展建波， 張 平， 陳玉梅

(江蘇林海動(dòng)力機(jī)械集團(tuán)有限公司，江蘇 泰州 225300)

全地形車(chē)是一種在大多數(shù)地形上都能行駛的車(chē)輛，國(guó)內(nèi)俗稱沙灘車(chē)。 這種車(chē)型具有多種用途且不受道路條件的限制，在北美和歐洲應(yīng)用較廣。 變速箱作為全地形車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)中的重要組成部分，其內(nèi)部齒輪傳動(dòng)能力對(duì)變速箱的噪音、性能以及壽命極為重要。 本文以某款全地形車(chē)變速箱內(nèi)的一對(duì)斜齒輪為研究對(duì)象，運(yùn)用KISSsoft 軟件對(duì)其進(jìn)行選型及修形優(yōu)化設(shè)計(jì)[1]。

1 齒輪選型

在實(shí)際開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中，因?yàn)閯?dòng)力源的設(shè)計(jì)變更或者為了適配車(chē)輛的主要使用環(huán)境，往往需要改變變速箱的傳動(dòng)比，變更傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)，用以釋放發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。 在變速箱傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，因?yàn)橛?jì)算參數(shù)過(guò)程非常繁瑣、復(fù)雜，按傳統(tǒng)的基于設(shè)計(jì)手冊(cè)的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)很難達(dá)到各種傳動(dòng)性能指標(biāo)最優(yōu)化的目標(biāo)，并且非常依賴設(shè)計(jì)人員自身經(jīng)驗(yàn)。 本文采用KISSsoft 軟件，它可對(duì)不同種類(lèi)的傳動(dòng)系統(tǒng)及齒輪箱進(jìn)行強(qiáng)度及壽命分析，可以在非常短的時(shí)間內(nèi)對(duì)完整的傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行迅速而詳細(xì)的參數(shù)研究，以及在不同載荷條件下對(duì)已有設(shè)計(jì)進(jìn)行對(duì)比分析。

本文中給定斜齒輪副的目標(biāo)傳動(dòng)比為1.3(浮動(dòng)2%)，中心距為95.3 mm，模數(shù)2.25，壓力角為20°，螺旋角15°～18°，轉(zhuǎn)速2 792 r/min，功率16 kW，經(jīng)過(guò)粗選型、精細(xì)選型，得出56 組結(jié)果，如圖1 所示。

圖1 選型結(jié)果分布圖

以最小齒根安全系數(shù)SFmin和最小齒面安全系數(shù)SHmin為優(yōu)化指標(biāo)，對(duì)結(jié)果進(jìn)行篩選，同時(shí)剔除齒數(shù)不互質(zhì)的解，最終選定齒輪參數(shù)如表1 所示。

表1 齒輪副參數(shù)表

基于齒輪參數(shù)使用三維軟件建立斜齒輪副模型，如圖2 所示。

圖2 斜齒輪副三維模型

對(duì)選定的齒輪副進(jìn)行接觸分析，計(jì)算齒面接觸應(yīng)力。 齒面接觸應(yīng)力與齒輪的幾何參數(shù)、載荷、材料、載荷系數(shù)等因素有關(guān)[2]。 其計(jì)算結(jié)果為:最大接觸應(yīng)力達(dá)到678.48 MPa，齒面載荷分布最大值為141 N/mm，如圖3 所示。 從圖中可以看出，齒面受到的載荷變化很急促，應(yīng)力曲線沒(méi)有平緩的過(guò)渡區(qū)域，尤其是齒頂和齒根處沿著齒寬方向受力不均勻，有偏載的情況，齒輪在嚙入和嚙出時(shí)會(huì)有沖擊，這會(huì)加大齒輪的振動(dòng)噪音，對(duì)其使用壽命來(lái)說(shuō)是不利的。

圖3 齒面接觸載荷3D 圖(修形前)

2 齒輪修形與結(jié)果分析

2.1 齒輪修形

傳遞誤差隨著主動(dòng)輪轉(zhuǎn)角的變化曲線稱為傳遞誤差曲線，理想狀態(tài)下傳遞誤差曲線可以是一條直線，但是齒輪在實(shí)際使用過(guò)程中因?yàn)樽兯傧湎潴w孔位、齒輪軸、軸承的加工誤差以及齒輪本身受載變形等原因?qū)е慢X輪的接觸狀況不可能是理想狀態(tài)，齒輪有可能出現(xiàn)嚴(yán)重的偏載和傳遞誤差過(guò)大的情況。 這種情況下的齒輪傳動(dòng)不平穩(wěn)，噪音過(guò)大，導(dǎo)致變速箱出現(xiàn)異響，嚴(yán)重的還影響齒輪的載荷能力(壽命)。 在變速箱的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)活動(dòng)中經(jīng)常遇見(jiàn)這種問(wèn)題，但該問(wèn)題的發(fā)生往往并不是因?yàn)辇X輪參數(shù)設(shè)計(jì)的不合理，而是由于前面所述的齒面接觸狀況不佳導(dǎo)致的。 因此，為了降低齒輪振動(dòng)噪音、提高齒輪壽命，必須對(duì)齒輪進(jìn)行修形，優(yōu)化齒面接觸狀況，提高齒輪傳動(dòng)平穩(wěn)性。

輪齒修形大體可分為齒廓修形和齒向修形兩種方式。 其中齒廓修形主要依靠在齒頂或齒根處修正齒輪的漸開(kāi)線曲線來(lái)彌補(bǔ)加工誤差的影響[3]；而齒向修形是沿齒線方向微量修整齒面，使其偏離理論齒面，使齒面受力均勻，減少偏載的情況[4]。 但是過(guò)量的修形相當(dāng)于增加齒形誤差，反而會(huì)造成不利的影響，因此選取最佳修形方案顯得尤為重要。

利用KISSsoft 軟件對(duì)上文選定的齒輪副做修形計(jì)算，得到推薦的修形方式為齒頂線性修緣、齒根線性修緣及鼓形修形，其中齒頂、齒根修緣屬于齒廓修形，鼓形修形屬于齒向修形，如圖4 所示。

圖4 修形示意圖

經(jīng)過(guò)粗略修形計(jì)算和精細(xì)修形計(jì)算之后得到144 組修形結(jié)果，以傳動(dòng)誤差峰值差作為優(yōu)化目標(biāo)，最終選取修形參數(shù)為:齒頂修形量5 μm，修形長(zhǎng)度1.005 mm；齒根修形量5 μm，修形長(zhǎng)度2.18 mm；鼓形修形量1 μm。 將該修形參數(shù)加入齒輪副中，再次進(jìn)行接觸分析計(jì)算。

2.2 修形結(jié)果分析

將帶有修形參數(shù)的齒輪副和原齒輪副進(jìn)行接觸分析計(jì)算，從齒面發(fā)熱量、傳遞誤差、齒面載荷及接觸斑點(diǎn)這幾個(gè)方面來(lái)進(jìn)行對(duì)比分析。

齒輪副修形前及修形后的發(fā)熱量曲線如圖5 所示，齒輪嚙合產(chǎn)生的發(fā)熱量由修形前的41.84 J/mm降低到了修形后的38.12 J/mm， 齒面上產(chǎn)生的熱量減小了3.72 /mm 且熱量在齒輪上的分布更加均勻，表明修形可以降低發(fā)生齒面點(diǎn)蝕、膠合的可能性，提高了齒輪的承載能力。

圖5 齒輪修形前后的發(fā)熱量

齒輪副修形前及修形后的傳遞誤差曲線如圖6所示，齒輪的傳遞誤差由修形前的3.051 5 μm 降低到2.120 2 μm，降低了30.5%，而且修形后的傳遞誤差曲線過(guò)渡更加柔和、平滑，沒(méi)有拐點(diǎn)和尖點(diǎn)。 說(shuō)明此修形方案改善了齒輪在傳動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)性能，在一定程度上降低了變速箱的振動(dòng)和噪聲，使動(dòng)力傳動(dòng)更加平穩(wěn)。

圖6 齒輪修形前后的傳遞誤差

修形前齒面載荷最大的地方位于齒頂和齒根的兩端對(duì)角線上很小的一塊區(qū)域，載荷分布也不均勻，這會(huì)導(dǎo)致齒輪的異常磨損。 圖7 是修形后的齒面載荷分布圖，可以看出齒面邊緣應(yīng)力明顯減少，偏載現(xiàn)象消失，載荷突變的狀況也得以改善。

另外本文還觀察了修形后的齒輪接觸斑點(diǎn)的變化，如圖8 所示，修形后的齒輪接觸位置比較理想，沒(méi)有集中在齒頂或齒根這些錯(cuò)誤部位[5]。

圖8 齒輪修形前后的接觸斑點(diǎn)

從圖中可以看出此修形方案消除了齒面上的偏載情況，減小了齒輪傳動(dòng)中的磨損，降低了齒輪折斷的風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)論

(1)通過(guò)KISSsoft 軟件對(duì)變速箱一對(duì)斜齒輪進(jìn)行選型和修形優(yōu)化設(shè)計(jì)，基于目標(biāo)值篩選出最合適的參數(shù)，提升了設(shè)計(jì)效率。

(2)對(duì)修形前后的齒輪作接觸分析并對(duì)比，結(jié)果表明合理的修形方案可以改善齒輪傳動(dòng)效率和平穩(wěn)性，減小齒輪的磨損，降低發(fā)生齒面點(diǎn)蝕、膠合等失效形式的風(fēng)險(xiǎn)，降低齒輪振動(dòng)噪音和提高齒輪的壽命。

(3)本文的研究方法可以作為一種開(kāi)發(fā)變速箱傳動(dòng)系統(tǒng)的理論依據(jù)，結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)可以提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。