趙德華,程大海,李 勇,解德杰
(徐工集團(tuán)工程機械股份有限公司 江蘇徐州工程機械研究院,江蘇 徐州 221004)
隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展,減速機成為工程車輛傳動系統(tǒng)中不可或缺的部件。對減速機設(shè)計的研究關(guān)系到整個產(chǎn)品的使用性能。在減速機等行星齒輪傳動機構(gòu)的設(shè)計過程中,因齒輪參數(shù)繁多,采用傳統(tǒng)設(shè)計方法不但對工程師自身的設(shè)計經(jīng)驗、理論知識水平有很高的要求,而且計算過程復(fù)雜,參數(shù)選擇范圍較廣,容易出錯,人工計算次數(shù)有限,很有可能漏掉最優(yōu)解,難以達(dá)到其傳動性能指標(biāo)的最優(yōu)化[1]。
本文借助編程軟件進(jìn)行方程求解,基于ISO6336計算齒輪的接觸疲勞強度和彎曲疲勞強度,基于ISO/TR13989:2000來計算齒輪的膠合承載能力。特別的,當(dāng)總的變位系數(shù)一定時,可通過程序解不同方程按照不同的原則來分配變位系數(shù)[2]。
本文以某工程車輛行走減速機作為研究對象,基于編程軟件進(jìn)行多目標(biāo)方程的聯(lián)合求解,進(jìn)行了齒輪參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計,并以齒輪優(yōu)化后的傳遞誤差、滑動率等作為評判指標(biāo)得到優(yōu)化后的參數(shù),為工程車輛傳動系統(tǒng)的設(shè)計及優(yōu)化提供了參考。
某工程車輛行走減速機為兩級NGW行走減速機,其傳動原理如圖1所示。其中太陽輪S1為減速機的輸入端,行星架j2為減速機輸出端,外齒圈S2、S4固定[3]。
圖1 某行走減速機傳動原理圖
其原始設(shè)計參數(shù)見表1、表2。
表1 一級齒輪參數(shù)表
表2 二級齒輪參數(shù)表
通過軟件編程能自動生成仿真曲線以及三維模型,與常規(guī)的CAD軟件交互性非常好。行星齒輪組是二級傳動齒輪組,在滑動比曲線上能分別生成太陽輪與行星輪以及行星輪與內(nèi)齒圈的滑動比曲線。齒輪的嚙合效率、相對滑動程度由滑動率來表示,能夠反映出齒輪的磨損程度、膠合等的失效,這是造成齒面磨損的重要原因之一。相對滑動速率值的范圍可為齒輪實際嚙合情況提供參考。如果出現(xiàn)滑動率絕對值較大的情況,說明齒輪副的嚙合情況不好,不僅會損失傳遞的功率,而且極有可能出現(xiàn)膠合、點蝕等情況,在設(shè)計過程中應(yīng)給予足夠重視。滑動比標(biāo)準(zhǔn)在(-1,1)表示非常完美,在(-3,3)是工作良好,在(-∞,3)和(3,+∞)是無法接受的。適當(dāng)選取變位系數(shù)可減少滑動率。
齒輪的傳遞誤差曲線是反映齒輪系統(tǒng)動態(tài)性能的一個重要指標(biāo),降低齒輪傳遞誤差絕對峰值能夠使齒輪組傳動系統(tǒng)工作更加平穩(wěn)。
齒輪應(yīng)力是衡量齒輪傳動性能的重要指標(biāo),齒輪機構(gòu)中應(yīng)力集中部位最先失效[4]。
齒輪修形是提高齒輪副齒面接觸疲勞強度的一個非常重要環(huán)節(jié),可以大大改善齒輪的嚙合性能,避免在運動過程產(chǎn)生沖擊。合理選擇齒輪的齒廓或齒向修形參數(shù)能夠提高齒輪的承載能力,改善齒輪嚙合承載分布區(qū)域,極大提高齒輪系統(tǒng)傳動的平穩(wěn)性[5]。
通過對減速機兩個行星排各個齒輪的變位系數(shù)、中心距、齒輪修形進(jìn)行優(yōu)化來提高減速機的性能。其具體優(yōu)化后的宏觀參數(shù)見表3、表4。
根據(jù)工程車輛載荷譜選取額定工況作為修形工況,對齒輪副進(jìn)行齒形修形、齒向修形等微觀設(shè)計。部分齒輪修形圖如圖2、圖3所示。
表3 一級齒輪參數(shù)表
表4 二級齒輪參數(shù)表
圖2 一級行星輪修形圖
圖3 一級太陽輪齒形修形圖
根據(jù)原始參數(shù)及優(yōu)化后的齒輪參數(shù)在編程軟件中運行分析計算,得到優(yōu)化前后減速機的滑動率、閃溫、傳動誤差、應(yīng)力分布曲線進(jìn)行分析比較。本文選取的研究對象為兩個行星排的行走減速機,為方便本文只選取第一個行星排進(jìn)行參數(shù)分析。
從圖4和圖5可以看出,優(yōu)化后的曲線在數(shù)值上有明顯下降,表現(xiàn)較優(yōu)化前良好,傳遞功率損失更小,而且不容易出現(xiàn)點蝕、膠合等情況。
圖4 一級行星排太陽輪行星輪嚙合滑動比
圖5 一級行星排行星輪與內(nèi)齒圈嚙合滑動比
從圖6和圖7可以看出,優(yōu)化后的齒輪嚙合溫度變化得到了良好的控制,齒輪副抗膠合和點蝕的能力得以提高,避免了瞬時超載造成的對齒輪的損害,延長了齒輪的使用壽命。
齒輪應(yīng)力是衡量齒輪傳動性能的重要指標(biāo),齒輪系統(tǒng)中齒輪應(yīng)力集中部位將會最先失效[6]。齒輪的應(yīng)力過大會造成輪齒折斷、齒面點蝕等失效狀況,修形后齒輪對的應(yīng)力應(yīng)有所降低。圖8和圖9分別為齒輪副優(yōu)化前后的應(yīng)力分布圖,修形優(yōu)化后的齒輪在嚙入、嚙出時過渡更平滑,應(yīng)力有明顯降低,說明齒輪修形擴(kuò)大了參與齒寬嚙合區(qū)域,提高了齒輪的承載能力。
圖6 一級行星排太陽輪行星輪閃溫曲線
圖7 一級行星排行星輪與內(nèi)齒圈嚙合閃溫曲線
圖8 一級行星排太陽輪行星輪接觸應(yīng)力
本文以某型工程車輛行走減速機為研究對象,分析了減速機工作原理及參數(shù),借助編程軟件建立了齒輪系統(tǒng)參數(shù)化仿真模型并進(jìn)行了方程求解;分析了優(yōu)化后各齒輪參數(shù)的評定指標(biāo),為齒輪參數(shù)選取提供了依據(jù);利用編程軟件對齒輪副進(jìn)行了宏觀參數(shù)優(yōu)化及微觀齒輪修形,改善了減速機傳動機構(gòu)可能存在的問題;對比優(yōu)化前后齒輪組的性能,表明優(yōu)化后的齒輪參數(shù)具有更好的性能。本文為其他工程車輛傳動系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化提供了參考。
圖9 一級行星排行星輪與內(nèi)齒圈嚙合接觸應(yīng)力