ISOTS 6336-212022 正齿轮和斜齿轮承载能力的计算第21部分胶合承载能力的计算积分温度法标准立项发展报告

ISO/TS6336-21:2022正齿轮和斜齿轮承载能力的计算第21部分：胶合承载能力的计算积分温度法标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:CalculationofLoadCapacityofSpurandHelicalGears—Part21:CalculationofScuffingLoadCapacity—IntegralTemperatureMethod(ISO/TS6336-21:2022)摘要齿轮作为机械传动系统中应用最为广泛的关键基础零部件，其承载能力计算方法的科学性与准确性直接关系到装备的运行可靠性、使用寿命及安全性能。在齿轮的多种失效模式中，胶合（scuffing）因其突发性强、破坏性大且影响因素复杂，长期被视为高速重载齿轮传动设计的核心难题之一。ISO/TS6336-21:2022《正齿轮和斜齿轮承载能力的计算第21部分：胶合承载能力的计算积分温度法》由国际标准化组织（ISO）于2022年5月24日正式发布，该标准是ISO6336系列标准在胶合承载能力计算领域的重要技术规范。本报告系统梳理了该标准的立项背景、编制历程、核心技术内容及其与国内外相关标准体系的衔接关系，重点分析了积分温度法相对于闪温法的技术优势，阐述了标准中关于齿面温度场计算、胶合安全系数评定及参数修正等关键技术要求。报告指出，该标准的发布实施对于统一齿轮胶合承载能力计算方法、促进国际贸易与技术交流、引领齿轮传动设计技术发展具有重要意义，将为我国齿轮行业的技术进步和标准国际化提供有力支撑。关键词：齿轮传动；承载能力；胶合；积分温度法；ISO标准；齿面温度Keywords:GearTransmission;LoadCapacity;Scuffing;IntegralTemperatureMethod;ISOStandard;ToothSurfaceTemperature1引言齿轮传动是机械装备中最核心的运动和动力传递形式，广泛应用于航空航天、能源装备、轨道交通、船舶海洋、工程机械及机器人等国民经济重点领域。随着装备向高速化、重载化、轻量化方向持续发展，齿轮的服役条件日趋严苛，齿面胶合失效问题日益突出。胶合是指齿面在高速重载条件下，由于润滑膜破裂导致金属直接接触，在摩擦热作用下发生局部熔焊和撕裂的损伤形式，其发生往往具有突发性和毁灭性，一旦发生即可能导致传动系统完全失效。长期以来，国际标准化组织齿轮技术委员会（ISO/TC60）致力于建立统一的齿轮承载能力计算标准体系。ISO6336系列标准作为全球齿轮强度计算的基准性文件，涵盖了直齿轮和斜齿轮的接触疲劳、弯曲疲劳及胶合等主要失效模式的计算方法。其中，胶合承载能力的计算方法经历了从早期的闪温法（flashtemperaturemethod）到积分温度法（integraltemperaturemethod）的技术演进。ISO/TS6336-21:2022正是在这一技术背景下，由ISO/TC60/SC1（齿轮负载能力计算分技术委员会）组织国际专家，在德国工业标准DIN3990-4基础上发展完善而成的技术规范。本报告从标准立项的视角出发，对该标准的研制背景、技术内容、编制单位及应用前景进行系统分析，以期为我国齿轮标准化工作者和工程技术人员提供参考。2胶合承载能力计算的技术背景与标准研制必要性2.1齿轮胶合失效的机理与影响因素齿面胶合的本质是边界润滑或混合润滑状态下，齿面微凸体在接触区产生的高温导致润滑膜破裂，金属基体发生直接接触、粘着和撕裂。胶合失效的发生受多种因素的综合影响，主要包括：齿面接触应力与滑动速度的乘积（即热载荷因子）、润滑油的粘度特性与添加剂配方、齿面粗糙度与形貌特征、齿面材料的热物理性能以及齿廓修形等几何参数。在高速齿轮传动中，齿面相对滑动速度可达数十米每秒，接触区的瞬时闪温可高达数百度摄氏度量级，胶合风险显著增大。2.2从闪温法到积分温度法的技术演进胶合承载能力的理论计算方法经历了长期的发展过程。Blok于1937年提出的闪温理论奠定了齿面温度计算的基础，其核心思想是将齿面接触区的瞬时最高温度表示为本体温度与闪温之和。在此基础上，1970年代德国研究者Winter和Michaels等人提出了积分温度法，其基本思想是将齿面沿啮合线各接触点的闪温沿啮合线进行积分平均，以获得表征齿面热载荷的综合温度参数。相较于仅关注接触区峰值温度的闪温法，积分温度法能更全面地反映齿面在整个啮合过程中的热载荷累积效应，对齿廓修形、变位系数等设计参数的敏感性更为合理，因此在实际工程设计中具有更高的适用性和精度。2.3国际标准研制的迫切需求在ISO/TS6336-21:2022发布之前，国际上关于齿轮胶合承载能力计算的标准主要有ISO6336-20（闪温法）和德国标准DIN3990-4（积分温度法）。然而，DIN3990-4虽在工业实践中广泛应用，但作为国家标准，其在国际贸易和技术交流中的适用性受到限制。建立统一的国际标准，将积分温度法纳入ISO标准体系，是消除技术壁垒、促进国际齿轮产品贸易的迫切需求。同时，随着齿轮制造精度和润滑技术的不断进步，原有的计算方法也亟需根据最新的研究成果和工程实践进行修订和完善。3ISO/TS6336-21:2022标准的主要内容3.1标准的适用范围与基本框架ISO/TS6336-21:2022规定了正交圆柱齿轮（直齿轮和斜齿轮）外啮合与内啮合副的胶合承载能力计算方法，适用于油脂润滑和油浴润滑的钢制齿轮。标准采用积分温度法作为基本计算方法，提供了从齿面温度计算到胶合安全系数评定的完整技术流程。标准的技术框架包括：符号与单位定义、齿面本体温度计算、闪温计算、积分温度确定、胶合安全系数计算及许用值评定等主要模块。3.2齿面温度场的计算模型该标准的核心在于对齿面温度场的精确计算。标准中，齿面接触温度θB由本体温度θM和闪温θfla叠加而成。本体温度是指齿面在进入啮合区之前的初始温度，其计算需考虑润滑油的入口温度、齿轮的本体温度以及传动功率损耗产生的热量。标准给出了详细的齿面本体温度计算模型，包括对功率损耗、散热条件、润滑方式等影响因素的系统考虑。闪温的计算采用沿啮合线的积分方法，即对每个啮合位置处的瞬时接触温度进行计算，并在整个啮合线上进行积分平均。标准中给出了考虑载荷分担系数、相对滑动速度、接触区半宽、材料热接触系数等参数的详细计算公式。值得注意的是，标准在计算中将齿面沿啮合线方向的温度分布视为准稳态过程，并通过赫兹接触理论与热弹性接触分析的结合，给出了较为精确的数学表达。3.3胶合安全系数的评定方法标准将胶合安全系数S_B定义为许用积分温度与计算积分温度的比值。其中，许用积分温度取决于润滑油的胶合温度容量，该参数通过标准化的试验方法（如FZG齿轮试验机试验）确定，并考虑了润滑油粘度、添加剂类型、齿面材料及表面处理等因素的修正。标准提供了胶合安全系数的最小推荐值以及不同应用工况下的选用指南，为工程设计提供了明确的判定依据。3.4主要技术修正与改进相较于早期版本和DIN3990-4，ISO/TS6336-21:2022在多个技术环节进行了修正和改进：一是引入了更精确的载荷分担模型，能够计及齿廓修形对载荷分布的影响；二是优化了材料参数的温度依赖性表达，提高了高温工况下的计算精度；三是补充了内啮合齿轮副的计算方法，扩展了标准的适用范围；四是更新了润滑油特性参数的取值指引，与最新的润滑油分类标准相协调。4标准编制单位与核心技术团队4.1ISO/TC60/SC1分技术委员会ISO/TS6336-21:2022由国际标准化组织齿轮技术委员会（ISO/TC60）下设的齿轮负载能力计算分技术委员会（ISO/TC60/SC1）负责制定。ISO/TC60成立于1947年，是ISO中专门负责齿轮领域标准化的技术委员会，其工作范围涵盖齿轮的术语、精度、承载能力计算、齿轮装置的制造与验收等各个方面。SC1分技术委员会则专门负责齿轮负载能力计算方法领域的技术归口与标准制定工作。ISO/TC60/SC1的秘书处设在德国标准化协会（DIN），这一安排与德国在齿轮传动技术领域的深厚积累密切相关。分委员会的成员包括来自全球主要工业国家的标准化专家和齿轮技术研究机构的代表，其工作模式以成立工作组（WorkingGroup）的方式开展具体项目的研制工作。4.2关键技术贡献单位在ISO/TS6336-21:2022的研制过程中，多个国际著名研究机构和企业在不同技术层面做出了重要贡献。德国慕尼黑工业大学的齿轮研究中心（FZG）是该标准技术内容的核心贡献者。FZG是全球齿轮传动技术研究的权威机构，在齿轮胶合机理、润滑理论与试验方法方面积累了数十年的研究成果。FZG开发的FZG齿轮试验机已成为国际通用的齿轮胶合和磨损性能试验设备，其提出的胶合温度容量测试方法为该标准中许用积分温度的确立提供了关键的试验依据。FZG的研究团队在该标准的编制中主导了计算模型的验证和试验数据的系统分析工作。此外，德国SEW传动设备公司、弗伦斯堡应用科学大学、以及英国、日本、美国等国家的相关机构也在标准讨论中提供了大量的工程应用数据和设计经验，为标准的实用性和普适性提供了保障。中国作为ISO/TC60的积极成员，也派出了来自郑州机械研究所有限公司等单位的专家参与了部分讨论和意见反馈工作，对标准中涉及的材料系数和润滑修正等内容提出了建设性意见。4.3郑州机械研究所有限公司郑州机械研究所有限公司（简称郑机所）是中国机械科学研究总院集团有限公司的重要成员单位，长期从事齿轮传动基础技术研究与应用开发，在齿轮强度计算、齿轮试验检测、齿轮CAD/CAM技术等方面具有深厚的科研积淀。郑机所建有新型钎焊材料与技术国家重点实验室和河南省齿轮传动工程技术研究中心，是我国齿轮标准化工作的重要技术支撑单位。作为全国齿轮标准化技术委员会（SAC/TC52）的秘书处挂靠单位，郑州机械研究所有限公司负责归口管理我国齿轮领域的国家标准和行业标准制修订工作。在ISO/TS6336-21:2022的国内转化过程中，郑机所牵头组织国内齿轮行业专家对该标准进行了系统研究和适用性分析，主持制定了与之对应的国家标准GB/T3480.21，确保了国际先进标准成果在我国的落地实施，为我国齿轮行业设计水平的提升提供了标准化支撑。5标准与国内外标准的协调衔接5.1在ISO6336系列标准中的定位ISO/TS6336系列标准是一个系统的齿轮承载能力计算标准族，各部分分别规定了不同的失效模式计算方法。其中，ISO6336-1规定了基本原理和通用符号，ISO6336-2规定了齿面接触疲劳（点蚀）承载能力计算，ISO6336-3规定了轮齿弯曲强度计算，ISO6336-20规定了胶合承载能力计算的闪温法，而ISO/TS6336-21则规定了胶合承载能力计算的积分温度法。两种胶合计算方法互为补充，设计者可根据应用场景和设计习惯选择合适的方法。标准之间采用了统一的符号体系，相同的输入参数可在不同标准的计算中方便地共享。5.2与DIN3990和GB/T3480的对应关系ISO/TS6336-21:2022与德国标准DIN3990-4具有直接的技术渊源关系。DIN3990-4于1980年代首次发布，经多次修订形成了较为成熟的积分温度法计算体系。ISO/TS6336-21在DIN3990-4的基础上，结合国际范围内的最新研究成果进行了系统性的修订和完善，因此在技术路线上具有继承性和发展性的双重特征。在我国，国家标准GB/T3480系列（等同于ISO6336系列）是齿轮承载能力计算的基础标准。目前我国已发布GB/T3480.21-2024《正齿轮和斜齿轮承载能力的计算第21部分：胶合承载能力的计算积分温度法》，等同采用了ISO/TS6336-21:2022的技术内容。这一转化实施进一步健全了我国齿轮强度计算的标准体系，使我国齿轮设计方法与当前国际先进水平保持同步。6标准实施的技术经济意义与应用前景6.1提升齿轮设计水平与产品可靠性ISO/TS6336-21:2022的发布实施，为齿轮设计人员提供了更加精确和可靠的胶合承载能力计算工具。通过采用积分温度法，设计人员能够在设计阶段更准确地评估齿轮副的胶合风险，合理选择材料和润滑方案，优化齿廓几何参数，从而有效避免胶合失效的发生，提高齿轮产品的可靠性和使用寿命。特别是在风电齿轮箱、高速列车传动系统、航空发动机传动装置等高可靠性要求领域，该标准的工程应用价值尤为突出。6.2促进国际贸易与技术交流统一的国际标准是消除贸易技术壁垒的重要工具。ISO/TS6336-21:2022的发布，使不同国家和地区的齿轮制造商和用户能够在同一技术平台上进行产品设计验证和质量评定，降低了因计算方法不一致导致的商务纠纷风险，促进了齿轮产品的国际贸易和技术合作。对于齿轮出口企业而言，直接采用ISO/TS6336-21进行产品设计验证，有助于提高产品在国际市场的认可度和竞争力。6.3引领齿轮技术持续创新标准的发布不是技术发展的终点，而是新一轮技术进步的起点。随着智能制造、数字孪生等新技术的发展，齿轮设计正在向基于物理模型的数字化仿真方向迈进。ISO/TS6336-21:2022所建立的温度场计算框架，为齿轮胶合性能的数字孪生建模提供了基础性的物理模型支撑，为未来实现齿轮传动系统的实时状态监测和寿命预测奠定了技术基础。同时，新材料、新润滑介质及表面工程技术的不断发展，也将对标准中相关参数的更新和完善提出持续的需求。7结论与展望ISO/TS6336-21:2022《正齿轮和斜齿轮承载能力的计算第21部分：胶合承载能力的计算积分温度法》是国际齿轮标准化领域的一项重要技术成果。该标准在充分继承德国DIN3990-4技术精髓的基础上，融合了国际范围内最新的研究成果和工程实践经验，为齿轮胶合承载能力计算提供了一套科学、系统、可操作的技术方法。标准的发布实施，不仅统一了国际上的计算方法，消除了贸易技术壁垒，也为齿轮传动技术的持续进步提供了标准化支撑。展望未来，随着齿轮传动系统向更高转速、更大功率密度和更严苛工况方向的持续演进，胶合失效的预测与防控技术仍将是齿轮研究领域的热点方向。我国应密切跟踪ISO/TC60的国际标准化动态，积极参与国际标准的制修订工作，将我国的科研成果和工程经验融入国际标准体系。同时，应加强ISO/TS6336-21:2022在我国齿轮行业的宣传培训和应用推广，不断提高我国齿轮产品的设计水平与国际竞争力，推动我国从齿轮制造大国向齿轮制造强国迈进。参考文献[1]ISO/TS6336-21:2022,Calculationofloadcapacityofspurandhelicalgears—Part21:Calculationofscuffingloadcapacity—Integraltemperaturemethod[S].Geneva:InternationalOrganizationforStandardization,2022.[2]ISO6336-1:2019,Calcul