齒輪整體誤差測量技術及發展趨勢

王振

【摘 要】齒輪整體誤差測量技術是中國機械工業自主研發的國際領先技術之一，并得到了廣泛的推廣和應用。隨著新技術條件的出現，新的解決方案解決了齒輪整體誤差測量技術的一些傳統挑戰，高測量效率和信息的先天優勢更加突出。齒輪整體誤差測量技術有望迎來新的快速發展時期。本文綜述了齒輪整體誤差測量技術的理論和發展趨勢，為齒輪整體誤差測量技術和理論的發展提供了參考和依據。

【關鍵詞】齒輪；整體誤差測量技術；發展趨勢

齒輪的質量通常直接決定了設備的運行性能，使用壽命，安全性和可靠性。經過幾次工業革命后，對齒輪的需求不斷增長，其要求也越來越高[1]。目前齒輪正朝高精度、高功率密度、高可靠性、高效率、長壽命、低噪聲等方向發展，基于齒輪測量的齒輪評估和過程分析是確保齒輪質量的主要方式。本文綜述了齒輪整體誤差測量技術的理論和發展趨勢，為齒輪整體誤差測量技術和理論的研究與開發提供參考和依據。

一、齒輪整體誤差技術理論

除了開發各種實用的新型儀表外，齒輪整體誤差測量技術在齒輪誤差理論方面取得了進展，并提出了齒輪的整體誤差理論。新的誤差理論將齒輪的所有工作齒面上的誤差視為一個整體，并且根據嚙合順序將每個齒面點的誤差統一在嚙合線上。這與齒輪質量和齒輪切削過程密切相關。可以在整體誤差圖[2]上直觀地顯示整體誤差。新的整體誤差理論借助于齒輪整體誤差曲線，闡明和解釋了各種齒輪誤差的變化規律和相互關系、各種誤差產生的原因和對傳動質量的影響，在齒輪嚙合機理、齒輪誤差反映傳動質量、齒輪傳動質量控制、齒面修形、齒輪各種誤差的相互關系和切齒工藝誤差分析等多個方面澄清了一系列與齒輪精度有關的問題。

齒輪整體誤差有幾個鮮明的特點：一是反映了齒輪的全部誤差信息；二是準確揭示齒輪各個誤差的變化規律及其相互關系；第三是在視覺上反映錯誤齒輪的嚙合過程。特別適用于齒輪過程誤差分析和動態性能預測。分析包含豐富錯誤信息的齒輪的整體誤差曲線，并揭示嚙合過程。研究與之相關的齒輪副整體誤差、齒輪修形、承載變形、振動與噪聲、齒輪配對等問題，取得了一系列理論成果并得到具體應用[3]。

二、齒輪整體誤差技術的發展趨勢

（一）測量儀器方面

測量效率和準確度是儀表的重要性能指標。目前，整體誤差齒輪測量儀比齒輪測量中心更有效，但仍有改進的余地。隨著機械動力學的快速發展和計算機軟、硬件水平的提升，齒輪傳動領域的動力學研究已經非常廣泛和深入，機床動力學對齒輪加工過程也有很多研究，但測量領域的動力學研究目前還很不充分，而整體誤差測量機動力學研究幾乎是一片空白。為了進一步提高整體誤差齒輪測量儀的測量效率，有必要深入研究整體誤差測量機的動力學。一方面解決一定機械結構參數下最高許用測量速度的理論計算問題，另一方面為提高最高許用測量速度提出機械、電氣和控制策略方面的優化建議。

目前，齒輪整體誤差測量技術主要用于圓柱齒輪測量的批量生產，有錐齒輪測量儀器，但實際應用并不多。在測量領域中沒有生產量規，例如平面齒輪和擺線齒輪。隨著我國機器人減速機行業的快速發展，擺線針輪減速機總成誤差測量儀也是發展方向之一。整體誤差式測量儀器的機構非常簡單，僅需要兩個回轉運動主軸即可完成測量。相比于齒輪測量中心，不但對環境因素不敏感，而且誤差形式簡單、誤差項目少，易于實現實時補償。因此，整體誤差測量儀器是最適合生產現場的測量儀器。對于難以用常規方法測量的特大齒輪和微小齒輪，開發基于整體誤差的在機測量裝置也是有可能取得重要進展的研究方向。

（二）工藝誤差分析方面

傳統的統計過程控制主要關注加工過程的穩定性分析，對工業誤差溯源的幫助則較為有限。利用齒輪整體誤差測量技術，可以有效地獲得所測量的齒輪的所有齒廓誤差信息或齒面拓撲信息。采用新的統計分析方法處理整體誤差的大量測量數據可以得到優于傳統方法的評價結果，可用于分析齒輪加工誤差的來源并預測齒輪使用情況。這種新的分析和評價方法的正確性和有效性通過大量的應用實例驗證之后，未來可應用于針對特定加工設備的在線誤差補償。

傳統上圓柱齒輪加工中基于測量的機床參數反調是由人工完成的，僅在在螺旋錐齒輪加工領域引入了計算機輔助的機床參數調整，其中調整參數特別復雜。然而，隨著齒輪傳動系統的功率密度的不斷提高，齒輪修形，齒形修改和正齒輪的組合修改已被廣泛推廣。圓柱齒輪拓撲改造的加工和測量技術已投入實際應用。因此，用于修形圓柱齒輪的基于測量的機床參數自動反調技術已具有了實際的應用價值。齒輪整體誤差測量具有效率高、信息全的優點，是最適用于該應用場合的齒輪測量原理，未來在這個領域內的研究必將取得豐碩的成果。

（三）齒輪配對方面

在齒輪整體誤差概念提出伊始就已經有了對批量生產齒輪進行基于測量的配對使用，從而在不提高加工質量的前提下改善齒輪傳動質量的構想。齒輪副的整體誤差理論在主齒輪和從動齒輪的幾何誤差與齒輪副的運動誤差之間建立了橋梁。為基于齒輪測量的有誤差齒輪嚙合過程分析和傳動質量預報提供了理論基礎。基于齒輪副總誤差的新動力學模型為分析和控制齒輪系統的動態特性提供了理論依據。它提供了一種通過齒輪選擇減少齒輪振動和噪音的新方法。隨著汽車齒輪快速測量機和齒輪振動性能實驗機相繼投入試用，在大量整體誤差測量數據和齒輪傳動性能試驗數據的支持下，基于齒輪整體誤差測量的齒輪分選與配對理論研究勢必取得突破性進展。有望在短期內得到實際應用。未來，隨著在機測量裝置及數控機床數據接口標準化工作的不斷發展，以及物聯網、云計算、大數據

等使能條件的完善，齒輪配對將突破一廠、一地的限制，最終趨勢是實現全領域齒輪的全局智能調配使用。

三、結論

隨著計算機、傳感器、數控系統等領域的技術進步，及物聯網、云計算、大數據等使能技術的不斷發展，齒輪加工和檢測領域出現了全新的技術條件。在新的技術條件下，齒輪整體誤差測量中的一些傳統問題得到了新的解決方案，高測量效率和綜合信息的傳統優勢更加突出。

【參考文獻】

[1]石照耀.齒輪整體誤差與齒輪傳動噪聲的關系研究[D].西安：陜西機械學院，2016.

[2]康焱.齒輪副整體誤差及其在齒輪配對中的應用[D].北京：北京工業大學，2015.

[3]舒贊輝.齒輪高效配對原理及試驗研究[D].北京：北京工業大學，2017.