□ 陳宗瑞 □ 張保松 □ 陳柏宇

1.中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 江蘇常州 213011 2.武進(jìn)星河實(shí)驗(yàn)小學(xué)教育集團(tuán) 江蘇常州 213011

1 齒輪設(shè)計(jì)系統(tǒng)概述

行星齒輪相比普通定軸齒輪,在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面有很多優(yōu)點(diǎn),如可靠性高、壽命長(zhǎng)、振動(dòng)噪聲低等,在風(fēng)力發(fā)電、礦山機(jī)械等行業(yè)有廣泛的應(yīng)用[1-2]。結(jié)合最新國(guó)家及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),筆者總結(jié)十幾年來(lái)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),研發(fā)了齒輪設(shè)計(jì)系統(tǒng),可快速實(shí)現(xiàn)多級(jí)行星齒輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)與計(jì)算。

齒輪設(shè)計(jì)系統(tǒng)以漸進(jìn)方式指導(dǎo)用戶快速完成由原始參數(shù)到設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程,系統(tǒng)使用方便、簡(jiǎn)單,設(shè)計(jì)過(guò)程和計(jì)算參數(shù)都有據(jù)可查。在優(yōu)化條件下,齒輪設(shè)計(jì)系統(tǒng)提供極其靈活的控制和操作功能,用戶可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和方法,選擇完全符合自身要求的設(shè)計(jì)參數(shù)。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

齒輪設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括平行軸計(jì)算、NGW行星輪系計(jì)算、NW行星輪系計(jì)算、滾刀計(jì)算四個(gè)子模塊,每個(gè)子模塊分別包含概念設(shè)計(jì)、幾何計(jì)算、強(qiáng)度計(jì)算、積分膠合、齒廓修形、齒向修形、載荷譜處理等設(shè)計(jì)功能。齒輪設(shè)計(jì)系統(tǒng)操作界面如圖1所示。

齒輪設(shè)計(jì)系統(tǒng)通過(guò)與用戶進(jìn)行交互式數(shù)據(jù)處理,以幾何參數(shù)設(shè)計(jì)為起點(diǎn),以傳動(dòng)質(zhì)量指標(biāo)驗(yàn)收、強(qiáng)度校核及修形優(yōu)化為主要環(huán)節(jié),最終輸出齒輪全部參數(shù)。

▲圖1 齒輪設(shè)計(jì)系統(tǒng)操作界面

每個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)都是松散連接的模塊,提供靈活智能的計(jì)算過(guò)程配置管理功能,既可以按全流程計(jì)算,也可以單獨(dú)使用功能,具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。

齒輪設(shè)計(jì)系統(tǒng)分為三個(gè)層次:表現(xiàn)層、邏輯計(jì)算層、知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)層。用戶在使用時(shí)實(shí)際面對(duì)的是表現(xiàn)層,邏輯計(jì)算層和知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)層以后臺(tái)形式存在,用戶在使用中感覺(jué)不到這兩個(gè)層次的存在,但是所有設(shè)計(jì)工作都是在這兩個(gè)層次的支持控制下完成的。

3 齒輪參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 傳動(dòng)比分配

傳動(dòng)比分配指將總傳動(dòng)比iΣ分配到各級(jí)傳動(dòng)中去,確定每一級(jí)的傳動(dòng)比i1、i2。在輸入總傳動(dòng)比后,齒輪設(shè)計(jì)系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先設(shè)置的計(jì)算方法自動(dòng)分配各級(jí)齒數(shù)比。傳動(dòng)比分配界面如圖2所示。齒輪設(shè)計(jì)系統(tǒng)根據(jù)德國(guó)機(jī)械零件手冊(cè)和齒輪手冊(cè)提供的方法,設(shè)置了四個(gè)分配原則供選擇,每一個(gè)原則同時(shí)還可以修改分配公式中的參數(shù)。

原則1為按總體積最小原則分配。原則2為按齒面接觸強(qiáng)度相等原則分配。原則3為當(dāng)a2/a1≈1.4 時(shí),按齒面接觸強(qiáng)度相等原則分配,a2為第二級(jí)中心距,a1為第一級(jí)中心距。原則4為按兩級(jí)齒輪等強(qiáng)度,且齒寬、徑向尺寸等最小原則分配。

▲圖2 傳動(dòng)比分配界面

3.2 變位因數(shù)分配

選擇合理的變位因數(shù),可以在不增加成本的基礎(chǔ)上最大限度提高齒輪承載能力。推薦采用適度的變位,外嚙合總變位因數(shù)一般控制為0.5～0.8,內(nèi)嚙合總變位因數(shù)一般控制為-0.5～0.4。在變位因數(shù)分配時(shí),齒輪設(shè)計(jì)系統(tǒng)提供了四種分配方法。變位因數(shù)分配界面如圖3所示。使用者可以根據(jù)不同的設(shè)計(jì)需求選擇不同的變位因數(shù)分配方法。

▲圖3 變位因數(shù)分配界面

方法1為美國(guó)齒輪制造協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)中的等滑動(dòng)法。令η1=η2,其中η1為大齒根處滑動(dòng)率,η2為小齒根處滑動(dòng)率,求主動(dòng)齒輪變位因數(shù)X1。

方法2為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織標(biāo)準(zhǔn)中的等彎曲B法。令YF1YS1=YF2YS2,其中YF1為主動(dòng)齒輪齒形因數(shù),YS1為主動(dòng)齒輪應(yīng)力修正因數(shù),YF2為從動(dòng)齒輪齒形因數(shù),YS2為從動(dòng)齒輪應(yīng)力修正因數(shù),求主動(dòng)齒輪變位因數(shù)X1。

大數(shù)據(jù)已成為基礎(chǔ)通用技術(shù)……………………………………………………………王德政，汪紹飛，王梅 24-5-54

方法3為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織標(biāo)準(zhǔn)中的等彎曲C法。令YFa1YSa1=YFa2YSa2,其中YFa1為主動(dòng)齒輪齒形因數(shù),YSa1為主動(dòng)齒輪應(yīng)力修正因數(shù),YFa2為從動(dòng)齒輪齒形因數(shù),YSa2為從動(dòng)齒輪應(yīng)力修正因數(shù),求主動(dòng)齒輪變位因數(shù)X1。

方法4為改變節(jié)點(diǎn)位置法。令L1′=L2′,其中L1′為嚙出段長(zhǎng)度,L2′為嚙入段長(zhǎng)度,求主動(dòng)齒輪變位因數(shù)X1。

在風(fēng)電齒輪的設(shè)計(jì)中,總變位因數(shù)分配多采用等滑動(dòng)法,即通過(guò)變位因數(shù)的選擇,使太陽(yáng)輪與行星輪齒根處的滑動(dòng)率相等。對(duì)于存在齒面膠合危險(xiǎn)的齒輪,應(yīng)當(dāng)采用改變節(jié)點(diǎn)位置法,使嚙合線上的嚙出段長(zhǎng)度和嚙入段長(zhǎng)度相等。

3.3 傳動(dòng)質(zhì)量指標(biāo)驗(yàn)算

嚙合參數(shù)初步確定之后,需要驗(yàn)算過(guò)渡曲線干涉、滑動(dòng)率、比壓因數(shù)、機(jī)械效率等傳動(dòng)質(zhì)量指標(biāo)。齒輪設(shè)計(jì)系統(tǒng)提供了六個(gè)傳動(dòng)質(zhì)量指標(biāo)的驗(yàn)算,傳動(dòng)質(zhì)量指標(biāo)驗(yàn)算界面如圖4所示。

▲圖4 傳動(dòng)質(zhì)量指標(biāo)驗(yàn)算界面

判斷條件1為最低嚙合點(diǎn)壓力角大于漸開線起始點(diǎn)壓力角[3],過(guò)渡曲線與齒頂不干涉。判斷條件2為節(jié)點(diǎn)前重合度大于節(jié)點(diǎn)后重合度,可以降低嚙合噪聲。判斷條件3為齒頂因數(shù)大于0.4。判斷條件4為重合度因數(shù)大于1.2[4]。判斷條件5為滑動(dòng)率小于1.5。判斷條件6為比壓因數(shù)小于1.4。

3.4 齒輪強(qiáng)度計(jì)算

針對(duì)變載荷工況下的齒輪強(qiáng)度計(jì)算,齒輪設(shè)計(jì)系統(tǒng)根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織標(biāo)準(zhǔn)ISO 6336《變載荷條件下的壽命計(jì)算》和Palmgren-Miner線性累積損失法提供將載荷譜等效為當(dāng)量扭矩的方法[5-6],再以當(dāng)量扭矩代替名義扭矩,分別計(jì)算出接觸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、齒面膠合承載能力及載荷譜。齒輪設(shè)計(jì)系統(tǒng)以最新國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織標(biāo)準(zhǔn)ISO 6336為計(jì)算依據(jù),提供了翔實(shí)的計(jì)算過(guò)程,使復(fù)雜的強(qiáng)度計(jì)算過(guò)程變得可繁可簡(jiǎn),用戶可根據(jù)需要查看、修改計(jì)算參數(shù)。載荷譜計(jì)算界面如圖5所示。

4 設(shè)計(jì)實(shí)例

▲圖5 載荷譜計(jì)算界面

表1 風(fēng)電齒輪設(shè)計(jì)輸入數(shù)據(jù)

表2 風(fēng)電齒輪設(shè)計(jì)參數(shù)

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者基于計(jì)算機(jī)語(yǔ)言自主研發(fā)了齒輪設(shè)計(jì)系統(tǒng),能夠較好地完成風(fēng)電齒輪設(shè)計(jì)與優(yōu)化工作,快速完成多種設(shè)計(jì)方案對(duì)比,最終得到最優(yōu)的齒輪設(shè)計(jì)參數(shù)。齒輪設(shè)計(jì)系統(tǒng)提高了設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量,有較高的實(shí)用價(jià)值。將齒輪設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)用于工程實(shí)際,取得了良好的效果。