齒輪設(shè)計系統(tǒng)的分析與應(yīng)用

□ 陳宗瑞 □ 張保松 □ 陳柏宇

1.中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 江蘇常州 213011 2.武進(jìn)星河實(shí)驗(yàn)小學(xué)教育集團(tuán) 江蘇常州 213011

1 齒輪設(shè)計系統(tǒng)概述

行星齒輪相比普通定軸齒輪,在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面有很多優(yōu)點(diǎn),如可靠性高、壽命長、振動噪聲低等,在風(fēng)力發(fā)電、礦山機(jī)械等行業(yè)有廣泛的應(yīng)用[1-2]。結(jié)合最新國家及國際標(biāo)準(zhǔn),筆者總結(jié)十幾年來的設(shè)計經(jīng)驗(yàn),研發(fā)了齒輪設(shè)計系統(tǒng),可快速實(shí)現(xiàn)多級行星齒輪的優(yōu)化設(shè)計與計算。

齒輪設(shè)計系統(tǒng)以漸進(jìn)方式指導(dǎo)用戶快速完成由原始參數(shù)到設(shè)計參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計過程,系統(tǒng)使用方便、簡單,設(shè)計過程和計算參數(shù)都有據(jù)可查。在優(yōu)化條件下,齒輪設(shè)計系統(tǒng)提供極其靈活的控制和操作功能,用戶可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和方法,選擇完全符合自身要求的設(shè)計參數(shù)。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

齒輪設(shè)計系統(tǒng)包括平行軸計算、NGW行星輪系計算、NW行星輪系計算、滾刀計算四個子模塊,每個子模塊分別包含概念設(shè)計、幾何計算、強(qiáng)度計算、積分膠合、齒廓修形、齒向修形、載荷譜處理等設(shè)計功能。齒輪設(shè)計系統(tǒng)操作界面如圖1所示。

齒輪設(shè)計系統(tǒng)通過與用戶進(jìn)行交互式數(shù)據(jù)處理,以幾何參數(shù)設(shè)計為起點(diǎn),以傳動質(zhì)量指標(biāo)驗(yàn)收、強(qiáng)度校核及修形優(yōu)化為主要環(huán)節(jié),最終輸出齒輪全部參數(shù)。

▲圖1 齒輪設(shè)計系統(tǒng)操作界面

每個設(shè)計環(huán)節(jié)都是松散連接的模塊,提供靈活智能的計算過程配置管理功能,既可以按全流程計算,也可以單獨(dú)使用功能,具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。

齒輪設(shè)計系統(tǒng)分為三個層次:表現(xiàn)層、邏輯計算層、知識數(shù)據(jù)庫層。用戶在使用時實(shí)際面對的是表現(xiàn)層,邏輯計算層和知識數(shù)據(jù)庫層以后臺形式存在,用戶在使用中感覺不到這兩個層次的存在,但是所有設(shè)計工作都是在這兩個層次的支持控制下完成的。

3 齒輪參數(shù)設(shè)計

3.1 傳動比分配

傳動比分配指將總傳動比iΣ分配到各級傳動中去,確定每一級的傳動比i1、i2。在輸入總傳動比后,齒輪設(shè)計系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先設(shè)置的計算方法自動分配各級齒數(shù)比。傳動比分配界面如圖2所示。齒輪設(shè)計系統(tǒng)根據(jù)德國機(jī)械零件手冊和齒輪手冊提供的方法,設(shè)置了四個分配原則供選擇,每一個原則同時還可以修改分配公式中的參數(shù)。

原則1為按總體積最小原則分配。原則2為按齒面接觸強(qiáng)度相等原則分配。原則3為當(dāng)a2/a1≈1.4 時,按齒面接觸強(qiáng)度相等原則分配,a2為第二級中心距,a1為第一級中心距。原則4為按兩級齒輪等強(qiáng)度,且齒寬、徑向尺寸等最小原則分配。

▲圖2 傳動比分配界面

3.2 變位因數(shù)分配

選擇合理的變位因數(shù),可以在不增加成本的基礎(chǔ)上最大限度提高齒輪承載能力。推薦采用適度的變位,外嚙合總變位因數(shù)一般控制為0.5～0.8,內(nèi)嚙合總變位因數(shù)一般控制為-0.5～0.4。在變位因數(shù)分配時,齒輪設(shè)計系統(tǒng)提供了四種分配方法。變位因數(shù)分配界面如圖3所示。使用者可以根據(jù)不同的設(shè)計需求選擇不同的變位因數(shù)分配方法。

▲圖3 變位因數(shù)分配界面

方法1為美國齒輪制造協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)中的等滑動法。令η1=η2,其中η1為大齒根處滑動率,η2為小齒根處滑動率,求主動齒輪變位因數(shù)X1。

方法2為國際標(biāo)準(zhǔn)化組織標(biāo)準(zhǔn)中的等彎曲B法。令YF1YS1=YF2YS2,其中YF1為主動齒輪齒形因數(shù),YS1為主動齒輪應(yīng)力修正因數(shù),YF2為從動齒輪齒形因數(shù),YS2為從動齒輪應(yīng)力修正因數(shù),求主動齒輪變位因數(shù)X1。

大數(shù)據(jù)已成為基礎(chǔ)通用技術(shù)……………………………………………………………王德政，汪紹飛，王梅 24-5-54

方法3為國際標(biāo)準(zhǔn)化組織標(biāo)準(zhǔn)中的等彎曲C法。令YFa1YSa1=YFa2YSa2,其中YFa1為主動齒輪齒形因數(shù),YSa1為主動齒輪應(yīng)力修正因數(shù),YFa2為從動齒輪齒形因數(shù),YSa2為從動齒輪應(yīng)力修正因數(shù),求主動齒輪變位因數(shù)X1。

方法4為改變節(jié)點(diǎn)位置法。令L1′=L2′,其中L1′為嚙出段長度,L2′為嚙入段長度,求主動齒輪變位因數(shù)X1。

在風(fēng)電齒輪的設(shè)計中,總變位因數(shù)分配多采用等滑動法,即通過變位因數(shù)的選擇,使太陽輪與行星輪齒根處的滑動率相等。對于存在齒面膠合危險的齒輪,應(yīng)當(dāng)采用改變節(jié)點(diǎn)位置法,使嚙合線上的嚙出段長度和嚙入段長度相等。

3.3 傳動質(zhì)量指標(biāo)驗(yàn)算

嚙合參數(shù)初步確定之后,需要驗(yàn)算過渡曲線干涉、滑動率、比壓因數(shù)、機(jī)械效率等傳動質(zhì)量指標(biāo)。齒輪設(shè)計系統(tǒng)提供了六個傳動質(zhì)量指標(biāo)的驗(yàn)算,傳動質(zhì)量指標(biāo)驗(yàn)算界面如圖4所示。

▲圖4 傳動質(zhì)量指標(biāo)驗(yàn)算界面

判斷條件1為最低嚙合點(diǎn)壓力角大于漸開線起始點(diǎn)壓力角[3],過渡曲線與齒頂不干涉。判斷條件2為節(jié)點(diǎn)前重合度大于節(jié)點(diǎn)后重合度,可以降低嚙合噪聲。判斷條件3為齒頂因數(shù)大于0.4。判斷條件4為重合度因數(shù)大于1.2[4]。判斷條件5為滑動率小于1.5。判斷條件6為比壓因數(shù)小于1.4。

3.4 齒輪強(qiáng)度計算

針對變載荷工況下的齒輪強(qiáng)度計算,齒輪設(shè)計系統(tǒng)根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織標(biāo)準(zhǔn)ISO 6336《變載荷條件下的壽命計算》和Palmgren-Miner線性累積損失法提供將載荷譜等效為當(dāng)量扭矩的方法[5-6],再以當(dāng)量扭矩代替名義扭矩,分別計算出接觸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、齒面膠合承載能力及載荷譜。齒輪設(shè)計系統(tǒng)以最新國際標(biāo)準(zhǔn)化組織標(biāo)準(zhǔn)ISO 6336為計算依據(jù),提供了翔實(shí)的計算過程,使復(fù)雜的強(qiáng)度計算過程變得可繁可簡,用戶可根據(jù)需要查看、修改計算參數(shù)。載荷譜計算界面如圖5所示。

4 設(shè)計實(shí)例

▲圖5 載荷譜計算界面

表1 風(fēng)電齒輪設(shè)計輸入數(shù)據(jù)

表2 風(fēng)電齒輪設(shè)計參數(shù)

5 結(jié)束語

筆者基于計算機(jī)語言自主研發(fā)了齒輪設(shè)計系統(tǒng),能夠較好地完成風(fēng)電齒輪設(shè)計與優(yōu)化工作,快速完成多種設(shè)計方案對比,最終得到最優(yōu)的齒輪設(shè)計參數(shù)。齒輪設(shè)計系統(tǒng)提高了設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量,有較高的實(shí)用價值。將齒輪設(shè)計系統(tǒng)應(yīng)用于工程實(shí)際,取得了良好的效果。