某全地形車變速箱齒輪的選型及修形設(shè)計優(yōu)化

展建波， 張 平， 陳玉梅

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

全地形車是一種在大多數(shù)地形上都能行駛的車輛，國內(nèi)俗稱沙灘車。 這種車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傳動系統(tǒng)中的重要組成部分，其內(nèi)部齒輪傳動能力對變速箱的噪音、性能以及壽命極為重要。 本文以某款全地形車變速箱內(nèi)的一對斜齒輪為研究對象，運用KISSsoft 軟件對其進(jìn)行選型及修形優(yōu)化設(shè)計[1]。

1 齒輪選型

在實際開發(fā)設(shè)計過程中，因為動力源的設(shè)計變更或者為了適配車輛的主要使用環(huán)境，往往需要改變變速箱的傳動比，變更傳動系統(tǒng)參數(shù)，用以釋放發(fā)動機(jī)的性能。 在變速箱傳動系統(tǒng)的設(shè)計過程中，因為計算參數(shù)過程非常繁瑣、復(fù)雜，按傳統(tǒng)的基于設(shè)計手冊的設(shè)計方法設(shè)計很難達(dá)到各種傳動性能指標(biāo)最優(yōu)化的目標(biāo)，并且非常依賴設(shè)計人員自身經(jīng)驗。 本文采用KISSsoft 軟件，它可對不同種類的傳動系統(tǒng)及齒輪箱進(jìn)行強(qiáng)度及壽命分析，可以在非常短的時間內(nèi)對完整的傳動系統(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已有設(shè)計進(jìn)行對比分析。

本文中給定斜齒輪副的目標(biāo)傳動比為1.3(浮動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)，對結(jié)果進(jìn)行篩選，同時剔除齒數(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

對選定的齒輪副進(jìn)行接觸分析，計算齒面接觸應(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)力曲線沒有平緩的過渡區(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會有沖擊，這會加大齒輪的振動噪音，對其使用壽命來說是不利的。

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，但是齒輪在實際使用過程中因為變速箱箱體孔位、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大的情況。 這種情況下的齒輪傳動不平穩(wěn)，噪音過大，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)。 在變速箱的開發(fā)設(shè)計活動中經(jīng)常遇見這種問題，但該問題的發(fā)生往往并不是因為齒輪參數(shù)設(shè)計的不合理，而是由于前面所述的齒面接觸狀況不佳導(dǎo)致的。 因此，為了降低齒輪振動噪音、提高齒輪壽命，必須對齒輪進(jìn)行修形，優(yōu)化齒面接觸狀況，提高齒輪傳動平穩(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線曲線來彌補(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]。 但是過量的修形相當(dāng)于增加齒形誤差，反而會造成不利的影響，因此選取最佳修形方案顯得尤為重要。

利用KISSsoft 軟件對上文選定的齒輪副做修形計算，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)過粗略修形計算和精細(xì)修形計算之后得到144 組修形結(jié)果，以傳動誤差峰值差作為優(yōu)化目標(biāo)，最終選取修形參數(shù)為:齒頂修形量5 μm，修形長度1.005 mm；齒根修形量5 μm，修形長度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)行接觸分析計算，從齒面發(fā)熱量、傳遞誤差、齒面載荷及接觸斑點這幾個方面來進(jìn)行對比分析。

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渡更加柔和、平滑，沒有拐點和尖點。 說明此修形方案改善了齒輪在傳動過程中的動態(tài)性能，在一定程度上降低了變速箱的振動和噪聲，使動力傳動更加平穩(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角線上很小的一塊區(qū)域，載荷分布也不均勻，這會導(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的變化，如圖8 所示，修形后的齒輪接觸位置比較理想，沒有集中在齒頂或齒根這些錯誤部位[5]。

圖8 齒輪修形前后的接觸斑點

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

3 結(jié)論

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

(2)對修形前后的齒輪作接觸分析并對比，結(jié)果表明合理的修形方案可以改善齒輪傳動效率和平穩(wěn)性，減小齒輪的磨損，降低發(fā)生齒面點蝕、膠合等失效形式的風(fēng)險，降低齒輪振動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發(fā)變速箱傳動系統(tǒng)的理論依據(jù)，結(jié)合實際經(jīng)驗可以提高設(shè)計的準(zhǔn)確性，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。