工程車輛用大功率行星齒輪設(shè)計優(yōu)化研究

武建軍　黃潘浪　傅兵

摘 要：針對某工程車輛用大功率行星齒輪疲勞壽命測試不合格的問題，從行星齒輪模數(shù)、齒數(shù)、齒頂高系數(shù)、壓力角和變位系數(shù)等方面提出齒輪優(yōu)化設(shè)計方案。對優(yōu)化前后各齒輪的齒面最大接觸應(yīng)力、嚙合錯位和單位齒寬載荷開展仿真分析，驗證了優(yōu)化效果。最后研制優(yōu)化后的樣機(jī)并進(jìn)行了疲勞實驗。結(jié)果表明：設(shè)計優(yōu)化后的行星齒輪樣機(jī)滿足疲勞壽命要求，工作可靠性顯著提升。

關(guān)鍵詞：行星齒輪 大功率 設(shè)計優(yōu)化 工程車輛

1 引言

行星齒輪傳動具有效率高、傳動平穩(wěn)、抗沖擊振動的特點[1]。在傳遞同樣的功率或轉(zhuǎn)矩時，與普通的定軸輪系齒輪機(jī)構(gòu)相比，行星齒輪傳動機(jī)構(gòu)具有體積小和重量輕的優(yōu)點，更易于進(jìn)行結(jié)構(gòu)緊湊性布置。行星齒輪傳動通常由太陽輪、內(nèi)齒圈、行星架和多個行星齒輪組成[2]，其齒輪參數(shù)一般可以通過經(jīng)驗公式得到，但各齒輪之間的載荷強(qiáng)度差異巨大，強(qiáng)度相對薄弱的齒輪容易損壞，直接影響到行星齒輪傳動裝置的使用壽命[3]。如何合理設(shè)計行星傳動系統(tǒng)一直是車輛主機(jī)廠和變速器廠商重點關(guān)注的核心技術(shù)問題。近年來，仿真技術(shù)與實驗測試技術(shù)不斷發(fā)展，為解決此類設(shè)計問題提供了便捷、高效的方法。本文針對某實際工程問題，采用理論分析、仿真及實驗相結(jié)合的方法，對某工程車輛用大功率行星齒輪開展設(shè)計優(yōu)化，以提高其工作可靠性。

2 行星齒輪減速機(jī)原理及問題分析

某工程車輛用大功率行星齒輪減速機(jī)的行星齒輪傳動為三級傳動，其傳動系統(tǒng)原理如圖1所示。其由太陽輪、行星架、行星輪和內(nèi)齒圈等零件組成，傳動流程如下：一級太陽輪Z1連接電機(jī)輸出軸，作為整個減速機(jī)的輸入。電機(jī)輸入動力首先通過一級太陽輪Z1傳遞到一級行星輪Z2，其中一部分動力由Z2傳遞到一級內(nèi)齒圈Z3，另一部分動力由Z2通過一級行星架H1傳遞到二級太陽輪Z4；第二級行星傳動中，動力由Z4傳遞到二級行星輪Z5，其中一部分動力由Z5傳遞到二級內(nèi)齒圈Z6，另一部分動力由Z5通過二級行星架H2傳遞到三級太陽輪Z7；第三級行星傳動中，三級行星架H3固定，動力由Z7傳遞到三級行星輪Z8，再由Z8傳遞到三級內(nèi)齒圈Z9。其中第三級行星傳動的承載扭矩最大，是行星齒輪減速機(jī)的核心元件，其運轉(zhuǎn)狀況直接決定著大功率行星齒輪減速機(jī)的使用壽命[4]。

工程中，一般通過耐久疲勞實驗來考核齒輪傳動裝置的壽命[5]。測試標(biāo)準(zhǔn)中，行星齒輪減速機(jī)需在輸出轉(zhuǎn)矩50000 N·m、輸出轉(zhuǎn)速11 r/min的工況下連續(xù)運轉(zhuǎn)約152小時（輸出軸運轉(zhuǎn)圈數(shù)為100000轉(zhuǎn)）。測試后發(fā)現(xiàn)：輸出軸運轉(zhuǎn)25000圈后，三級太陽輪Z7上出現(xiàn)點蝕；50000圈后，Z7上的點蝕逐漸增加；83757圈后，三級行星輪Z8和Z7卡死，Z8損壞，Z8上輪齒從根部斷裂（見圖2）。為進(jìn)一步探測齒輪裂縫，使用磁粉探傷檢測方法對Z8進(jìn)行缺陷和裂紋檢測。檢測發(fā)現(xiàn)，失效后的Z8上另有一個輪齒的根部出現(xiàn)了裂縫。因此，該行星齒輪減速機(jī)未通過疲勞壽命實驗。

經(jīng)分析，該行星齒輪減速機(jī)中的第三級太陽輪在嚙合過程中，其表面承受與多個行星輪兩兩嚙合帶來的壓縮力和剪切應(yīng)力，齒面和皮下金屬在綜合應(yīng)力重復(fù)作用之下，致使接觸面產(chǎn)生點蝕、疲勞磨損、微裂紋等損傷，導(dǎo)致強(qiáng)度降低，承載能力下降。隨著應(yīng)力循環(huán)次數(shù)增加，裂紋不斷擴(kuò)展以致相互連接起來形成小塊金屬脫落，太陽輪齒面出現(xiàn)點蝕剝落。隨著點蝕和剝落區(qū)域不斷擴(kuò)大，太陽輪齒面發(fā)生破壞，齒輪間嚙合振動加大，最終導(dǎo)致與之嚙合的某個行星輪輪齒折斷。隨著行星輪輪齒斷裂，太陽輪受力狀況進(jìn)一步惡化，相鄰的其他行星輪在較大的偏載力作用下，也相繼發(fā)生疲勞斷裂。因此，需要對第三級行星傳動系統(tǒng)開展設(shè)計優(yōu)化。

3 行星齒輪優(yōu)化設(shè)計

齒輪的模數(shù)、齒數(shù)、齒頂高系數(shù)、壓力角和變位系數(shù)等參數(shù)是影響齒輪強(qiáng)度和疲勞壽命的關(guān)鍵參數(shù)。模數(shù)方面，選取較大的模數(shù)以增強(qiáng)齒輪強(qiáng)度，將行星齒輪減速機(jī)的太陽輪、行星輪和內(nèi)齒圈的模數(shù)參數(shù)從4增加到4.4。齒數(shù)方面，太陽輪齒數(shù)過少導(dǎo)致傳遞的平穩(wěn)性降低，振動增大，導(dǎo)致其在疲勞實驗中失效，故先將太陽輪齒數(shù)從20調(diào)整為21，再根據(jù)傳動比對其它齒輪進(jìn)行齒數(shù)調(diào)整，行星輪齒數(shù)由25調(diào)整為24，內(nèi)齒圈齒數(shù)由70調(diào)整為69。齒頂高系數(shù)方面，過大的齒頂高系數(shù)導(dǎo)致齒頂齒厚過薄，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，故將減速機(jī)的太陽輪、行星輪和內(nèi)齒圈的齒頂高系數(shù)從1降到0.9。壓力角方面，基圓隨著壓力角的增大而離分度圓越遠(yuǎn)，齒根部的漸開線越長，齒根厚度越大，齒輪強(qiáng)度越高，因此將壓力角從原來的20°增加到28°。變位系數(shù)方面，過大的變位系數(shù)使得齒輪的齒形曲線變化十分復(fù)雜，齒輪的表面接觸應(yīng)力會增加，從而導(dǎo)致齒輪疲勞壽命降低，故將第三級行星傳動系統(tǒng)中太陽輪、行星輪、內(nèi)齒圈的變位系數(shù)分別從0.75、0.4931、-1.7326降低到0.5824、0.1088、-0.8。綜上所述，優(yōu)化后的第三級行星傳動系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

4 仿真校核分析

4.1 第三級行星傳動系統(tǒng)靜態(tài)分析

對優(yōu)化前后的行星齒輪減速機(jī)開展仿真對比分析。由于疲勞實驗的失效發(fā)生在第三級行星傳動系統(tǒng)，為簡化模型，故將第三級行星傳動系統(tǒng)單獨建模分析，在Romax軟件中建立的三維模型如圖3所示。齒輪材料選用表面淬火鋼，設(shè)置11 r/min的輸出轉(zhuǎn)速和50000 N·m的輸出轉(zhuǎn)矩。其余仿真參數(shù)與理論參數(shù)一致。

對第三級行星傳動系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)分析，圖4為優(yōu)化前后的外嚙合副和內(nèi)嚙合副的齒面最大接觸應(yīng)力圖。圖中紅色柱狀圖為外嚙合在整個嚙合過程中的最大接觸應(yīng)力，藍(lán)色柱狀圖為內(nèi)嚙合在整個嚙合過程中的最大接觸應(yīng)力。由圖可知，優(yōu)化前，各內(nèi)嚙合副的齒面最大接觸應(yīng)力分別為1186MPa、1130MPa、1078MPa、1192MPa、1065MPa、1137MPa；各外嚙合副的齒面最大接觸應(yīng)力分別為1903MPa、1782MPa、1660MPa、1826MPa、1658MPa、1779MPa。優(yōu)化后，各內(nèi)嚙合副齒面最大接觸應(yīng)力分別為780MPa、823MPa、869MPa、815MPa、853MPa、845MPa，較優(yōu)化前降低了約20%～34%；各外嚙合副齒面最大接觸應(yīng)力分別為1479MPa、1370MPa、1449MPa、1362MPa、1418MPa、1410MPa，較優(yōu)化前降低了約15%～25%。優(yōu)化后齒面最大接觸應(yīng)力較優(yōu)化前均得到降低，行星齒輪機(jī)構(gòu)的接觸強(qiáng)度得到提升，驗證了第三級行星傳動系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化效果。

4.2 第三級行星傳動系統(tǒng)動態(tài)分析

為了進(jìn)一步研究第三級行星傳動系統(tǒng)的嚙合性能，對其開展動態(tài)特性分析。優(yōu)化前后的太陽輪-行星輪外嚙合副、內(nèi)齒圈-行星輪內(nèi)嚙合副的嚙合錯位結(jié)果如圖5所示。優(yōu)化前，外嚙合副和內(nèi)嚙合副的行星輪嚙合錯位約310μm；優(yōu)化后，外嚙合副和內(nèi)嚙合副的行星輪嚙合錯位降低至約240μm。優(yōu)化后的嚙合錯位較優(yōu)化前降低了約23%，這一優(yōu)化抑制了齒輪的偏載，提高了齒輪的承載能力和使用壽命，說明優(yōu)化后行星齒輪機(jī)構(gòu)的齒輪副嚙合穩(wěn)定性得到了提升。

圖6所示為優(yōu)化前后的第三級行星傳動系統(tǒng)嚙合副單位齒寬載荷。由圖6（a）和圖6（b）可知，外嚙合副的單位長度法向載荷最大值由優(yōu)化前的1001N/mm降至825N/mm，下降幅度約17%。由圖6（c）和圖6（d）可知，內(nèi)嚙合副的單位長度法向載荷最大值由優(yōu)化前的1035N/mm降至767N/mm，下降幅度約25%。這表明優(yōu)化后的行星齒輪機(jī)構(gòu)中，齒輪嚙合狀態(tài)得到改善，可減少嚙入嚙出時的載荷沖擊。

5 優(yōu)化后樣機(jī)疲勞實驗

為評估優(yōu)化后行星齒輪減速機(jī)的工作性能，研制設(shè)計優(yōu)化后的第三級行星傳動系統(tǒng)，對其開展與優(yōu)化前相同測試工況的疲勞實驗。在實驗運轉(zhuǎn)25000圈、50000圈、100000圈數(shù)后，分別拆卸對各齒輪進(jìn)行檢查，零部件狀況完好，齒輪未出現(xiàn)點蝕和斷裂。表2為太陽輪和行星輪優(yōu)化前后的實驗結(jié)果對比，由表可知，在同等實驗循環(huán)圈數(shù)下，優(yōu)化后的第三級行星傳動系統(tǒng)未出現(xiàn)點蝕和輪齒斷裂情況，通過了測試標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的疲勞實驗，驗證了優(yōu)化方案的可行性。

6 結(jié)語

針對某工程車輛用大功率行星齒輪減速機(jī)在耐久測試中的齒輪失效問題，提出了第三級行星傳動系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化方案。對優(yōu)化前后的行星傳動系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真分析，結(jié)果表明：優(yōu)化后，各齒輪外嚙合副的齒面最大接觸應(yīng)力降低了約20%～34%，各齒輪內(nèi)嚙合副的齒面最大接觸應(yīng)力降低了約15%～25%；嚙合錯位較優(yōu)化前降低了約23%，內(nèi)、外嚙合齒輪最大單位長度載荷分別降低了約25%和約17%。最后，研制了優(yōu)化后的第三級行星傳動系統(tǒng)樣機(jī)，并通過耐久測試驗證了其疲勞壽命提升效果。上述研究可為工程車輛用大功率行星齒輪減速機(jī)的可靠性設(shè)計提供技術(shù)參考。

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