中国齿轮技术发展30年
——刘忠明
历史回顾
齿轮的雏形最早出现在公元前200年前中国的水车中，应为木制件；从公元前200年到公元1800年，随着人类生产力的发展和冶炼技术的开发，出现了用铜和铸铁制造的齿轮，使得其承载能力和寿命大大提高。在公元前200年至公元23年的《西京杂记》中所记载的指南车，其齿轮传动构思之妙、水平之高、涉及领域之广，堪称古代文明之最，著名齿轮专家Dudley曾誉之为“古代齿轮技术的里程碑”[1]。自19世纪欧洲工业革命后一直到今天的200年中，蒸汽机、内燃机、电动机的新动力代替了原始的水力传动，钢制齿轮也逐渐替代了铸铁齿轮。美国、前苏联、德国、日本等经济发达国家把齿轮传动技术推向了一个新的高峰，齿轮技术发展之快、成果之多，远远超过历史的任何时期。尽管中国的齿轮传动历史可追溯到3000年前，但只有在中华人民共和国成立后，中国的齿轮传动技术才有了长足的进步。中国齿轮行业的发展里程大致可分为4个阶段：1）初创期（1950-1965）：建国初期，我国齿轮工业几乎是空白。第一个五年计划（1953-1957）期间开始发展齿轮制造业，1956年成立了机械科学研究院，下设齿轮传动研究室，这是中国最早的齿轮技术研究开发机构。1963年中国机械工程学会齿轮传动学会成立，并在太原市召开第一届全国齿轮学术会议。20世纪60年代中约有齿轮制造厂（车间）100多家。2）缓慢发展期（1966-1980）：我国的齿轮工业基础初步形成，齿轮生产厂家约有200个，涉足齿轮技术的研究所有7个，如郑州机械研究所有限公司（机械科学研究院搬迁至河南），西安重型机械研究所，成都工具研究所等。同时，从事齿轮传动技术研究的高等院校大约有10所。期间受文化大革命的影响，齿轮产业和技术的发展遭受很大影响。3）快速发展时期（1981-1995）：随着国家开始大量进口大型成套工业装备，通过国家重点投人和数量可观的技术或产品引进，齿轮技术又在样机试制和备件国产化中得到发展，同时还进行了一系列基础数据、制造工艺及装备研究，缩小了在文革中拉大的与国际先进水平的差距，齿轮传动技术研究在中国有了较大的发展，形成了第二个高潮。同时国际交流也较频繁，如1988年，齿轮传动国际学术会议在中国郑州召开，来自世界18个国家的368名代表出席会议，其中海外齿轮专家与学者有105名。另外，郑州机械研究所完成了联合国援助项目——中国齿轮技术开发中心建设（1986-1990年）。该项目共投资90万美元，还派遣21名技术骨干到美国等工业发达国家进修[2]。这一时期中国的齿轮传动技术已趋于成熟，主要齿轮制造企业有600余家，产值30多亿美元。4）平稳发展时期（1996至今）：其间的技术特点是：渐开线齿轮硬齿面制造技术成熟，全面取代中硬齿面，其他齿形齿轮的应用空间逐步缩小；数控加工装备发展迅速；齿轮行业的发展由技术驱动型转为产品或设备驱动型；从事齿轮技术研究的高校大幅度减少，主要集中在锥齿轮方面；新齿形、新工艺、新技术研究处于相对低潮期；中国齿轮市场规模自2009年超过1000亿人民币，5年后的2013年超过2000亿人民币，2018年达到2600亿人民币。目前，我国齿轮市场规模位居世界第一，也是中国通用零部件行业市场规模最大的行业。图1为2009年-2018年10年来中国齿轮市场规模发展情况。图1 近10年来中国齿轮市场规模发展趋势
30年来，中国齿轮技术随着市场规模的迅速快速扩大取得了迅速发展。齿轮产品基本满足了风力发电、轨道交通、工程机械、石油化工等行业的装备需求；高速齿轮、行星齿轮、锥齿轮、蜗轮蜗杆、圆弧齿轮等各类齿轮传动技术日趋成熟。
美国、日本和欧洲发达国家是齿轮技术强国，仍不断进行基础研究，持续提升设计水平。30年来我国齿轮产品的设计水平不断提高，与发达国家的差距逐渐缩小，常规设计分析技术已基本成熟，但在多学科耦合设计专业软件开发、动力学建模分析、减振降噪设计、多余度合流与分流设计、传动系统效率和热平衡计算、机电液复合传动集成设计等方面还有明显差距。30年来我国齿轮工作者涉足齿轮传动技术研究的各个方面，特别是在新齿形与新应用、齿轮动力学分析及修形、锥齿轮型面啮合分析与控制、非圆齿轮齿廓分析、专业软件开发等方面做了大量工作。1）新齿形、新应用
1765年瑞士数学家欧拉建议齿轮采用渐开线齿廓以来，渐开线成为目前齿轮传动“一枝独秀”的齿廓。尽管理论上凡符合啮合定律的任何曲线都可作为齿轮啮合的齿廓，但用于工业生产的齿廓曲线只有摆线、圆弧线、渐开线及其组合4种。渐开线齿廓具有直刃刀加工、中心距可分、可变位等其他齿廓难以望其项背的优点。1923年美国人怀尔德哈伯最先提出圆弧齿廓的齿轮，1955年前苏联的诺维科夫通过深入研究使其得以实际应用。1958年圆弧齿轮引入我国后，郑州机械研究所、太原理工大学、哈尔滨工业大学等对圆弧齿轮做了大量理论和试验研究工作，在基础理论、制造工艺、标准化等方面取得了重要突破，形成了我国独有的理论与技术体系。双圆弧齿轮的磨齿是世界性难题，为攻克这一技术难题，1995年开始郑州机械研究所和太原理工大学等单位对硬齿面双圆弧齿轮的刮削加工工艺进行了研究，掌握了渗碳淬火双圆弧齿轮刮削加工的成套制造技术，使硬齿面双圆弧齿轮的承载能力与相同规格的硬齿面渐开线齿轮相当，结束了硬齿面双圆弧齿轮难以精加工的历史，是硬齿面双圆弧齿轮技术上的重大创新，使我国圆弧齿轮的制造水平居国际领先水平。30年来，圆弧齿轮产品在石油化工等领域获得了成功应用。但由于其自身的局限性，特别是硬齿面渐开线圆柱齿轮制造、检测技术成熟以来，圆弧齿轮只能在局部领域替代渐开线齿轮，远未达到人们原来的期望。1990年合肥工业大学等开始微线段齿轮研究，2000年研制出减速器，并与渐开线齿轮进行了对比试验。该齿轮齿廓由上万段微线段组成，打破了传统齿廓曲线必须二阶光滑连续的局限，设计时对性能可调控的余地较大，因此设计出的齿轮传动装置比传统渐开线齿轮装置有很大提升，如强度可提高50%左右，效率可提高几个百分点等[3]。点线啮合齿轮为原武汉水运工程学院1986年提出，其小齿轮为一个变位的渐开线短齿，大齿轮其上部为渐开线凸齿廓，下部为过渡曲线的凹齿廓,啮合时既有接触线为直线的线啮合，同时又存在凹凸齿廓接触的点啮合，产品在起重运输机械和煤矿机械中有推广应用。在特殊齿轮传动技术研究方面，郑州机械研究所完成了科技部“输送用高参数齿轮泵设计制造关键技术研究”、“特殊齿形齿轮泵的研制”、“新型内啮合齿轮泵研究”、“P型特殊齿形高粘度齿轮泵”等等项目，开发了NCB内齿轮泵、TGC（P型泵）和SPX外啮合齿轮泵两大类、三种系列、22个规格的高参数齿轮泵产品；开发了可用于内、外啮合两种啮合形式以及牛顿、非牛顿两种工作介质的齿轮泵CAD/CAE集成软件系统，建成了高粘度齿轮泵试验台，形成了全套具有自主知识产权的内、外啮合高参数齿轮泵的设计制造技术，“高参数特种齿轮泵关键技术及系列产品研发”获2008年机械工业科技进步二等奖；郑州机械研究所还完成了科技部“精密单螺杆制冷压缩机关键制造技术研究”、“600MW发电机组锅炉回转式空气预热器传动装置研发”等项目，完成了精密单螺杆制冷压缩机中的单螺杆转子（图2）、600MW发电机组锅炉回转式空气预热器传动装置和支承轴承、三叶罗茨风机摆线转子、大型机械用销齿传动等各类特殊齿轮传动的理论研究和产品开发等工作。
非圆齿轮最早出现于19世纪末荷兰制造的立车刀架快回机构中，但受制于其设计、制造的复杂性，在相当长的一段时间内没有得到应用推广。20世纪60年代以前，非圆齿轮研究主要集中在理论研究方面，解决了啮合理论和设计方面的许多基本问题，确定了非圆齿轮齿廓啮合所要满足的几何条件。但受当时计算机技术和数控技术等限制，这段时期针对非圆齿轮的设计主要依赖手工计算，费时费力。加工手段主要依靠靠模法、分度近似切齿法、断续展成法和铸造法制齿，生产效率和加工精度都较低，使得非圆齿轮很难得到应用推广。20世纪60-80年代非圆齿轮的发展一直处于低潮。进入20世纪80年代，伴随着计算机和数控加工技术的快速发展，非圆齿轮也进入快速发展期。针对非圆齿轮，我国学者在设计、加工、应用等各个方面都进行了深入的研究。如出版了“非圆齿轮”、“非圆齿轮及非匀速比传动”等专著，郑州机械研究所针对非圆齿轮CAD/CAM系统进行了研究和开发，实现了非圆齿轮从设计到加工的自动化。在这一时期，随着计算机技术的发展，非圆齿轮的开发已广泛采用计算机辅助设计系统。数控滚齿机、数控插齿机、线切割等数控设备的出现也使非圆齿轮的加工易于实现，并可获得很好的加工精度。目前，非圆齿轮仍是齿轮技术研究的热点之一，据不完全统计，仅2016年在国内期刊杂志上发表的相关论文就有79篇，分别从设计、制造、测绘、仿真、啮合特性、承载能力等多个方面进行了较为全面的研究，仍是齿轮传动的热点之一。目前，非圆齿轮在国内的很多机械产品中得到了普遍应用（图3、图4）。但与传统圆柱齿轮市场相比规模较小、较为分散，对我国非圆齿轮市场的开拓以及专业生产厂家的形成，均产生了一定的影响。
2）轮齿修形技术
渐开线齿轮动力学和修形技术的研究是最近30年研究成果最多、进展最快的技术之一。齿轮轮齿的修形包括齿形修形、螺旋线修形、对角修形及三维拓扑修形等。通过修形可以达到：①改善齿面载荷分布，提高承载能力；②减小传递误差，降低齿轮传动噪音；③降低摩擦损失,提高传递效率等。特别是通过修形可以明显改善载荷在齿宽方向的分布，提高齿轮的承载能力。在GB/T 3480标准所有载荷修正系数中，齿向载荷分布系数Kβ是影响因素最多、计算最复杂的。轴系结构尺寸设计不合理、制造装配误差较大时，有可能出现不合理的、较大数值的Kβ。国外有文献曾对某2MW风电增速箱做过研究，结果表明未修形时Kβ=1.67（载荷分布如图5（a）所示）；采用螺旋线修形时Kβ=1.23（载荷分布见图5（b）所示）；在进一步考虑行星架扭转变形的影响时Kβ=1.16（载荷分布见图5（c）所示），齿向载荷分布系数比不修形时降低了30%，中心距可降低约12%；但如果修形不当，出现过量修形时Kβ=1.98（载荷分布见图5（d）所示），不但齿向载荷分布得不到改善，反而降低了承载能力。齿轮轮齿的修形不能仅考虑齿轮本身的变形和误差，应对整个传动链的误差、变形等进行计算分析，这涉及到复杂的设计和制造技术，而且最终还需经试验或实际运行验证。齿轮修形技术在欧美国家已经得到普遍应用，但目前国内对此缺乏深入系统的研究，难以提供适合各种工况的精确指导，这也是我国齿轮传动产品比较落后的主要原因之一[4]。
3）锥齿轮设计分析技术
30年来锥齿轮设计制造技术取得巨大进展。由于锥齿轮在几何上非常复杂，其设计分析方法与制造方法密切相关，加工中的切齿调整方案直接影响着齿轮副的啮合质量。目前，我国高等院校中与齿轮传动相关的研究主要集中在锥齿轮方面。我国锥齿轮设计标准大多采用零变位设计。河南科技大学利用分锥与节锥相对变位的原理，提出了“节锥不变、分锥变位”的非零传动锥齿轮技术，可以大幅度提高锥齿轮的承载能力，技术产品已在重型机械、机床、舰船、煤矿、油田等行业推广。直升机等航空传动系统也多采用锥齿轮传动，其工作特点是高速、重载且工况复杂，要求质量轻、可靠性高，对锥齿轮啮合精度和干运转能力有十分苛刻的要求，我国航空锥齿轮传动寿命和可靠性与国外先进水平相比差距很大[11]。4）设计分析软件
30年来，我国齿轮软件经历了从无到有、从功能单一到系统集成的快速发展。随着计算机技术和编程技术的发展，单一功能的齿轮计算分析软件已变得十分简单。目前，国产软件中，影响较大的有郑州机械研究所开发的齿轮传动CAD集成系统（ZGCAD）、重庆理工大学开发的锥齿轮设计制造分析软件系统等。ZGCAD软件从1987年开始开发至今，已几乎包含所有齿轮传动类型的几何尺寸计算、强度校核等功能。目前，该软件系统已在冶金、石化、煤矿、电站、汽车、大型工程装备等行业的约600家齿轮设计制造单位使用，软件还销往台湾地区。功能主要包括：①渐开线圆柱齿轮传动优化设计系统；②高速齿轮传动优化设计系统；③锥齿轮传动优化设计系统；④双圆弧齿轮传动优化设计系统；⑤蜗轮蜗杆传动优化设计系统；⑥NGW型行星齿轮传动优化设计系统；⑦齿轮几何尺寸及精度计算；⑧齿轮强度计算软件；⑨齿轮及轴系有关计算软件；⑩齿轮轴系零部件参数化绘图系统；⑪非圆齿轮CAD系统等。与国外先进的专业软件Romax、MASTA、KissSoft等相比，国产软件基本上属于计算类软件，主要是相关标准的程序化，功能相对单一，系统集成性较差，在复杂齿轮传动系统的3D精确建模与系统分析等功能方面，还难以与国外先进的同行软件相媲美。可喜的是，2018年国家重点研发计划“制造基础技术与关键部件”专项设立了“齿轮传动数字化设计分析与数据平台”项目，将由郑州机械研究所牵头、联合重庆大学、大连理工大学、中南大学、重庆理工大学及南高齿、杭前进、二重、太重等骨干企业共同开展齿轮数字化设计及数据平台的开发与应用工作，期望三年后我国的齿轮专业软件有一个大的提升。30年来，我国齿轮制造技术及装备取得了突飞猛进的发展，硬齿面成型磨削、齿根喷丸强化、齿面超精加工、近净成型、干切加工等技术得到快速发展和成熟，体现出四“Jing”的特点：①精确。加工几何尺寸更加准确，几何精度大幅度提高，磨齿经济精度可达4~6级；②精明。齿轮加工机床功能复合化、数控化、智能化程度日益提高，具有自动找正、自动换刀、自动在线测量甚至自动上下料等功能，使得加工效率大幅度提高，操作进一步简便，操作工人的劳动强度大大降低；③静。齿轮加工时产生的噪声大幅度减小，产品质量的提高使设备运行时的噪声进一步降低；④净。一是加工精度的提高，使得零件毛坯或半成品加工量减小；二是机床工作时更注重绿色环保，生产车间更加干净，环境更加良好。渐开线硬齿面齿轮成型磨削技术及装备的发展是近30年取得的最伟大成就之一，使得硬齿面齿轮全面替代软齿面或中硬齿面，也使得轮齿的修形变得简单可行；使渐开线圆柱齿轮的普通精度等级从8～10级提高到4～6级。超精密齿轮的工业小批量生产水平可以很容易地达到3级精度。日前，大连理工大学王立鼎院士团队成功研制出1级精度基准标准齿轮，齿轮精度达到国际领先，填补了国内外1级精度齿轮制造工艺与测量方法的空白。目前，渗碳淬火磨齿齿轮存在的主要问题是磨削量过大导致的磨削烧伤和磨削台阶等问题。渗碳淬火齿轮因热处理畸变较大需要磨削精加工，其磨削量主要取决于齿轮的热处理畸变量。根据我国目前的情况,按齿轮模数大小及齿轮的结构和尺寸不同,磨削量一般在0.2～0.6mm范围内,有的可达0.8mm甚至1mm以上。过大的磨削量会降低表层最佳的硬度及其梯度分布、金相组织，从而丧失了表面起良好作用的残余压应力。国内目前很多企业对这一问题缺乏足够的重视。长期以来，齿轮切削加工中需要使用切削液，这不仅会造成作业环境的污染，而且会影响操作者的健康，更会增加相关成本。随着环保要求的越来越严，齿轮的干切技术得到了快速发展。干切可分为直接干切、风冷干切、冷风干切等。直接干切是在不采取冷却措施的条件下直接进行加工，要求机床的耐热性和刚性要好。对于滚齿机而言，由于普通机床的传动链较长、整个切削系统刚性较差，难以满足干切要求。数控机床通过缩短传动链，增加系统刚性，才可能实现干切要求。同时，要保持连续切削，刀具也必须能够承受持续高温，因此目前采用直接干切方式进行滚齿加工尚不普遍；风冷干切是用压缩空气代替切削油等冷却液的切削加工方式。目前风冷干切在滚齿和花键加工中有应用；冷风干切是向切削点喷射低温的压缩空气以获得良好的冷却效果。有研究表明：高速干式滚齿机加工齿轮全过程的碳排放总量比普通湿式切削滚齿机加工齿轮全过程的碳排放减少55.7%，大大降低了齿轮加工的物料、能源消耗及加工成本费[6]。近净成形技术主要用于大规模生产的车辆齿轮，经精密锻造技术生产的直齿轮、锥齿轮等零件经较少的切削加工或直接用于产品。少、无切削的近净成形和净成形是一种快速发展的先进制造技术，是在传统模锻基础上逐步发展起来的。克服了切削加工材料利用率低、生产效率低以及切断了金属纤维流线而造成的疲劳强度降低等问题，具有节材降耗、生产效率高、生产成本低、零部件强度高等优点，符合高效、精密、绿色清洁的先进制造技术的发展趋势。近几年，我国直齿锥齿轮的精密锻造技术得到了快速发展，由最初的热锻，到冷精锻，锻造出来的齿轮质量有了很大的提高，相关的技术已经在国内不少企业获得了产业化批量生产[7]。喷丸强化技术是随着风电齿轮的发展，近年来得到普遍应用的一种轮齿齿面强化技术。喷丸强化是通过机械手段在齿轮表面产生压缩变形和残余压应力，从而提高轮齿表层疲劳强度的一种齿面改性方法。喷丸后齿面强化层内产生塑性变形，表层残余奥氏体向马氏体转变，使原始马氏体的位错密度增加、结构细化，喷丸使金属表面显微硬度和数十微米的表层内的残余压应力增大，从而达到大幅度提高齿轮弯曲疲劳强度的目的。喷丸强化的作用主要有：①增加残余压应力；②细化组织结构；③提高表面硬度；④改变表面粗糙度等。前3种作用都可提高齿轮的疲劳寿命，而喷丸强化后表面粗糙度的增加则可能降低齿轮的接触疲劳寿命。因此，一般认为喷丸强化有利于弯曲疲劳强度的提高。实际应用中，可通过控制丸粒硬度、直径、强度、覆盖率等工艺参数来改善喷丸对齿轮表面完整性的影响。齿轮喷丸强化表面完整性的控制关键主要是对残余应力分布和表面粗糙度的控制，避免出现“欠喷”和“过喷”等不当的喷丸强化。根据喷丸工艺的不同，喷丸强化可分为强力喷丸、微粒喷丸和复合喷丸等3种。强力喷丸是用高硬度铸造钢丸（直径0.4～0.6mm）在高压、高速下轰击齿轮表面，使齿轮表层的残余压应力显著提高，从而抑制疲劳裂纹的产生和扩展。同时，喷丸强度越大，残余奥氏体转变为马氏体的深度越深，数量越多，齿面硬度提高也越明显；强力喷丸虽可大幅度提高齿根表层的残余压应力，提高齿轮的弯曲疲劳强度，但也会使齿面粗糙度增加。微粒喷丸（直径小于0.1mm）既可在一定程度上提高齿轮表层的残余压应力，又能有效降低强力喷丸对齿面粗糙度的不利影响，满足喷丸对齿面粗糙度的要求；复合喷丸是指采用两次或多次喷丸，一般是先用高硬度较大丸粒在高压、高速条件下强力喷丸，然后再用直径较小的高硬丸粒进行微粒喷丸，以实现在齿轮表面形成残余压应力、改善表面粗糙度、提高表面硬度的目的。复合喷丸可以使齿齿根表层有较大的残余压应力又不使齿面粗糙度明显降低。研究表明复合喷丸比微粒喷丸和强力喷丸的强化效果更为明显，最大残余压应力可达到1300MPa，使齿轮的弯曲疲劳极限大幅度提高[8]。我国齿轮材料及热处理技术是随着机械工业对齿轮质量和承载能力要求的不断提高而发展的。30年来我国的齿轮材料及热处理技术取得了突飞猛进的发展和骄人的成绩。20世纪70年代，我国齿轮的生产以软齿面调质工艺为主，承载能力低。自20世纪80年代开始，我国开展了大规模的硬齿面制造技术研究工作，如材料选取方面进行了齿轮钢材国产化系列化研究，齿轮硬齿面热处理工艺及其装备研究，齿轮弯曲疲劳强度、接触疲劳强度及抗胶合能力等方面的试验研究等工作，奠定了我国硬齿面齿轮全面代替中硬齿面齿轮的基础，大大提高了我国齿轮制造的技术水平[9]。尽管如此，随着现代工业的发展，齿轮设计参数不断提高，对齿轮使用性能、寿命和可靠性也提出了更高的要求，对热处理技术水平的发展提出了更高的要求。目前，齿轮材料及热处理质量的高低在一定程度上成为制约齿轮服役寿命和可靠性的关键。当前，渗碳齿轮仍然存在很多与热处理密切相关的问题：预备热处理与齿轮加工性能和热处理畸变、硬化层深度与齿轮疲劳剥落、有效硬化层深度与渗碳深度及工艺控制、齿轮渗碳后缓冷工艺与开裂、齿轮热处理工艺应力与疲劳性能和加工性能、齿轮心部硬度及心部韧性与齿轮强度和工艺性能、高浓度催渗渗碳应用等[10]。近年来，国内感应淬火工艺也得到了快速发展，在风电齿圈、三峡升船机齿条中都获得了成功应用。三峡升船机为国内首次采用齿轮齿条爬升平衡重式垂直升船机，过船规模3000吨级，最大提升总质量达1.55万吨，承船厢垂直升降最大高度113m，是世界上技术最复杂、规模最大的升船机。2009年三峡升船机齿条进入招标阶段时，国内尚没有解决避免大型铸造齿条感应淬火齿面开裂这一世界性难题，对开式硬齿面齿轮齿条传动的失效模式也缺乏经验，三峡升船机齿条立足国内生产面临严峻考验。为解决这一问题，郑州机械研究所、二重集团（德阳）重型装备股份有限公司、上海交通大学等单位经过3年多的联合攻关，成功攻克了特大模数齿条的铸件冶炼铸造、轮齿感应淬火、齿面高效高精度加工等技术难题，为三峡升船机工程成功生产出质量合格的102根齿条，为三峡升船机工程建设的顺利完成和通航奠定了重要基础。课题取得的主要创新点有：①齿条材料热处理特性研究及材料优化。在对材料CCT曲线及冷却特性研究的基础上，优选G35CrNiMo6-6+QT1代替原德国设计的G42CrMo4+QT2；同时根据表淬性能要求对影响齿条感应淬火的关键因素提出质量控制要求；进行了齿条齿面硬度和硬化层深度的设计评估，确定了齿条齿面硬度和硬化层深度及齿根硬化层深度。②大模数齿条感应淬火计算机模拟技术。在对齿条感应淬火的温度测试和残余应力测试技术研究的基础上，发展了基于数值模拟的残余应力调控技术，优化了齿条合金钢相变热力模型，实现了对淬火热力过程的精确分析，提出了“温差累积应变”的概念，计算分析了不同工艺下的应变值，为齿条材料淬火开裂倾向的评定提供了力学条件，支撑了齿条感应淬火不开裂工艺的制定。③大模数齿条感应淬火残余应力控制及工艺技术。在齿条材料特性研究和感应淬火数值模拟的基础上，通过大量的齿块淬火试验、齿条整齿件淬火试验以及对大量表淬性能检测数据、应力测试数据分析比较，最终找到了防止齿根淬火开裂和控制残余应力的工艺方法，使齿条齿面和齿根的应力状态均为压应力。经对批量生产的齿条进行应力测试，表明齿条的应力分布状态是稳定的，形成的克服大模数齿条齿根淬火开裂和控制齿条残余应力的感应淬火工艺技术是可靠的。④大模数齿条表面淬火变形控制技术。研制了专用的防变形工装代替传统的背靠背把合方式，大大减小了大型齿条表淬过程的变形，提高了表淬生产效率；采用齿条定位基准台阶和顶推顶具，有效提高了齿条的安装效率和齿条定位的可靠性。⑤大模数硬齿面齿条齿形高效高精度加工方法。采取铣削加工代替传统的磨削加工，使加工效率显著提高；通过对面铣刀的优化，提高了面铣刀的使用寿命和加工效率；采用多齿法的进刀方式控制面铣刀的运动轨迹，提高了齿面的加工精度和光洁度。研究成果已成功应用于三峡和向家坝升船机齿条的生产，在国际上首次解决了超大模数铸造齿条感应淬火加工的质量控制问题。使二重集团（德阳）重型装备股份有限公司成为世界上首家具备特大模数感应淬火齿条生产能力的企业，取得了巨大的社会效益和良好的经济效益。相关成果获2018年机械工业科学技术一等奖。齿轮测量技术及其仪器的研发已有近百年的历史。齿轮测量技术的发展历程是以齿轮精度理论的发展为前提的。迄今,齿轮精度理论经历了齿轮误差几何学理论、齿轮误差运动学理论和齿轮误差动力学理论的发展过程。1970年是齿轮测量技术的转折点，齿轮整体误差测量技术和齿轮测量机(中心)的出现解决了齿轮测量的难题,即在一台仪器上快速获取齿轮的全部误差信息。20世纪90年代以来，齿轮测量技术在世界范围内得到了迅速发展，发展趋势主要表现在：①齿轮整体误差测量与齿轮坐标测量合二为一；②齿轮测量中心与三坐标测量机合二为一；③功能测试与分析测试合二为一；④齿轮加工与测量合二为一，齿轮在机测量技术在齿轮磨床上得到普通采用[11]。目前，5米以内的渐开线齿轮测量问题已基本解决，但直径大于3米的特大型齿轮的测量仍存在诸多困难。北京工业大学近年来在特大型齿轮的激光跟踪在位测量方法研究等方面作了大量的工作，取得了一批科研成果。近年来，随着风电、轨道交通、汽车等行业的快速发展，齿轮产品的试验装备发展和相关试验研究均取得了喜人的进展。主要表现在：1）郑州机械研究所、重庆大学等研究机构和企业分别购置了齿轮接触疲劳试验机和弯曲疲劳试验机，重新开始了齿轮材料极限应力测试等基础试验研究工作。我国齿轮行业内对齿轮材料极限应力的测试只在20世纪80年代进行过，已中断近30年。20世纪90年代后，尽管有个别企业进行过个别材料的极限应力测试工作，但缺乏系统性、专业性。目前，郑州机械研究所已初步完成了18CrNiMo7-6齿轮材料ME级热处理质量等级的接触疲劳极限应力和弯曲疲劳极限应力的测试工作。目前正在开展不同材料（20CrMoMn、20CrNi2MoA等）、不同制造工艺（喷丸强化、齿面超精加工等）、不同热处理质量（ME、MQ、ML）等级下的齿轮材料的接触疲劳极限应力、弯曲疲劳极限应力进行试验测试工作，以期最终能形成可供全行业使用的基础数据，用于指导不同类型、不同生产模式、不同应用领域的齿轮产品的设计和制造。2）风电齿轮箱生产企业大都建有3MW以上大型风电齿轮箱试验台，并开展了试验研究和产品试验工作，积累了一些有价值的试验数据，为新产品的开发奠定了重要的基础。3）郑州机械研究所承担的国家“高档数控机床与基础制造装备”课题“三峡升船机铸造齿条大型试验装备开发及质量评定”（课题编号：2012ZX04010091），研制出大型齿轮齿条试验台，填补了国内外空白，为三峡升船机的运行起到了“保驾护航”的重要作用。课题在以下方面取得了创新或突破：①大模数齿轮齿条试验装置开发技术。联合设备供应商设计开发出小转动惯量电机、120Tm大型转矩传感器、末级中心距900mm频繁增减速和换向的齿轮箱、抗冲击大型直线导轨等，解决了快速频繁换向、大载荷施加等技术难题。采用整体组合式轴承座，解决了轴承座变形过大问题。通过优化导轨长度、滑块类型和数量、提高安装精度等措施，大大提高了导轨寿命，保证了试验装置的顺利运行。设计开发了大型不间断电源系统、防撞装置、限位装置、自动对中装置等多重安全测控系统和装置，保证了试验装置的安全、可靠运行。开发了宽距多条超长导轨结构及工装和超长基准导轨高精度安装定位机构等，解决了4条各9.6m长导轨安装精度难以保证的难题。采用自动对中及其控制系统，解决了移动平台长期、反复换向过程中，累计位置误差超差问题等；②大模数齿轮齿条疲劳寿命试验测试技术。得到了升船机船厢上升和下降的各24种工况下每种工况时的载荷大小和方向，制定了试验装置大载荷施加和频繁换向运动的控制策略。研究了齿条齿根应力的分布规律，对齿条齿根应力进行了实时监测，得到了齿轮齿条啮合过程中，齿条齿根应力的变化规律。通过优化试验载荷和速度控制策略，解决了110吨移动试验台快速、频繁换向带来的冲击等问题，完成了三峡升船机齿条42.2万次应力循环次数的疲劳寿命试验工作。通过对大型扭矩传感器的标定、优化控制策略等实现了对试验数据的精确测控。开发了专用的试验数据分析软件，实现了对海量试验数据的快速分析、图形再现等。可以预见，未来齿轮技术的发展主要集中在制造技术和制造装备方面，齿轮技术在未来一个较长时间内仍将处于平稳发展阶段。高功率密度、高转速、高可靠性、低质量、低噪声的齿轮传动是人们追求的永恒目标。尽管断齿的影响更为严重，但反映齿轮设计水平高低的却是接触疲劳强度。根据齿轮疲劳强度设计理论，要实现齿轮低质量和高可靠性的要求必须提高齿轮的接触疲劳极限应力，而现有热处理方式中，渗碳淬火齿轮的承载能力最高，最高极限应力达到1650MPa，如何进一步提高齿轮的极限应力是未来全世界追求的目标。表1为接触疲劳极限应力与中心距的关系，可以看出，如果接触疲劳极限应力从渗碳淬火齿轮最高的1650MPa提高15%达到1900MPa，齿轮中心距将减小10%左右，轻量化效果明显。因此，复合热处理技术、第二项齿面强化技术、齿面改形改性技术等将是未来齿轮技术研究和发展的重点。表1 接触疲劳极限应力与中心距的关系
极限应力/MPa | 1350 | 1450 | 1550 | 1650 | 1900 |
中心距系数 | 1.00 | 0.95 | 0.91 | 0.87 | 0.80 |
目前，齿轮产品将向着高精度、高功率密度、高可靠性、高效率、长寿命、低噪声等方向发展，齿轮设计制造将向着数字化、智能化、模块化、绿色化的方向发展。到2030年我国齿轮行业的主要发展总体目标是[12]：（1）建立国家级的齿轮基础技术和前沿技术研究、重要新产品研发、重大科技成果工程化、技术推广应用的创新和技术服务平台，推进我国齿轮传动技术的发展。（2）通过建立先进完善的齿轮标准化体系，2030年齿轮标准化进入世界前两强。（3）通过提高齿轮类零件近净成形比率等方式，年均提高齿轮材料利用率2%以上，到2030年总体提高50%左右。（4）齿轮产品功率密度年均提高5%左右，到2030年功率密度提高1倍。（5）稳步减小齿轮传动的功率损耗，到2030年功率损耗减小50%。（6）汽车齿轮使用寿命到2020年提高2～3倍，到2030年达到寿命期内不失效。围绕上述目标，我国齿轮工作者仍将任重道远，大家仍需共同努力，未来的30年，我国齿轮工业必有更辉煌的明天！
