齒輪表面織構(gòu)化研究現(xiàn)狀與進展*

蘇永生 李 亮2 方 明 黃勝洲

(1.安徽工程大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院 安徽蕪湖 241000;2.南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院 江蘇南京 210016)

齒輪傳動機構(gòu)是眾多機械裝備的核心部件，已被廣泛應(yīng)用于機床、汽車、軍用車輛、機器人、高速鐵路、風(fēng)力發(fā)電、艦艇及航空航天器等領(lǐng)域。隨著工業(yè)技術(shù)的進步，高端裝備制造業(yè)對齒輪傳動機構(gòu)在高速重載方面提出更苛刻的要求，現(xiàn)有齒輪傳動技術(shù)已成為制約高端機電裝備國產(chǎn)化的關(guān)鍵瓶頸之一。齒輪傳動過程中的齒面摩擦環(huán)境異常復(fù)雜，尤其高速重載工況會導(dǎo)致齒輪摩擦界面的溫度升高，潤滑膜難以形成，摩擦副容易發(fā)生點蝕、脫落和膠合等現(xiàn)象。劇烈的齒面摩擦磨損會降低齒輪傳動效率、導(dǎo)致齒面溫度升高、產(chǎn)生振動和噪聲及引起齒面磨損和膠合現(xiàn)象等問題[1-4]。因此，改善齒輪傳動過程中的齒面潤滑和摩擦狀態(tài)，降低齒面摩擦和磨損對抑制齒輪失效具有重要的意義。

近年來，表面織構(gòu)化技術(shù)已成為降低界面摩擦和磨損的研究熱點，并在活塞環(huán)-缸套、機械密封、滑動軸承、模具、刀具等多個領(lǐng)域得到了應(yīng)用，有效改善了摩擦副界面潤滑效果，降低了摩擦表面的摩擦和磨損[5-12]。在仿生學(xué)和表面織構(gòu)摩擦學(xué)研究的推動下，針對復(fù)雜工況下的齒面摩擦磨損等問題，在齒輪設(shè)計和制造中引入表面織構(gòu)實現(xiàn)減摩，為齒輪副摩擦特性“主動調(diào)控”提供了一條可能的途徑，已逐漸成為新型齒輪傳動技術(shù)研究的一個熱點，為改善齒輪失效提供了一種重要方法。

本文作者重點從表面織構(gòu)齒輪理論可行性、表面織構(gòu)齒輪減摩效果和減摩機制等方面，分析齒輪表面織構(gòu)化研究存在的問題，并對表面織構(gòu)化齒輪技術(shù)及應(yīng)用前景進行了展望。

1 齒面抗摩擦和磨損途徑

目前，在齒輪傳動過程中，提高齒輪傳動性能，解決齒輪傳動件齒面摩擦磨損的途徑主要有以下幾個方面：

(1)通過齒輪修形，改善齒輪嚙合區(qū)域的接觸特性和運動特性，減少沖擊和噪聲、提高齒輪承載能力，減少齒面由摩擦磨損而產(chǎn)生的失效[13-15]；

(2)通過開發(fā)耐熱性、耐磨性、硬度、強度、韌性及抗疲勞性能更好的高性能齒輪材料，提高齒輪傳動承載力，降低齒輪摩擦磨損[16]；

(3)應(yīng)用潤滑油、潤滑脂及固體潤滑介質(zhì)降低齒面摩擦和磨損，提高傳動效率和承載力[17-18];

(4)采用涂層技術(shù)改善齒面性能，如通過MoS2/Ti復(fù)合涂層技術(shù)降低齒輪箱溫度和摩擦因數(shù)[19]；對齒面開展熱噴涂與噴丸結(jié)合的復(fù)合涂層技術(shù)，提高齒面完整性[20]。

2 表面織構(gòu)齒輪減摩理論分析

齒輪副嚙合界面摩擦過程非常復(fù)雜，摩擦界面既有滑動摩擦，也伴隨滾動摩擦發(fā)生。在齒輪傳動過程中，在重載條件下齒輪副會發(fā)生彈性變形，使得理論上的線接觸轉(zhuǎn)變?yōu)槊娼佑|[21]，這為在潤滑介質(zhì)參與條件下，通過齒面上的微織構(gòu)、納米織構(gòu)或微納復(fù)合織構(gòu)來改善齒面潤滑、降低齒面摩擦，進而發(fā)揮減摩作用提供了可能。圖1所示為表面織構(gòu)齒輪示意圖。

圖1 表面織構(gòu)齒輪示意圖Fig 1 Schematic diagrams of surface texture gear (a) friction on the gear surface;(b) groove texture compound lubricant; (c) groove texture on the gear surface;(d) enlarged topography of groove texture

高速重載極端工況條件下，齒面存在復(fù)雜的相互摩擦和高溫高應(yīng)力的多重作用，對于常規(guī)齒輪副嚙合界面來說，外部供應(yīng)的潤滑介質(zhì)難以在摩擦界面持續(xù)存在，致使嚙合界面潤滑效果不佳，而摩擦界面潤滑膜的穩(wěn)定持續(xù)形成可能是實現(xiàn)齒面自潤滑，降低齒面摩擦和磨損的關(guān)鍵。根據(jù)現(xiàn)有研究理論推測：表面織構(gòu)內(nèi)儲存的潤滑介質(zhì)在摩擦熱、摩擦力及摩擦振動等作用下，易在摩擦界面迅速鋪展并拖覆至摩擦區(qū)域成膜，持續(xù)參與摩擦過程，改善潤滑效果。

3 表面織構(gòu)齒輪潤滑及減摩特性

仿生摩擦學(xué)和表面織構(gòu)摩擦學(xué)研究表明，表面織構(gòu)在減摩、抗黏附、抗磨損及減振等多個方面表現(xiàn)出良好的摩擦學(xué)性能，這為表面織構(gòu)化齒輪減摩提供了借鑒和參考。目前，針對表面織構(gòu)化齒輪對摩擦界面的摩擦特性的影響，國內(nèi)外部分專家和學(xué)者開展了初步的研究。

3.1 表面織構(gòu)化齒輪研究

吉林大學(xué)呼詠等人[22]在圓柱滾子上采用激光加工技術(shù)制備出多種條紋狀表面織構(gòu)，并開展了齒輪副的嚙合傳動模擬試驗，研究表明，表面織構(gòu)能夠改善齒輪潤滑條件、利于存儲碎屑、增大散熱面積，有效提高齒輪的接觸疲勞性能。吉林大學(xué)韓志武等[23]利用激光雕刻技術(shù)，在齒輪齒根處分別制備出多種寬度、橫向間距和縱向間距的條紋溝槽織構(gòu)陣列，開展了織構(gòu)化齒輪的彎曲疲勞試驗研究，試驗結(jié)果表明：與常規(guī)齒輪相比，齒輪表面的織構(gòu)陣列對改善齒輪的彎曲疲勞壽命具有良好的效果，能夠?qū)X輪的彎曲疲勞壽命提高最大約1.5倍。此外，韓志武等[24-25]也開展了織構(gòu)化直齒圓柱形齒輪有限元仿真分析，結(jié)果表明：與常規(guī)齒輪相比，表面織構(gòu)化的齒輪具有更低的固有頻率和更小的形變量，取得了更好的齒輪動態(tài)特性。GRECO等[26]開展了微圓坑織構(gòu)摩擦試驗，并指出在齒輪表面設(shè)計微圓坑織構(gòu)可提高齒輪系統(tǒng)的抗膠合性能。PETARE等[27]在合金鋼20MnCr5上借助光纖激光器開展了齒輪激光織構(gòu)化研究，并對激光織構(gòu)化后的齒輪輔以磨料流拋光處理，結(jié)果表明，激光織構(gòu)化并輔以磨料流拋光后的齒輪，在跳動、平均表面粗糙度、最大表面粗糙度、顯微硬度、耐磨性等方面改善效果，其中耐磨性性能提高了26.41%。

3.2 齒輪表面織構(gòu)形狀研究

清華大學(xué)湯麗萍和劉瑩[28]針對于Magg交叉織構(gòu)和普通磨削織構(gòu)建立觸模型，比較了2種紋理的摩擦特性，發(fā)現(xiàn)Magg 交叉織構(gòu)的減摩效果均優(yōu)于普通磨削織構(gòu)；同時，針對Magg 交叉織構(gòu)和普通磨削織構(gòu)開展了重載條件下的齒輪嚙合傳動試驗驗證，試驗結(jié)果與理論結(jié)果一致，且發(fā)現(xiàn)織構(gòu)深寬比、夾角、分布密度等特征參數(shù)影響摩擦學(xué)性能，最優(yōu)的織構(gòu)參數(shù)可以獲取最優(yōu)的界面摩擦學(xué)性能；此外，對Magg交叉織構(gòu)、普通磨削織構(gòu)和激光表面凹坑織構(gòu)的摩擦性能進行了理論比較，結(jié)果表明凹坑織構(gòu)具有最優(yōu)的減摩性能。

吉林大學(xué)邵飛先[29]利用激光加工技術(shù)在齒輪表面制備出凹坑及凸包形織構(gòu)，研究了乏油條件下齒輪界面摩擦學(xué)性能及其抗磨損機制，試驗表明：在乏油條件下，相較于方形槽凹坑織構(gòu)和凸包形織構(gòu)，弧形槽凹坑織構(gòu)具有最好的抗磨損性能，凸包形織構(gòu)抗磨損性能最差；此外，當(dāng)載荷較大時，織構(gòu)齒輪難以降低界面摩擦因數(shù)，反而表現(xiàn)出不斷增大規(guī)律；織構(gòu)齒輪有限元仿真結(jié)果表明，齒面織構(gòu)化能夠有效改善齒面接觸狀態(tài)。

3.3 齒輪表面織構(gòu)特征參數(shù)研究

湯麗萍和劉瑩[28]在研究中發(fā)現(xiàn)齒輪織構(gòu)特征參數(shù)對界面摩擦因數(shù)有較大影響，一定條件下的織構(gòu)深寬比、角度和分布的最優(yōu)組合可以獲取最小的摩擦因數(shù)如圖2所示。

圖2 齒輪織構(gòu)特征對摩擦因數(shù)的影響Fig 2 Influence of gear texture characteristics on friction coefficient (a) depth-to-width ratio;(b) included angle of texture; (c) density of distribution

湖南工業(yè)大學(xué)何國旗等[30]研究了凹坑織構(gòu)參數(shù)對齒面潤滑效果的影響規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)凹坑直徑在50～200 μm、凹坑深度在5～20 μm間變化時，對應(yīng)凹坑織構(gòu)直徑參數(shù)取100 μm、凹坑深度取10 μm時，對增加潤滑膜厚度的效果最好。吉林大學(xué)韓志武等[23]發(fā)現(xiàn)，齒輪表面的條紋特征如寬度、橫向間距和縱向間距對齒輪彎曲疲勞壽命具有重要的影響，試驗分析表明，存在一個最優(yōu)的條紋特征組合，即當(dāng)條紋寬度、橫向間距和縱向間距分別取150、150 和250 μm時，對齒輪的彎曲疲勞性能影響最小。

4 表面織構(gòu)化齒輪問題及未來研究方向

4.1 齒輪表面織構(gòu)減摩機制研究

現(xiàn)有研究初步顯示表面織構(gòu)對齒輪界面摩擦特性改善具有積極效果,但高速和重載等極端工況下，齒輪織構(gòu)減摩特性及其復(fù)合潤滑介質(zhì)的作用機制，國內(nèi)外尚未涉及。

4.2 齒輪表面織構(gòu)參數(shù)研究

目前，國內(nèi)外針對齒輪織構(gòu)特征參數(shù)的研究較少，仍處于試驗嘗試階段，在刀具織構(gòu)等不同摩擦副研究中發(fā)現(xiàn)：與滑動摩擦方向垂直的橫向溝槽比平行溝槽和坑狀織構(gòu)具有更好的減摩效果，但是，橫向溝槽能否在齒輪副界面取得更優(yōu)的減摩效果尚需驗證，且現(xiàn)有研究缺乏針對極端工況下織構(gòu)特征參數(shù)的系統(tǒng)性試驗數(shù)據(jù)和理論研究成果，用于指導(dǎo)齒輪織構(gòu)參數(shù)選擇。

4.3 齒輪表面織構(gòu)協(xié)同潤滑介質(zhì)效應(yīng)研究

現(xiàn)階段，利用新型齒輪材料來進一步提高齒輪耐磨損性能仍難有大的突破，傳統(tǒng)的潤滑油和潤滑脂在苛刻的工況條件下潤滑效果不佳，而表面織構(gòu)復(fù)合固體潤滑劑，能夠長時間保持摩擦界面的低摩擦狀態(tài)，這為極端工況下的齒輪界面的減摩提供了可能[31]。目前，在齒輪織構(gòu)特征研究中，針對齒輪織構(gòu)特征參數(shù)協(xié)同不同潤滑介質(zhì)對界面摩擦特性影響涉及的很少，如何發(fā)揮潤滑介質(zhì)和織構(gòu)特征參數(shù)協(xié)同作用下，獲取界面最優(yōu)摩擦性能，尚需深入探索和研究。

4.4 齒輪表面織構(gòu)未來研究方向

針對上述齒輪織構(gòu)存在問題，在后續(xù)的齒輪織構(gòu)研究中應(yīng)重點從以下幾個方面開展工作：

(1)極端工況下齒輪織構(gòu)減摩機制研究，分析不同工況下的齒輪織構(gòu)減摩特性，探明齒輪織構(gòu)和潤滑介質(zhì)的綜合作用機制，指導(dǎo)齒輪織構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化。

(2)齒輪織構(gòu)特征參數(shù)與界面潤滑效果關(guān)系研究，指導(dǎo)齒輪織構(gòu)參數(shù)選擇。

(3)多變量齒輪織構(gòu)設(shè)計方法研究，針對常規(guī)工況和極端工況下的摩擦特性進行驗證和探索，構(gòu)建多變量復(fù)合的齒輪織構(gòu)設(shè)計方法和參數(shù)計算方法。

5 結(jié)語

國內(nèi)外專家和學(xué)者在眾多摩擦副表面已經(jīng)開展了表面織構(gòu)化技術(shù)的理論和試驗研究，研究結(jié)果表明：同等條件下表面織構(gòu)化的摩擦副與無織構(gòu)摩擦副相比， 總體上來講可以減小摩擦力，降低摩擦溫度，改善界面摩擦狀態(tài)，且基本認為微溝槽的作用效果優(yōu)于微坑織構(gòu)，與切削刃平行的橫向微溝槽的作用效果優(yōu)于縱向微溝槽。

現(xiàn)有研究基本表明：表面織構(gòu)復(fù)合潤滑介質(zhì)對降低摩擦界面摩擦，改善界面潤滑效果，提高摩擦副抗磨損性能具有良好的積極作用。因此，借鑒表面織構(gòu)技術(shù)在其他摩擦副的現(xiàn)有研究成果，針對齒面摩擦磨損問題，開展更為深入系統(tǒng)的機制探索和應(yīng)用技術(shù)研究，為有效改善齒輪傳動件的摩擦學(xué)特性，提高齒輪件壽命及奠定該技術(shù)的工程化應(yīng)用基礎(chǔ)，具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。綜上可知，表面織構(gòu)齒輪技術(shù)是一種具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ男滦驮O(shè)計技術(shù)，已逐漸成為國內(nèi)外研究的新熱點，必將對解決高端裝備齒輪傳動機構(gòu)極端運行工況下出現(xiàn)的低效率、低精度、低壽命等問題產(chǎn)生廣泛和深遠的積極影響。