎng)上處于領(lǐng)先地位。

　　20世紀(jì)50年代初期，數(shù)控加工問(wèn)世，在銑、車、刨、磨等機(jī)床先后實(shí)現(xiàn)數(shù)控化以后，到70年代，運(yùn)動(dòng)最復(fù)雜的弧齒錐齒輪加工機(jī)床也迎來(lái)了數(shù)控化改造的時(shí)代。此前，兩種加工機(jī)床都是純機(jī)械的，各不相同，各自獨(dú)立;數(shù)控化以后，Gleason機(jī)床也能加工Oerlikom齒輪，反之亦然“你中有我，我中有你“。

　　1993年，德國(guó)克林貝格(Klingelnberg)公司收購(gòu)Oerlikom公司的齒輪技術(shù)中心。20世紀(jì)90年代，機(jī)械加工與機(jī)械分析的新技術(shù)給Oerlikom方法帶來(lái)了轉(zhuǎn)機(jī)：

　　1)1989年實(shí)現(xiàn)了磨齒。這是因?yàn)?，?shù)控機(jī)床出現(xiàn)后誕生的曲面加理論使得磨齒可以逐點(diǎn)進(jìn)行，擺脫了按范成法磨削的傳統(tǒng)思維。

　　2)1997年，Oerlikom公司開發(fā)出C28機(jī)床，采用超細(xì)雨硬質(zhì)合金，將高速干切削應(yīng)用于弧齒錐齒輪的加工，生產(chǎn)率又大幅度提高。

　　3)有限元分析(FEA-Finite Element Analysis)表明，等高齒的強(qiáng)度沒有問(wèn)題。

　　2002年，Klingelnberg-Oerlikom機(jī)床首次在弧齒錐齒輪加工機(jī)床的世界市場(chǎng)上實(shí)現(xiàn)銷售領(lǐng)先。

　　1.2錐齒輪和準(zhǔn)雙曲面齒輪的三種齒制

　　弧齒錐齒輪用間歇分齒法銑齒。多年來(lái)我國(guó)一直生產(chǎn)弧齒錐齒輪銑齒機(jī)，特點(diǎn)是價(jià)格比較便宜，且能滿足一般工業(yè)要求。美國(guó)格里森公司是生產(chǎn)弧齒錐齒輪銑齒機(jī)的著名廠家，格里森銑齒機(jī)和格里森齒制被各車廣泛采用。

　　擺線齒錐齒輪用連續(xù)分齒法銑齒。德國(guó)克林貝格(Klingelnberg)公制生產(chǎn)長(zhǎng)幅外擺線錐齒輪銑齒機(jī)，形成了Cyclo-palloid(擺線-準(zhǔn)漸開線)齒制，其特點(diǎn)是采用雙層刀盤，通過(guò)調(diào)整外切刀片(加工齒的凹面)回轉(zhuǎn)中心與內(nèi)切刀片(加工齒的凸面)回轉(zhuǎn)中心間的偏距，調(diào)整齒面接觸區(qū)。瑞士奧利康(Oerlikom)公司也生產(chǎn)長(zhǎng)幅外擺線錐齒輪銑齒機(jī)，其特點(diǎn)是通過(guò)刀具主軸傾斜來(lái)控制齒面的接觸區(qū)。

　　由于計(jì)算機(jī)的普遍使用，各廠家銷售銑齒機(jī)的同時(shí)，也出售齒輪設(shè)計(jì)和銑齒機(jī)調(diào)整軟件。一些最先進(jìn)的銑齒機(jī)則采用了全數(shù)控銑齒技術(shù)。很明顯，采用什么齒制完全取決于選用什么銑齒機(jī)。銑齒機(jī)的選型和配置取決于所生產(chǎn)的產(chǎn)品和銑齒機(jī)價(jià)格的高低，在一個(gè)國(guó)家?guī)追N齒制并存可以提供更多的選擇余地。

　　各種齒制都有其特點(diǎn)和不足之處，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期發(fā)展，已經(jīng)互相滲透，吸取了對(duì)方的長(zhǎng)處，如：采用刀傾法增加切齒調(diào)整功能;用全數(shù)控銑齒機(jī)，既可用間歇分齒法加工弧齒，又可以用連續(xù)分齒法加工長(zhǎng)幅外擺線齒。

　　擺線齒錐齒輪的兩種齒制中，奧利康制采用的刀片組數(shù)多，且可用半展成法銑齒，生產(chǎn)率高，在我國(guó)多用于汽車行業(yè)。克林貝格則有小規(guī)格的銑齒機(jī)，F(xiàn)K41C弄能加工的參考點(diǎn)最小模數(shù)為mn=0.2mm;也有大規(guī)格的銑齒機(jī)，AMK1602型能加工的參考點(diǎn)最大模數(shù)為mn=35mm，最大直徑可達(dá)2000mm，且AMK852和AMK1602等型銑齒機(jī)可用于硬齒面刮削，在我國(guó)多用于重型和礦山機(jī)械行業(yè)。

　　我國(guó)于60年代引進(jìn)過(guò)奧利康SKM2型銑齒機(jī)，對(duì)于這種老的奧利康制錐齒輪設(shè)計(jì)和制造已有不少介紹。由于SKM2型銑齒機(jī)對(duì)齒面接觸區(qū)的調(diào)整功能較差等原因，該公司早已不生產(chǎn)。60年代以后奧利康公司開發(fā)的新銑齒，無(wú)論在錐齒輪設(shè)計(jì)或切齒調(diào)整方面，有重大的改進(jìn)與提高。

　　目前我國(guó)上述三種齒制均生產(chǎn)，均采用優(yōu)質(zhì)合鋼硬齒面，其中等頂隙收縮齒可磨齒，精度高一些，但裝配調(diào)整麻煩些。而等高齒錐齒輪可采用刮削加，其裝配調(diào)整方便些。各有千秋，如何正確合理選用請(qǐng)見表1。

　　表1 錐齒輪及準(zhǔn)雙曲面齒輪傳動(dòng)的分類、特點(diǎn)和用途