面齒輪傳動嚙合剛度分析與修形減振優(yōu)化

付學(xué)中， 方宗德， 賈 超， 彭先龍

(1. 西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，西安 710072;2.西安科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，西安 710054)

輪齒變形和嚙合剛度的精確計(jì)算是研究輪齒齒面修形、振動與噪聲、動態(tài)特性、壽命預(yù)測、故障診斷的基礎(chǔ)[1-2]，也是確定齒輪傳動系統(tǒng)內(nèi)部附加動載荷、齒面載荷分布及齒間載荷分配系數(shù)的重要因素。關(guān)于輪齒變形和嚙合剛度的計(jì)算方法[3-4]，國內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了大量的研究，并形成了以材料力學(xué)方法和數(shù)學(xué)彈性力學(xué)方法(即保角映射法)為代表的理論計(jì)算方法、以邊界元法和有限元法為代表的數(shù)值計(jì)算方法。

材料力學(xué)方法是使用最早應(yīng)用最廣的一種方法，以Ishikawa公式和Weber-Banaschek公式最具代表性[5]，前者在日本和國內(nèi)應(yīng)用較多，后者在國外應(yīng)用較多[6]。但材料力學(xué)方法因?qū)_漸開線齒形進(jìn)行了簡化(如Ishikawa公式中將輪齒簡化為長方形與梯形的組合、Weber-Banaschek公式中將輪齒簡化為變截面懸臂梁)，并忽略了齒根過渡曲線的影響，致使計(jì)算精度和可靠度較低。數(shù)學(xué)彈性力學(xué)方法是基于彈性力學(xué)理論和復(fù)變函數(shù)保角映射理論，先將齒輪的曲線邊界映射成直邊邊界，再求解輪齒的半邊界體在集中力作用下的受載變形[7-8]。數(shù)學(xué)彈性力學(xué)方法計(jì)算精度依賴于映射函數(shù)的精度，但合理選取映射函數(shù)是非常困難的，且該方法只適用直齒輪平面問題，并不可直接應(yīng)用于斜齒輪問題。另外，材料力學(xué)方法和數(shù)學(xué)彈性力學(xué)方法均假設(shè)嚙合線上各點(diǎn)位移相同，且載荷沿接觸橢圓長軸分布均勻，這與實(shí)際嚴(yán)重不符，也無法考慮安裝與制造誤差、齒面誤差與修形的影響，更難以描述輪齒復(fù)雜的幾何形狀、實(shí)際受載狀況及邊界條件。數(shù)值計(jì)算方法則有效克服了上述不足[9-11]，尤其是有限元法在工程中已得到廣泛應(yīng)用，采用有限元法分析錐齒輪傳動、準(zhǔn)雙曲面齒輪傳動的變形和嚙合剛度，其計(jì)算結(jié)果精度較高[12]。

面齒輪傳動是航空航天領(lǐng)域先進(jìn)的新型傳動，在直升機(jī)均載分流傳動方面優(yōu)勢明顯[13]，但面齒輪齒面復(fù)雜[14]，齒厚沿齒寬變化較大，故準(zhǔn)確求得面齒輪傳動嚙合剛度的解析式極其困難。目前，國內(nèi)外僅見少量關(guān)于面齒輪傳動嚙合剛度計(jì)算方法的公開文獻(xiàn)，研究也有待進(jìn)一步深入。李政民卿等將面齒輪齒形近似成由沿齒高或齒寬方向變化的一系列切薄片組成，采用材料力學(xué)方法推導(dǎo)了面齒輪嚙合剛度計(jì)算公式，并分析得到了壓力角、模數(shù)及齒寬等設(shè)計(jì)參數(shù)對面齒輪嚙合剛度的影響[15-16]，但因采用的是簡化后的當(dāng)量齒形，前述材料力學(xué)方法的固有缺陷并未改進(jìn)。唐進(jìn)元等[17]提出將面齒輪傳動傳動誤差換算成沿嚙合線方向的輪齒彈性變形量，并按輪齒剛度定義計(jì)算嚙合剛度的方法，但是面齒輪傳動承載傳動誤差采用商業(yè)有限元軟件ABAQUS求解，存在計(jì)算時間長、前后處理操作繁瑣、計(jì)算效率低等問題，且不利于將其嵌入到優(yōu)化設(shè)計(jì)等相關(guān)程序中去。此外，以上研究均是針對面齒輪傳動理論齒面，并未考慮變位、小輪偏置、安裝誤差和齒面修形等對嚙合剛度的影響。

本文基于面齒輪傳動承載接觸分析(LTCA)技術(shù)，建立了面齒輪傳動嚙合剛度求解模型，分析了變位、小輪偏置和安裝誤差對面齒輪傳動綜合嚙合剛度均值和波動幅值的影響，并將LTCA技術(shù)與遺傳算法相結(jié)合，建立了以修形參數(shù)為優(yōu)化變量，以綜合嚙合剛度波動幅值最小為目標(biāo)的面齒輪傳動修形減振優(yōu)化模型，為進(jìn)行面齒輪傳動系統(tǒng)動力學(xué)分析和修形齒面設(shè)計(jì)提供理論參考。

1 面齒輪傳動嚙合剛度求解

本文采用Zhang等[18-19]提出的LTCA技術(shù)分析面齒輪傳動，該方法采用三維有限元法、柔度矩陣及數(shù)學(xué)規(guī)劃法求解輪齒的三維彈性接觸，成功地結(jié)合了齒輪幾何分析和力學(xué)分析，是獲得加載條件下輪齒工作性能的重要分析工具，且其高精確性和有效性已被試驗(yàn)所證實(shí)[20-21]。本方法優(yōu)點(diǎn)有：①含齒根過渡曲面在內(nèi)的面齒輪全齒面齒廓由刀具展成獲得，齒形未進(jìn)行任何簡化，同時還考慮了輪體的輪緣，并自動生成有限元網(wǎng)格，單元形狀規(guī)整，故模型本身具有很高的精度；②有限元法計(jì)算輪齒工作齒面結(jié)點(diǎn)柔度系數(shù)時只需進(jìn)行一次，而嚙合周期內(nèi)不同嚙合位置的接觸線離散點(diǎn)法向柔度矩陣只需重新插值即可，計(jì)算量小，耗時少，效率高。

進(jìn)行面齒輪傳動LTCA前，需要先做如下準(zhǔn)備工作：①獲得綜合考慮變位[22]、小輪偏置[23]、齒面修形的面齒輪傳動大、小輪全齒面輪齒有限元模型；②建立含軸向位移誤差Δq、偏置誤差ΔE、軸夾角誤差Δγ的嚙合坐標(biāo)系，將大、小輪齒面坐標(biāo)變換到嚙合坐標(biāo)系下進(jìn)行齒面接觸分析(TCA)求解，得到大、小輪齒面初始接觸間距矢量w和幾何傳動誤差TEG；③采用有限元方法計(jì)算輪齒工作齒面結(jié)點(diǎn)柔度系數(shù)，采用二元插值法確定齒面接觸線離散點(diǎn)法向柔度矩陣F。

本文面齒輪傳動大、小輪齒面均采用作者在文獻(xiàn)[23]中所述的碟形砂輪磨齒展成，獲得齒面(包括過渡曲面)離散點(diǎn)后，考慮齒輪輪緣并根據(jù)面齒輪副幾何特點(diǎn)編程生成節(jié)點(diǎn)和單元，圖1所示為生成面齒輪有限元模型。

圖1 面齒輪有限元模型

圖2 嚙合坐標(biāo)系

(1)

式中：R1f、n1f為小輪位矢和法矢，u1、l1是展成小輪齒面的獨(dú)立參數(shù)；R2f、n2f為面齒輪位矢和法矢，u2、l2是展成面齒輪齒面的獨(dú)立參數(shù)。

上式可分解得含6個參數(shù)5個獨(dú)立的標(biāo)量方程，以一定增量ΔΦ2=2π/(z2N) (N為嚙合周期等分?jǐn)?shù))改變Φ2值輸入即可求解得到嚙合跡線，并根據(jù)下式求解幾何傳動誤差

ΔΦ2=Φ2-Φ20-z1/z2(Φ1-Φ10)

(2)

式中：Φ10、Φ20是兩齒面初始轉(zhuǎn)角，z1、z2是兩輪齒數(shù)。

不考慮輪齒嚙合時的潤滑油和摩擦力作用，則在總法向嚙合力P作用下，面齒輪傳動承載接觸分析的模型如圖3所示。面齒輪傳動為準(zhǔn)共軛點(diǎn)接觸齒面，在載荷作用下輪齒將產(chǎn)生彈性變形，不計(jì)瞬時接觸區(qū)寬度，認(rèn)為點(diǎn)接觸將擴(kuò)展為沿瞬時接觸橢圓長軸發(fā)生的線接觸。圖中表示的即為齒面過瞬時接觸橢圓長軸的法截面，假設(shè)有齒對I和齒對II可能同時接觸，接觸橢圓中心為i點(diǎn)，而j點(diǎn)為接觸橢圓長軸上的任意離散點(diǎn)(2對齒間共n個離散點(diǎn))，則變形后位移協(xié)調(diào)方程為

圖3 面齒輪傳動承載接觸模型

Fkpk+wk=dk+Zk(k=I,II)

(3)

式中:pk=[p1,p2, …,pn]T為瞬時接觸橢圓長軸離散點(diǎn)處法向載荷；dk=[d1,d2, …,dn]T為瞬時接觸橢圓長軸離散點(diǎn)處變形后的齒面間隙；Zk=Z[1, 1, …, 1]T為輪齒變形后的法向位移。

各離散點(diǎn)法向載荷pj(j=1, 2, …,n)須滿足力平衡條件

(4)

輪齒接觸時非嵌入條件為

(5)

根據(jù)前述內(nèi)容，綜合考慮了齒面修形、變位、小輪偏置以及安裝誤差等因素的面齒輪傳動承載接觸問題的數(shù)學(xué)規(guī)劃表示如下

(6)

上述非線性規(guī)劃目標(biāo)為變形能最小，Xj(j=1, 2,…,n+1)為人工變量；X=[X1,X2, …,Xn]T，n維列向量；e為單位n維列向量；pj≥0、dj≥0、δj≥0、Xj≥0為接觸邊界條件。用改進(jìn)的正規(guī)形法[24]求解上式，由此獲得未知參數(shù)d、Z、p，并下式計(jì)算齒對I和II在某任意瞬時嚙合位置的載荷分配系數(shù)

(7)

齒輪傳動誤差的定義為“主動輪轉(zhuǎn)過一定角度，從動輪實(shí)際轉(zhuǎn)動位移與理想轉(zhuǎn)動位移之差”[25]，故可將面齒輪輪齒變形后的法向位移按下式轉(zhuǎn)換為承載傳動誤差

(8)

式中：ω2為面齒輪角速度矢量。

圖4所示為按上述方法獲得的典型面齒輪傳動修形后的幾何傳動誤差TEG和承載傳動誤差TEL曲線，幾何傳動誤差曲線上的點(diǎn)a和a′為單齒嚙合與雙齒嚙合的臨界轉(zhuǎn)換點(diǎn)，距離aa′ 即為一個嚙合周期T，幾何傳動誤差曲線下端開口距離cc′ 與嚙合周期T之比即為面齒輪傳動的有效重合度。承載后的實(shí)際重合度由幾何傳動誤差曲線和承載傳動誤差曲線的交點(diǎn)b和b′確定，等于距離bb′ 與嚙合周期T之比，點(diǎn)b和b′即為嚙入和嚙出點(diǎn)。無載時實(shí)際重合度為1，即幾何傳動誤差曲線應(yīng)為連續(xù)的實(shí)線部分。在某任意瞬時嚙合位置，承載后的輪齒法向綜合變形量δ取決于TEG-TEL的大小，兩者按下式轉(zhuǎn)換

(9)

單齒副嚙合剛度是指只考慮一對主動輪齒和被動輪齒從進(jìn)入嚙合到退出嚙合的剛度，綜合嚙合剛度是指整個嚙合周期內(nèi)所有參與嚙合的多對輪齒嚙合剛度疊加后的綜合效應(yīng)。設(shè)單對輪齒在嚙合周期T內(nèi)共有8個嚙合位置，從進(jìn)入嚙合到退出嚙合共有N個嚙合位置，則面齒輪傳動綜合嚙合剛度和單齒副嚙合剛度分別由式(10)和式(11)計(jì)算

(10)

ks(jj)=km(jj-8floor(jj-1)/8))Lk(jj)(jj=1,2,3,…,N)

(11)

根據(jù)上述內(nèi)容，將面齒輪傳動嚙合剛度求解程序化，流程見圖5，整個過程求解耗時僅約5 min。

圖5 嚙合剛度求解流程

2 計(jì)算精度驗(yàn)證

目前，由于面齒輪傳動嚙合剛度尚未有比較權(quán)威的計(jì)算方法和公式，而漸開線圓柱齒輪的嚙合剛度計(jì)算方法已較成熟，并有不少文獻(xiàn)給出了相關(guān)的計(jì)算方法和公式。為驗(yàn)證本文所提出基于LTCA的嚙合剛度計(jì)算方法的可行性和精確性，現(xiàn)采用本文方法和現(xiàn)有文獻(xiàn)方法分別對斜齒輪傳動的綜合嚙合剛度進(jìn)行計(jì)算。Maatar等[26]基于齒輪副瞬時接觸線長度，推導(dǎo)出簡單實(shí)用的斜齒輪綜合嚙合剛度解析式，并得到了較廣泛應(yīng)用，具體公式如下

(12)

式中：k0，Lk，Ak，Bk，τ具體含義見文獻(xiàn)。

斜齒輪傳動基本幾何參數(shù)：大、小輪齒數(shù)為41、40，法向壓力角為20°，分度圓螺旋角為14°27′24″，法向模數(shù)為4 mm，齒頂高系數(shù)為1，頂隙系數(shù)為0.25，齒寬為30 mm。齒輪材料彈性模量為206 GPa，泊松比為0.29，負(fù)載為10 000 N·m。上述2種方法計(jì)算結(jié)果見圖6，可見2種方法計(jì)算所得綜合嚙合剛度曲線變化規(guī)律比較吻合，但因式(12)未考慮齒輪齒根過渡曲面和輪緣變形對嚙合點(diǎn)影響，導(dǎo)致其結(jié)果偏大，但最大偏差為8.92%，平均偏差僅為5.83%，故采用本文方法分析面齒輪傳動嚙合剛度可以保證較高精度。

圖6 綜合嚙合剛度比較

3 面齒輪傳動嚙合剛度分析

某偏置變位面齒輪傳動仿真參數(shù)如下：面齒輪產(chǎn)形輪齒數(shù)為31，面齒輪齒數(shù)為140，面齒輪內(nèi)徑、外徑分別為425 mm、465 mm，直齒圓柱小輪齒數(shù)為28，模數(shù)為6.35 mm，壓力角為25°，變位系數(shù)為-0.2，小輪偏置距為50 mm，輪緣系數(shù)為2.5，軸夾角γ為90°，小輪齒條刀和面齒輪產(chǎn)形輪的刀頂圓弧半徑均為0.635 mm。面齒輪傳動的材料參數(shù)與前述斜齒輪傳動相同。

圖7、圖8、圖9分別負(fù)載為1 000 N·m時的法向變形量、嚙合剛度、單對輪齒從進(jìn)入嚙合到退出嚙合過程中法向嚙合力的變化曲線。由圖可知，面齒輪傳動綜合嚙合剛度和法向變形量的波動表現(xiàn)出較明顯的階躍突變，這是因?yàn)樵撟兾黄妹纨X輪傳動重合度約為1.5，嚙合過程存在“雙齒—單齒—雙齒”交替變化，在雙齒嚙合區(qū)，整個載荷是由兩對輪齒共同承擔(dān)的，故此時齒輪的法向變形量較小，而綜合嚙合剛度較大，反之，在單齒嚙合區(qū)，整個載荷僅由一對輪齒承擔(dān)，故此時齒輪的法向變形量較大，而綜合嚙合剛度較小。小輪轉(zhuǎn)角在-8.035°時齒輪副開始進(jìn)入嚙合，隨著轉(zhuǎn)角增大，作用在該對輪齒上的法向嚙合力逐漸增大，單齒副嚙合剛度也逐漸增大；當(dāng)小輪轉(zhuǎn)角在0°～3.21°時，此時為單齒嚙合區(qū)，載荷全部作用在該對輪齒上，其法向嚙合力達(dá)到最大并保持不變，但此區(qū)間法向變形量略微增加，故單齒副嚙合剛度略微減??；隨即下對輪齒進(jìn)入嚙合，該對輪齒上的法向嚙合力突變減小，對應(yīng)的單齒副嚙合剛度也以較大幅度減小，之后，該對輪齒上的法向嚙合力和單齒副嚙合剛度均逐漸減小，直至該對輪齒退出嚙合。

圖7 法向變形量

圖8 嚙合剛度

圖9 法向嚙合力

為分析負(fù)載PL、變位系數(shù)x、小輪偏置距E和3類安裝誤差(軸向位移誤差Δq、偏置誤差ΔE、軸夾角誤差Δγ)對面齒輪傳動嚙合剛度均值和波動幅值的影響，分別以各單一影響因素作為變量計(jì)算面齒輪傳動綜合嚙合剛度，計(jì)算結(jié)果見圖10～圖13。

由圖可見，綜合嚙合剛度波動幅值對載荷、變位、小輪偏置和安裝誤差均不敏感，但綜合嚙合剛度均值受載荷、小輪偏置和安裝誤差影響較大。綜合嚙合剛度均值隨載荷增大而增大，隨偏置距增大而減小，而幾乎不受變位影響。在3類安裝誤差中，軸夾角誤差對綜合嚙合剛度均值影響最大，而偏置誤差對綜合嚙合剛度均值影響較小，故面齒輪實(shí)際安裝時要嚴(yán)格控制軸夾角誤差。

x=0, E=0, Δq=0, ΔE=0, Δγ=0°

PL=1 000 N·m, E=0, Δq=0, ΔE=0, Δγ=0°

PL=1 000 N·m, x=0, Δq=0, ΔE=0, Δγ=0°

(a) PL=1 000 N·m, x=0, E=0, ΔE=0, Δγ=0°

(b) PL=1 000 N·m, x=0, E=0, Δq=0, Δγ=0°

(c) PL=1 000 N·m, x=0, E=0, Δq=0, ΔE=0

4 面齒輪傳動修形減振優(yōu)化

4.1 優(yōu)化模型

齒輪副的綜合嚙合剛度變化是產(chǎn)生振動與噪聲的主要原因之一，綜合嚙合剛度變化波動幅值越大，振動越大，噪聲越大，變化幅值小則傳動平穩(wěn)[27-28]。齒輪修形技術(shù)是齒輪傳動減振降噪的重要手段[29]，而修形參數(shù)選的是否合理，直接決定著能否有效提高承載能力和傳動平穩(wěn)性。通常，面齒輪副大、小輪均可進(jìn)行修形，但面齒輪齒面復(fù)雜、修形難度大，效率低，而小輪齒數(shù)少、加工方便，效率高，故在小輪上進(jìn)行修形更有優(yōu)勢。作者在文獻(xiàn)[30]中設(shè)計(jì)了由2段拋物線與1段直線組成的小輪齒廓、齒向修形曲線，見圖14，且修形后嚙合性能改善明顯。圖中l(wèi)1、l3為齒廓修根時修形量、修形長度，l2、l4為齒廓修緣時修形量、修形長度，l5、l7為齒向兩端修形量，l6為齒向不修形長度，h、b為旋轉(zhuǎn)投影面上的齒高、齒長。

(a) 齒廊方向

(b) 齒向方向

以上述7個修形參數(shù)為優(yōu)化變量，以綜合嚙合剛度波動幅值最小為目標(biāo)，則面齒輪傳動修形減振優(yōu)化模型可簡化如下。

優(yōu)化變量：l1、l2、l3、l4、l5、l6、l7；

根據(jù)前述齒輪參數(shù)和拓?fù)湫扌喂に囈?，?yōu)化變量取值范圍見表1。

4.2 優(yōu)化算法

本文優(yōu)化過程是通過不斷改變小輪的修形參數(shù)，來改變齒面接觸狀況的迭代過程，屬高度非線性接觸問題。優(yōu)化變量與目標(biāo)函數(shù)之間無直接關(guān)聯(lián)，無法建立兩者的解析表達(dá)式，現(xiàn)采用帶有精英策略的快速非支配排序遺傳算法(NSGA-Ⅱ)求解上述優(yōu)化模型，流程見圖15。NSGA-II算法參數(shù)[31]取值如下：交叉、變異概率取0.9、0.1，為節(jié)省時間，終止進(jìn)化代數(shù)gmax=50，種群規(guī)模取20。

圖15 NSGA-Ⅱ算法修形減振優(yōu)化流程

4.3 優(yōu)化結(jié)果與討論

圖16所示為未修形面齒輪傳動和修形減振優(yōu)化后面齒輪傳動對應(yīng)的綜合嚙合剛度，優(yōu)化獲得的變量取值如下：l1為0.015 mm、l2為5.660 mm、l3為0.010 mm、l4為5.315 mm、l5為0.017 mm、l6為22.506 mm、l7為0.018 mm。由圖可見，優(yōu)化后齒面拓?fù)湫扌坞m使綜合嚙合剛度的均值稍有減小，但綜合嚙合剛度的波動幅值大幅下降，由1.391×108N/m降為0.124×108N/m，減小了91%，故優(yōu)化修形參數(shù)可有效減小面齒輪傳動的振動和噪聲。

PL=0, x=0, E=0, Δq=0, ΔE=0, Δγ=0

5 結(jié) 論

(1) 綜合考慮變位、小輪偏置、齒面修形以及安裝誤差，提出了基于LTCA技術(shù)的面齒輪傳動嚙合剛度計(jì)算方法，并將斜齒圓柱齒輪傳動的嚙合剛度計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)對比，驗(yàn)證了本文方法的精確性。

(2) 對某變位偏置面齒輪傳動的分析表明，面齒輪傳動的法向變形、嚙合剛度和法向嚙合力隨嚙合位置變化，且波動幅值較大，存在階躍突變現(xiàn)象。

(3) 載荷、變位、小輪偏置和安裝誤差對面齒輪傳動綜合嚙合剛度均值和波動幅值的影響分析表明，綜合嚙合剛度波動幅值對載荷、變位、小輪偏置和安裝誤差并不敏感，但綜合嚙合剛度均值受載荷、小輪偏置和安裝誤差影響較大；在3類安裝誤差中，軸夾角誤差對綜合嚙合剛度均值影響最大，故面齒輪實(shí)際安裝時要嚴(yán)格控制軸夾角誤差。

(4) 優(yōu)化小輪修形參數(shù)后使綜合嚙合剛度的波動幅值大幅下降，從而可有效減小面齒輪傳動的振動和噪聲。