齿轮整体误差测量技术及发展趋势

王振

【摘 要】齿轮整体误差测量技术是中国机械工业自主研发的国际领先技术之一，并得到了广泛的推广和应用。随着新技术条件的出现，新的解决方案解决了齿轮整体误差测量技术的一些传统挑战，高测量效率和信息的先天优势更加突出。齿轮整体误差测量技术有望迎来新的快速发展时期。本文综述了齿轮整体误差测量技术的理论和发展趋势，为齿轮整体误差测量技术和理论的发展提供了参考和依据。

【关键词】齿轮；整体误差测量技术；发展趋势

齿轮的质量通常直接决定了设备的运行性能，使用壽命，安全性和可靠性。经过几次工业革命后，对齿轮的需求不断增长，其要求也越来越高[1]。目前齿轮正朝高精度、高功率密度、高可靠性、高效率、长寿命、低噪声等方向发展，基于齿轮测量的齿轮评估和过程分析是确保齿轮质量的主要方式。本文综述了齿轮整体误差测量技术的理论和发展趋势，为齿轮整体误差测量技术和理论的研究与开发提供参考和依据。

一、齿轮整体误差技术理论

除了开发各种实用的新型仪表外，齿轮整体误差测量技术在齿轮误差理论方面取得了进展，并提出了齿轮的整体误差理论。新的误差理论将齿轮的所有工作齿面上的误差视为一个整体，并且根据啮合顺序将每个齿面点的误差统一在啮合线上。这与齿轮质量和齿轮切削过程密切相关。可以在整体误差图[2]上直观地显示整体误差。新的整体误差理论借助于齿轮整体误差曲线，阐明和解释了各种齿轮误差的变化规律和相互关系、各种误差产生的原因和对传动质量的影响，在齿轮啮合机理、齿轮误差反映传动质量、齿轮传动质量控制、齿面修形、齿轮各种误差的相互关系和切齿工艺误差分析等多个方面澄清了一系列与齿轮精度有关的问题。

齿轮整体误差有几个鲜明的特点：一是反映了齿轮的全部误差信息；二是准确揭示齿轮各个误差的变化规律及其相互关系；第三是在视觉上反映错误齿轮的啮合过程。特别适用于齿轮过程误差分析和动态性能预测。分析包含丰富错误信息的齿轮的整体误差曲线，并揭示啮合过程。研究与之相关的齿轮副整体误差、齿轮修形、承载变形、振动与噪声、齿轮配对等问题，取得了一系列理论成果并得到具体应用[3]。

二、齿轮整体误差技术的发展趋势

（一）测量仪器方面

测量效率和准确度是仪表的重要性能指标。目前，整体误差齿轮测量仪比齿轮测量中心更有效，但仍有改进的余地。随着机械动力学的快速发展和计算机软、硬件水平的提升，齿轮传动领域的动力学研究已经非常广泛和深入，机床动力学对齿轮加工过程也有很多研究，但测量领域的动力学研究目前还很不充分，而整体误差测量机动力学研究几乎是一片空白。为了进一步提高整体误差齿轮测量仪的测量效率，有必要深入研究整体误差测量机的动力学。一方面解决一定机械结构参数下最高许用测量速度的理论计算问题，另一方面为提高最高许用测量速度提出机械、电气和控制策略方面的优化建议。

目前，齿轮整体误差测量技术主要用于圆柱齿轮测量的批量生产，有锥齿轮测量仪器，但实际应用并不多。在测量领域中没有生产量规，例如平面齿轮和摆线齿轮。随着我国机器人减速机行业的快速发展，摆线针轮减速机总成误差测量仪也是发展方向之一。整体误差式测量仪器的机构非常简单，仅需要两个回转运动主轴即可完成测量。相比于齿轮测量中心，不但对环境因素不敏感，而且误差形式简单、误差项目少，易于实现实时补偿。因此，整体误差测量仪器是最适合生产现场的测量仪器。对于难以用常规方法测量的特大齿轮和微小齿轮，开发基于整体误差的在机测量装置也是有可能取得重要进展的研究方向。

（二）工艺误差分析方面

传统的统计过程控制主要关注加工过程的稳定性分析，对工业误差溯源的帮助则较为有限。利用齿轮整体误差测量技术，可以有效地获得所测量的齿轮的所有齿廓误差信息或齿面拓扑信息。采用新的统计分析方法处理整体误差的大量测量数据可以得到优于传统方法的评价结果，可用于分析齿轮加工误差的来源并预测齿轮使用情况。这种新的分析和评价方法的正确性和有效性通过大量的应用实例验证之后，未来可应用于针对特定加工设备的在线误差补偿。

传统上圆柱齿轮加工中基于测量的机床参数反调是由人工完成的，仅在在螺旋锥齿轮加工领域引入了计算机辅助的机床参数调整，其中调整参数特别复杂。然而，随着齿轮传动系统的功率密度的不断提高，齿轮修形，齿形修改和正齿轮的组合修改已被广泛推广。圆柱齿轮拓扑改造的加工和测量技术已投入实际应用。因此，用于修形圆柱齿轮的基于测量的机床参数自动反调技术已具有了实际的应用价值。齿轮整体误差测量具有效率高、信息全的优点，是最适用于该应用场合的齿轮测量原理，未来在这个领域内的研究必将取得丰硕的成果。

（三）齿轮配对方面

在齿轮整体误差概念提出伊始就已经有了对批量生产齿轮进行基于测量的配对使用，从而在不提高加工质量的前提下改善齿轮传动质量的构想。齿轮副的整体误差理论在主齿轮和从动齿轮的几何误差与齿轮副的运动误差之间建立了桥梁。为基于齿轮测量的有误差齿轮啮合过程分析和传动质量预报提供了理论基础。基于齿轮副总误差的新动力学模型为分析和控制齿轮系统的动态特性提供了理论依据。它提供了一种通过齿轮选择减少齿轮振动和噪音的新方法。随着汽车齿轮快速测量机和齿轮振动性能实验机相继投入试用，在大量整体误差测量数据和齿轮传动性能试验数据的支持下，基于齿轮整体误差测量的齿轮分选与配对理论研究势必取得突破性进展。有望在短期内得到实际应用。未来，随着在机测量装置及数控机床数据接口标准化工作的不断发展，以及物联网、云计算、大数据

等使能条件的完善，齿轮配对将突破一厂、一地的限制，最终趋势是实现全领域齿轮的全局智能调配使用。

三、结论

随着计算机、传感器、数控系统等领域的技术进步，及物联网、云计算、大数据等使能技术的不断发展，齿轮加工和检测领域出现了全新的技术条件。在新的技术条件下，齿轮整体误差测量中的一些传统问题得到了新的解决方案，高测量效率和综合信息的传统优势更加突出。

【参考文献】

[1]石照耀.齿轮整体误差与齿轮传动噪声的关系研究[D].西安：陕西机械学院，2016.

[2]康焱.齿轮副整体误差及其在齿轮配对中的应用[D].北京：北京工业大学，2015.

[3]舒赞辉.齿轮高效配对原理及试验研究[D].北京：北京工业大学，2017.