NGW型行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的齒形優(yōu)化設(shè)計(jì)

關(guān)鍵詞：行星齒輪傳動(dòng)；KISSsoft 軟件；齒輪修形

0前言

行星齒輪傳動(dòng)是齒輪傳動(dòng)中一種常見的傳動(dòng)方式，具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、承載能力強(qiáng)和傳動(dòng)效率高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于冶金機(jī)械、礦山機(jī)械和儀表儀器等行業(yè)［1］。由于制造誤差、裝配誤差和輪齒受載變形等因素的影響，傳動(dòng)過程中存在振動(dòng)和噪聲。而過大的振動(dòng)，容易造成設(shè)備損耗，大大縮短行星減速器的使用壽命。本文通過KISSsoft 齒輪分析軟件對(duì)NGW 型單級(jí)行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)在給定工況下進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)和齒形優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而提高齒輪承載能力和傳動(dòng)穩(wěn)定性，減少振動(dòng)和噪聲的產(chǎn)生。

1模型建立及參數(shù)分析

所研究的NGW 型行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)主要參數(shù)見表1。太陽輪、行星輪和內(nèi)齒圈的法向壓力角αn = 20°，螺旋角β = 15.642°，行星輪的個(gè)數(shù)為4，潤(rùn)滑方式為浸油潤(rùn)滑，潤(rùn)滑油型號(hào)為ISO-VG220。其中，輸入功率為18.5 kW，輸入轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，要求使用壽命不小于28 000 h，工況系數(shù)為1.25。

2修形優(yōu)化設(shè)計(jì)

2. 1修形理論

為了使齒輪振動(dòng)、噪聲現(xiàn)象以及接觸線上齒向載荷分布不均勻的狀況得到改善，需要對(duì)齒輪進(jìn)行修形處理。一般情況下，齒輪修形的方式包括齒廓修形和齒向修形，這2 種修形方式的目的各不相同。

2. 1. 1齒廓修形

在齒根圓角或齒頂圓角的位置，采用直線或圓弧的修形方式來削去正確漸開線齒形的部分材料，即沿著齒高方向?qū)X輪的齒根和齒頂部分進(jìn)行修形處理，這種方式稱為齒廓修形。由于齒輪的制造誤差、基節(jié)偏差和齒輪副嚙合時(shí)輪齒的受載變形等因素，齒輪傳動(dòng)過程中，由于誤差的影響，傳動(dòng)比會(huì)發(fā)生瞬時(shí)變化，必然產(chǎn)生瞬時(shí)加速或減速，無法進(jìn)行勻速傳動(dòng)，容易導(dǎo)致振動(dòng)和噪聲的產(chǎn)生，因此有必要進(jìn)行齒廓修形［2］。

2. 1. 2齒向修形

沿著齒線的方向?qū)X輪齒面進(jìn)行微量修整，使其偏離理論齒面的方式稱為齒向修形［3-5］。齒向修形的方式主要分為鼓形修整、齒端修整和螺旋角修整。本文齒向修形方式采用螺旋角修整。由于齒輪的制造誤差、裝配誤差、軸的彎曲扭轉(zhuǎn)變形等因素的影響，齒輪在進(jìn)行嚙合傳動(dòng)時(shí)，齒面容易偏往一端接觸，導(dǎo)致沿齒寬接觸線方向的載荷分布不均勻，即發(fā)生偏載現(xiàn)象［2］。

2. 2修形分析

修形前通過KISSsoft 軟件計(jì)算的參數(shù)結(jié)果見表2。從表2 可以看出，修形前后太陽輪-行星輪和行星輪-內(nèi)齒圈的重合度分別為1.537 和1.568，均大于1。在齒輪傳動(dòng)中，齒輪嚙合的重合度需大于或等于許用重合度，而一般情況下，許用重合度ε=1.2～1.4，故滿足嚙合基本要求。一般情況下，許用齒面安全系數(shù)為1，而太陽輪、行星輪和內(nèi)齒圈的齒根安全系數(shù)分別為0.966、1.030 和1.308，太陽輪的齒面安全系數(shù)小于許用齒面安全系數(shù)。為了使齒面安全系數(shù)得到提高，即增強(qiáng)齒輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度，需要對(duì)太陽輪和行星進(jìn)行修形處理，使傳動(dòng)過程更加平穩(wěn)。

修形后的參數(shù)計(jì)算結(jié)果見表3。由表3 可以看出，太陽輪和行星輪的齒面（齒根）安全系數(shù)均得到了提高，均大于許用齒面（齒根）安全系數(shù)，齒輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度滿足了設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過修形處理，齒輪發(fā)生齒面膠合、點(diǎn)蝕等失效形式的現(xiàn)象得到改善，傳動(dòng)過程更加平穩(wěn)。

3修形前后嚙合性能分析

3. 1傳動(dòng)誤差和傳動(dòng)加速度

由于輪齒剛度、制造誤差、幾何誤差、裝配誤差和輪齒受載變形等因素的影響不同，齒輪傳動(dòng)過程中，傳動(dòng)誤差和傳動(dòng)加速度的大小也各不相同。太陽輪修形前后的傳動(dòng)誤差曲線如圖1 所示。由圖1可以看出，修形前太陽輪傳動(dòng)誤差在-28.550～-28.520 μm 波動(dòng)，修形后傳動(dòng)誤差在-24.890～-24.820 μm 波動(dòng)。圖2 為太陽輪修形前后的傳動(dòng)加速度曲線。由圖2可以看出，修形前太陽輪的傳動(dòng)加速度在-2.70×10⁵～5.40×10⁵ μm/s² 波動(dòng)，修形后傳動(dòng)加速度在-2.0×10⁵～2.0×10⁵ μm/s²波動(dòng)。

修形前后傳動(dòng)誤差和傳動(dòng)加速度的數(shù)據(jù)對(duì)比見表4。由表4 可以看出，修形后傳動(dòng)誤差降低了13%，傳動(dòng)加速度降低了26%，經(jīng)過修形處理后，傳動(dòng)過程變平穩(wěn)，減小了傳動(dòng)過程的振動(dòng)和噪聲。

3. 2功率損失

修形前后的太陽輪功率損失曲線如圖3所示。從圖3 可以看出，在嚙入（A 點(diǎn)）、嚙出（E 點(diǎn)）時(shí)，太陽輪受到一定的沖擊，功率損失較大。修形前太陽輪功率損失的峰值為5.5 W/mm，修形后太陽輪功率損失的峰值為3.75 W/mm。經(jīng)過修形處理，功率損失降低了32%，傳動(dòng)過程中的傳動(dòng)效率得到了提高。

4 結(jié)語

本文對(duì)某NGW型單級(jí)行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)展開了研究，采用KISSsoft 軟件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)和齒形優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立該行星減速器的三維模型，并對(duì)其進(jìn)行齒廓和齒向修形。同時(shí)，對(duì)修形前后的計(jì)算結(jié)果和嚙合性能（傳動(dòng)誤差、傳動(dòng)加速度、功率損失）進(jìn)行了對(duì)比分析。分析結(jié)果表明，經(jīng)過修形處理后，齒輪齒面（齒根）安全系數(shù)增大，改善了齒輪嚙合時(shí)的受載狀況；提高了傳動(dòng)過程的平穩(wěn)性，振動(dòng)噪聲的現(xiàn)象得到改善，傳動(dòng)效率得到提高，齒輪承受沖擊載荷的能力也得到增強(qiáng)。