聶 鵬

(湖南航翔燃?xì)廨啓C(jī)有限公司，湖南 株洲 412002)

0 引言

齒輪箱是傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，某型傳動(dòng)齒輪箱使用在潮濕、高溫環(huán)境下，系統(tǒng)加載時(shí)對(duì)齒輪的沖擊較大，導(dǎo)致齒輪在嚙合過程中的偏載及滑動(dòng)較大，增加了振動(dòng)及噪聲，降低了傳動(dòng)精度和承載能力，縮短了齒輪箱整體的使用壽命。對(duì)齒輪進(jìn)行適當(dāng)?shù)男扌慰梢允过X輪嚙入、嚙出更加平穩(wěn)，齒輪在受載變形后齒面壓力分布均勻、減少偏載，同時(shí)齒廓變形后仍能平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。本文運(yùn)用MASTA軟件對(duì)齒輪進(jìn)行強(qiáng)度分析并進(jìn)行修形設(shè)計(jì)，以齒輪修形前后的傳遞誤差、強(qiáng)度安全系數(shù)、齒輪應(yīng)力分布情況和齒面接觸溫度作為評(píng)判指標(biāo)來評(píng)定修形后齒輪的改善情況，達(dá)到齒輪箱的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 齒輪參數(shù)的匹配

某型齒輪箱采用一級(jí)平行軸圓柱斜齒輪布局形式，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過雙膜片聯(lián)軸器與齒輪箱輸入軸錐面過盈連接，通過齒輪箱傳遞轉(zhuǎn)速和扭矩，輸出軸與負(fù)載端法蘭連接，箱體與基體通過螺栓相連。輸入額定扭矩為1 008 N·m，小齒輪最大扭矩為9 800 N·m，驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大轉(zhuǎn)速為3 630 r/min。按照ISO 6336計(jì)算齒輪強(qiáng)度，經(jīng)過調(diào)整、優(yōu)化、匹配得到齒輪參數(shù)，見表1。

表1 齒輪參數(shù)

2 基于MASTA的設(shè)計(jì)分析

2.1 基于MASTA的載荷和強(qiáng)度分析

齒輪材料采用17CrNiMo6，考慮軸的彎曲扭轉(zhuǎn)剛度、齒輪嚙合剛度、軸承游隙等因素分析齒輪接觸印痕。齒輪在嚙合過程中存在局部應(yīng)力集中、偏載、接觸溫度偏高等現(xiàn)象，采用MASTA軟件對(duì)齒輪副進(jìn)行額定載荷、極限載荷和疲勞強(qiáng)度分析。齒輪副幾何模型如圖1所示。

齒輪副工作時(shí)主要承受嚙合力的作用，其受力情況如圖2所示，大、小齒輪所受載荷見表2，利用MASTA軟件計(jì)算得到的齒輪全工況下安全系數(shù)見表3。

圖1齒輪副幾何模型圖2齒輪副受力情況

依據(jù)ISO 6336規(guī)定的最小安全系數(shù)作為校核標(biāo)準(zhǔn)，即齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算安全系數(shù)SH>1.2，齒根斷裂疲勞強(qiáng)度計(jì)算安全系數(shù)SF>1.6。由表3可知，齒輪副在極限載荷下具有足夠的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。

2.2 基于MASTA的齒輪修形分析

在MASTA軟件中對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行輪齒受載接觸分析，取載荷譜中損傷率最大的載荷作為輸入載荷，并將此點(diǎn)作為齒輪修形的設(shè)計(jì)點(diǎn)。根據(jù)各齒面接觸應(yīng)力分析的結(jié)果，對(duì)齒輪進(jìn)行適當(dāng)?shù)凝X廓、齒向修形。合理的齒廓修形可減少齒輪在嚙合時(shí)發(fā)生的干涉及沖擊，降低齒輪在嚙合過程中產(chǎn)生的振動(dòng)及噪聲；合理的齒向修形可消除偏載并得到較均勻的齒向載荷分布。

在驅(qū)動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)狀態(tài)下對(duì)齒輪副進(jìn)行分析，修形前齒輪副接觸應(yīng)力分析結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出，修形前齒面出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的偏載現(xiàn)象，接觸應(yīng)力為426 MPa～2 190 MPa。修形前齒輪傳遞誤差分析結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，傳遞誤差曲線不光滑，存在明顯尖點(diǎn)，傳遞誤差幅值為5.270 4 μm。

表2 大、小齒輪所受載荷

表3 齒輪全工況下安全系數(shù)

圖3 修形前齒面接觸應(yīng)力云圖

圖4 修形前齒輪副傳遞誤差曲線

經(jīng)MASTA軟件分析計(jì)算后對(duì)小齒輪進(jìn)行齒向螺旋角修形，修形量為58 μm，見圖5(a)；對(duì)小齒輪進(jìn)行齒廓修形，修形量為40 μm，見圖5(b)；對(duì)小齒輪齒向兩端進(jìn)行拋物線修形，修形量為104 μm，見圖5(c)；對(duì)大齒輪進(jìn)行齒廓修形，修形量為40 μm，見圖6。

齒輪修形后的齒面接觸應(yīng)力云圖如圖7所示，接觸應(yīng)力為0 MPa～1 139 MPa。對(duì)修形前后齒輪的接觸應(yīng)力進(jìn)行比較可知，最大接觸應(yīng)力減小了1 051 MPa，減少量達(dá)48%，并且獲得了較為均勻的齒向載荷分布。

修形后齒輪副傳遞誤差如圖8所示，可以看出修形后獲得了較為光滑的傳遞誤差曲線，傳遞誤差的幅值減小到1.292 8 μm。

通過分析可以看出，修形前大、小齒輪三維齒形接觸應(yīng)力分布不均，應(yīng)力主要分布在齒頂和齒根處；修形后接觸應(yīng)力分布均勻，位于齒輪面中心部位，且沿齒長(zhǎng)方向超過80%，獲得了較為均勻的齒向載荷分布；齒輪未修形時(shí)，齒輪副會(huì)出現(xiàn)偏載現(xiàn)象，導(dǎo)致齒面局部應(yīng)力偏高，降低了傳動(dòng)系統(tǒng)的整體使用壽命，通過齒廓、齒向修形可改善齒輪副的嚙合特性，提高了系統(tǒng)的可靠性。

圖5 小齒輪修形

圖6 大齒輪齒廓修形

圖7 修形后的齒面接觸應(yīng)力云圖

圖8 修形后齒輪副傳遞誤差(縱坐標(biāo)差值絕對(duì)值為誤差值)

3 結(jié)語

合理的齒輪修形能保證輪齒在進(jìn)入或脫離單嚙合或雙嚙合時(shí)所承受的載荷變化平穩(wěn)，并能在非額定載荷工作時(shí)仍起到緩沖、減振作用。通過MASTA軟件對(duì)齒輪進(jìn)行適當(dāng)?shù)凝X廓、齒向修形能提高齒輪強(qiáng)度及系統(tǒng)的承載能力，減少系統(tǒng)傳遞誤差及功率損失，改善齒輪副的嚙合特性，優(yōu)化齒面的載荷分布等傳動(dòng)性能指標(biāo)。