齿轮箱及其核心零件高功率密度技术的研究

刘波

（湖南省株洲市九洲传动机械设备有限公司，湖南 株洲 412000）

齿轮箱在各种机械中有非常广泛的应用，是指相互啮合传动或相互配合联接的各种齿轮装置，是机械的关键核心部件。具有传动准确、功率和传动比范围大、制造精度高、承载能力稳定、效率高、工作平稳可靠、适应性强、寿命长等特点，广泛应用于交通运输车辆、工程机械、航空器、农机、机床、兵器及能源、冶金、化工、轻工等行业装备。应用于各行业的齿轮箱结构有各种型式，同时各具技术特点，随着近年来交通运输等产品轻量化的总趋势的推动，越来越多的齿轮箱产品在朝着一个共性的先进技术方向发展——高功率密度技术：即齿轮箱传动功率较大的条件下，产品需要达到理想的结构尺寸最紧凑且质量最轻的设计和制造技术。国内高端齿轮箱产品行业起步相对工业发达国家较晚，多年来，不少技术引进或借鉴是采取对来源逆向设计开发，往往没真正进行高功率密度技术的研究和设计，也几乎没有专门对高功率密度制造工艺的研究和应用，不少产品的零部件实际性能指标、能耗和最终使用寿命有较大的提高空间和需求。开展齿轮箱及其核心零件高功率密度技术的研究和应用，能走在齿轮传动技术发展的前沿。针对具体产品进行高功率密度设计和制造工艺技术研究和应用，能在设计和生产过程中将核心传动件的性能和质量可靠地进行保证和提高，以真正提高其使用性能和寿命，减少制造成本，从而提供高端的齿轮箱产品。

1 研究内容

主要研究齿轮箱及其核心零件的高功率密度技术，特别是其齿轮和箱体等核心零件的高功率密度设计和制造技术。

2 关键技术

（1）在高功率密度设计紧凑的结构使工作热量积聚程度增大条件下的齿轮箱热平衡技术。

（2）高功率密度设计精简的尺寸和重量，影响强度条件下的齿轮箱承载能力可靠技术。

3 主要研究和应用

3.1 设计

（1）先根据用户要求进行方案设计和总体结构设计。按照主机系统技术要求，在考虑成本因素下设计方案和总体结构要实现各使用功能且合理；注重紧凑结构包括精简尺寸的高功率密度设计。同时，进行相关的设计分析计算，包括齿轮传动副修形、弯曲与接触疲劳、静强度及胶合强度计算；轴承寿命计算；轴系刚强度计算；箱体受载应力与变形的有限元分析计算；行星架等受载应力与变形的有限元分析计算；连接和紧固计算；传动效率计算；热功率及润滑与冷却设计计算；其他特殊的计算项目等。

（2）在上述过程中，重点进行如下几方面的研究和应用。

①对总体结构设计后的齿轮箱采取有效热分析及其试验方法。通过运用ANSYS Fluent和ANSYS Steady—State Thermal模拟分析齿轮箱在实际工作时，齿轮啮合、轴承运转和箱体内油气混合物流动所产生的热量对箱体平衡温度场分布的影响和润滑油、轴承的温度变化。在齿轮箱加载试验时采用了快速、实时、准确地监测运行温度的检测方法及装置，测试记录齿轮箱热平衡状态下的实际最高油温和轴承温升，达到了齿轮箱最高允许油温和轴承温升技术指标的要求。同时与上述热分析值进行比较，验证了该方法的可行性。最重要的是验证了齿轮箱注重紧凑结构包括精简尺寸的高功率密度总体结构设计在工作运转时达到热平衡状态的合理性。

②在齿轮箱体受载应力与变形的有限元分析基础上，试制样机后对齿轮箱体结构强度设计合理性的验证和优化采取了综合试验方法。通过对齿轮箱体进行气密性试验和负载试验时的变形位置标记和数据分析，能对齿轮箱体的结构强度设计进行验证，并且对齿轮箱体结构包括轴承座、安装连接位置、加强筋和突变壁厚等重要部位进行优化设计，使高功率密度总体结构设计下的箱体强度可靠稳定、结构更为合理。

③行星齿轮传动采用几个均匀分布的行星轮同时传递运动和动力。这些行星轮因公转而产生的离心惯性力和齿廓间反作用力的径向分力可互相平衡，故主轴受力小，传递功率大。另外，由于它采用内啮合齿轮，充分利用了传动的空间，且输入输出轴在一条直线上，所以整个轮系的空间尺寸要比相同条件下的普通定轴齿轮系小很多。行星齿轮传动高功率密度的核心技术在于该传动结构设置多个数量行星轮，相当于多个行星轮共同来分担载荷。在确定传动比和外形尺寸条件下，设计的行星轮数量要尽可能多，其功率密度就越高，该功率密度接近与行星轮数量成正比。

④结合热处理方式选择比强度高的材料，比强度越高达到相应强度所用的材料质量越轻。当箱体材质为比强度高的铝合金时，重量只有铸铁的一半左右。齿轮采用高强度、高淬透性的镍系低碳合金结构钢渗碳淬火处理，渗碳后齿轮表面的化学成分接近高碳钢，经过淬火后得到很高的表面硬度、耐磨性和疲劳强度，并保持心部有低碳合金结构钢淬火后的强韧性，使工件能承受冲击载荷。因此渗碳淬火处理后综合机械能力非常强，承载能力安全系数比中碳合金结构钢感应淬火齿轮提高到1.4倍以上，比常规低碳合金结构钢渗碳淬火齿轮提高到1.2倍以上。

⑤在齿轮副定中心距条件下，满足齿轮接触疲劳强度条件下通过如下主要参数设计可直接增大承载能力，以提高功率密度：选择大压力角、增加变位系数、适当增大齿轮模数和有效齿宽，但此时需要考虑重量或尺寸增大对功率密度的影响来有效利用空间尺寸或找到最佳平衡点，同时避免出现承载能力过剩。

3.2 制造

（1）研究有效的箱体铸造和齿轮锻造技术以提高综合力学性能。铝合金箱体采取低压铸造方法，冷却补缩好、铸件组织致密、力学性能高、内在质量可靠、能保证铸造出薄壁复杂的箱壳，非常适合高功率密度技术的结构。对齿轮锻坯着重研究应用盘类齿轮和轴类齿轮这两种最主要结构形式的锻造工艺和工装，研究应用实现盘类齿轮锻造时锻出内孔，轴类齿轮锻造时锻出各台阶，同时保证重要部位特别是齿部金属纤维走向理想，这样承载能力更强，同时充分提高了材料利用率。

（2）对轴类、行星架等承受较大拉伸应力或弯曲应力，且有冲击载荷或受较大脉动应力作用的重要零件。从高功率密度技术角度出发，要优先选用强度较高的合金结构钢，并且优先考虑通过锻造加工获得毛坯，锻造后内部金属晶粒细小，组织致密，又能经受各种热处理强化工艺，所以锻造毛坯强度较高，韧性较好，承载能力强。锻造行星架相比铸件的内在质量和强度优越很多，其结构和尺寸可更小更紧凑，也使整台齿轮箱内部结构实用紧凑而可靠性更强。

（3）研究应用能有效提高综合力学性能的铝合金箱体热处理技术。引进或借鉴国外技术的高强度铸造铝合金齿轮箱，材质欧标AlSi7Mg0.3是国产化的重要材料，和国标ZL101A材料相当，要求综合机械性能很高。这两种材质的铸造铝合金齿轮箱体热处理方法非常重要，直接决定了齿轮箱体的力学性能和尺寸稳定性。经有效研究应用的热处理方法整个过程如下：先将齿轮箱固溶处理，温度530～ 540℃，保温时间n1（n1等于齿轮箱最大壁厚尺寸除以25mm后加上1h）转移入水，时长≤25s，淬火水温60～70℃；之后立即转移入炉，时长≤25s，以每小时≤50℃的升温速度升温到适当时效温度后进行时效处理，时效处理方法分两种。采用时效处理方法1：时效温度200～210℃，保温时间7～9h后出炉空冷；采用时效处理方法2：时效温度170～180℃，保温时间n2（n2等于齿轮箱最大壁厚尺寸除以25mm后加上2h），出炉后立即进行冷却过程中的振动时效处理。振动时效为出炉后立即将齿轮箱体放置在耐高温橡胶垫上，将激振器和传感器固定于齿轮箱体上施加机械振动，时长0.5h。齿轮箱经上述固溶处理时，较低的淬火水温和较快的冷却速度增加了合金溶质原子析出强化相而形成硬化区的数量，能使后续时效强化作用更大。采取时效处理方法1时，时效处理温度接近完全时效温度并且延长时效处理时间，能保证达到一定塑性指标的同时，显著提高拉伸强度和屈服强度，并且有很好的组织和尺寸稳定性。采取时效处理方法2时，时效处理温度在不完全时效温度和完全时效温度之间，能保证达到一定塑性指标的同时显著提高拉伸强度和屈服强度，之后进行振动时效不但能进一步消除内部残余应力使箱体组织和尺寸特别稳定，同时使合金溶质原子析出强化相而形成硬化区更加快速和彻底。本方法能实现该齿轮箱铝合金塑性指标伸长率达到≥3.5%（A）的同时，提高抗拉强度值和屈服强度值到标准指标的110%以上，并且内部组织和尺寸特别稳定。

（4）研究应用齿轮箱体时效新方法提高其加工精度及稳定性，以此来提高齿轮箱装配使用性能，特别是明显减少齿轮箱持续工作运转过程中的轴承发热量。通过试验测试对比，经过下述创新时效处理方法，精加工后的齿轮箱体稳定无变形，精度稳定，而时效不彻底的箱体因残余应力导致变形会降低尺寸和形位公差精度达1～2级甚至更低。当轴承孔尺寸和形位公差精度超差1～2级时，温升相比将高出5℃左右。经有效研究实验的时效方法整个过程如下：当齿轮箱体为焊接、铸铁、铸钢或铸铝合金齿轮箱体。先对齿轮箱体进行时效热处理：焊接、铸铁、铸钢齿轮箱体为去应力退火；铸铝合金齿轮箱体为固溶处理后的时效热处理。然后，立即对焊接、铸铁、铸钢或铸铝合金齿轮箱体进行冷却过程中的振动时效处理。先进行的时效热处理能有效消除齿轮箱体绝大部分内应力，稳定齿轮箱体组织和尺寸，提高了铸铝合金的综合机械性能；之后进行冷却过程中的振动时效，能完全消除齿轮箱体的残余内应力，使齿轮箱体组织和尺寸更加稳定，保证了后续精加工尺寸和精度的稳定无变形。

（5）研究齿轮热处理工艺技术及其质量过程控制，特别是优良的表面硬度、硬化层深度、硬度梯度分布及其金相组织指标的实现和保证。其中，特别对齿轮箱最易失效的零件——轴类尤其是轴齿轮热处理进行了创新性设计与工艺以提高强度。轴（含轴齿轮）经过淬火后，能使轴的刚度强度都得到大幅提高。但无论是调质钢轴类还是渗碳钢轴类，根据需要往往采取局部感应淬火或者局部防渗/切碳后整体淬火，这样必然在过渡区产生强度陡降，在工作受载时会出现应力集中、产生裂纹等问题，导致疲劳失效而开裂、断轴。本研究应用方法具体是对轴（含轴齿轮）淬硬过渡区表面设计为圆锥柱面，圆锥柱面大头属于淬硬过渡区，圆锥柱面小头属于淬硬区，也就是表面淬硬过渡区和表面淬硬区交接处设计在圆锥柱面中部。调质钢轴类零件的表面局部淬硬过渡区：在调质前后的机加工均加工出圆锥柱面，调质前后的圆锥柱面长度一致，调质后的加工锥度与设计锥度相等，也与调质前的加工锥度相同，圆锥柱面和其他位置调质后的加工余量相同且均匀，在淬火后的表面局部淬硬过渡区硬度梯度和强度梯度非常平缓。渗碳钢轴类零件的表面淬硬过渡区：在渗碳前加工出圆锥柱面，但渗碳前的加工锥度小于设计锥度，渗碳前加工的圆锥柱面长度大于渗碳后加工的圆锥柱面长度；表面淬硬过渡区在渗碳后机加工出设计的圆锥柱面，渗碳后的加工锥度与设计锥度相等；在渗碳后的机加工后，渗碳后的加工余量为过渡区的表面渗碳层深沿锥度小头向大头方向逐渐变浅，最表层的碳浓度也沿锥度小头向大头方向逐渐变低；表面淬硬过渡区在淬火后硬度梯度和强度梯度同样非常平缓。这样就使表面淬硬的轴类零件整轴所有位置都具有足够可靠的强度，不易产生热处理裂纹，不会产生强度陡降，从而避免了表面局部淬火过渡区疲劳失效而开裂、断轴。

（6）在齿轮的机加工过程中，可通过应用下述4项技术措施，能综合提高齿轮弯曲与接触疲劳强度20%以上，从而有效提高了齿轮箱核心传动部分的功率密度。轮齿开坯采用专用凸角留磨滚刀，齿根过渡为沉切大圆弧，磨齿时不会造成磨削台阶或烧伤等缺陷，降低了根部应力集中的影响，有利于弯曲强度的提高。提高齿轮加工特别是磨齿时精度以提高齿轮安装运转实际承载能力，特别是影响载荷分布均匀性的齿轮精度第三组公差项和影响运转平稳性而加大振动冲击的齿轮精度第二组公差项，同时包括齿轮装配部位的尺寸和形位公差加工精度。对齿轮采取重载修形方法。设计齿向和齿廓修形并在磨齿时加工。合理的齿向修形可有效补偿轮齿在工作受载时的变形，改善齿向载荷分布，有效避免偏载的发生，直接提高了轮齿承载能力和可靠性；合理的齿廓修形能有效提高齿轮传动的平稳性，减少工作运转的噪声和振动。在磨齿后对轮齿进行强化喷丸处理，能进一步提高齿轮弯曲与接触疲劳强度。

4 结语

通过研究齿轮箱及其核心零件的高功率密度技术，特别是其齿轮和箱体等核心零件的高功率密度设计和制造技术，针对在高功率密度设计紧凑的结构使工作热量积聚程度增大条件下，齿轮箱热平衡达标和高功率密度设计精简的尺寸和重量影响强度条件下的齿轮箱承载能力的提高，系统地研究了齿轮箱设计包括总体结构设计、热分析及其试验方法、箱体结构强度设计的验证和优化、行星齿轮传动、材料选择及其热处理方式、齿轮副主要参数等各方面的高功率密度技术；同时全过程地研究了齿轮箱的制造包括箱体、齿轮、轴类、行星架的毛坯加工、热处理及时效处理、机加工方面的高功率密度技术。近年来，上述技术已经成功应用到试制如下具备代表性的轨道交通车辆和工程机械传动齿轮箱及其核心零件产品：包括大功率和谐机车、高速动力集中型动车齿轮箱及其核心零件产品，这类列车是铁路运输中主要的运行方式，牵引动力集中，因此动力传动齿轮箱必须具备很高的功率密度；成功应用产品还包括行星齿轮传动方式的大方量搅拌车罐驱动减速机和大吨位重型卡车轮边减速机。在实际应用中产生了较好的技术经济效果，特别是在设计和制造过程中，核心零件的性能和质量得到了可靠保证和提高，从本质上提高了核心零件的使用性能和寿命，从而提高了齿轮箱传动的效率和质量，能最大限度地发挥其承载能力，并且安全可靠。