某工程車輛行走減速機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

趙德華，程大海，李 勇，解德杰

（徐工集團(tuán)工程機(jī)械股份有限公司 江蘇徐州工程機(jī)械研究院，江蘇 徐州 221004）

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，減速機(jī)成為工程車輛傳動(dòng)系統(tǒng)中不可或缺的部件。對(duì)減速機(jī)設(shè)計(jì)的研究關(guān)系到整個(gè)產(chǎn)品的使用性能。在減速機(jī)等行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，因齒輪參數(shù)繁多，采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法不但對(duì)工程師自身的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、理論知識(shí)水平有很高的要求，而且計(jì)算過程復(fù)雜，參數(shù)選擇范圍較廣，容易出錯(cuò)，人工計(jì)算次數(shù)有限，很有可能漏掉最優(yōu)解，難以達(dá)到其傳動(dòng)性能指標(biāo)的最優(yōu)化［1］。

本文借助編程軟件進(jìn)行方程求解，基于ISO6336計(jì)算齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度，基于ISO/TR13989：2000來計(jì)算齒輪的膠合承載能力。特別的，當(dāng)總的變位系數(shù)一定時(shí)，可通過程序解不同方程按照不同的原則來分配變位系數(shù)［2］。

本文以某工程車輛行走減速機(jī)作為研究對(duì)象，基于編程軟件進(jìn)行多目標(biāo)方程的聯(lián)合求解，進(jìn)行了齒輪參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并以齒輪優(yōu)化后的傳遞誤差、滑動(dòng)率等作為評(píng)判指標(biāo)得到優(yōu)化后的參數(shù)，為工程車輛傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供了參考。

1 行走減速機(jī)參數(shù)優(yōu)化實(shí)例

1.1 原方案原理及參數(shù)

某工程車輛行走減速機(jī)為兩級(jí)NGW行走減速機(jī)，其傳動(dòng)原理如圖1所示。其中太陽輪S1為減速機(jī)的輸入端，行星架j2為減速機(jī)輸出端，外齒圈S2、S4固定［3］。

圖1 某行走減速機(jī)傳動(dòng)原理圖

其原始設(shè)計(jì)參數(shù)見表1、表2。

表1 一級(jí)齒輪參數(shù)表

表2 二級(jí)齒輪參數(shù)表

1.2 優(yōu)化評(píng)判指標(biāo)介紹

通過軟件編程能自動(dòng)生成仿真曲線以及三維模型，與常規(guī)的CAD軟件交互性非常好。行星齒輪組是二級(jí)傳動(dòng)齒輪組，在滑動(dòng)比曲線上能分別生成太陽輪與行星輪以及行星輪與內(nèi)齒圈的滑動(dòng)比曲線。齒輪的嚙合效率、相對(duì)滑動(dòng)程度由滑動(dòng)率來表示，能夠反映出齒輪的磨損程度、膠合等的失效，這是造成齒面磨損的重要原因之一。相對(duì)滑動(dòng)速率值的范圍可為齒輪實(shí)際嚙合情況提供參考。如果出現(xiàn)滑動(dòng)率絕對(duì)值較大的情況，說明齒輪副的嚙合情況不好，不僅會(huì)損失傳遞的功率，而且極有可能出現(xiàn)膠合、點(diǎn)蝕等情況，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)給予足夠重視?；瑒?dòng)比標(biāo)準(zhǔn)在（-1，1）表示非常完美，在（-3，3）是工作良好，在（-∞，3）和（3，+∞）是無法接受的。適當(dāng)選取變位系數(shù)可減少滑動(dòng)率。

齒輪的傳遞誤差曲線是反映齒輪系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的一個(gè)重要指標(biāo)，降低齒輪傳遞誤差絕對(duì)峰值能夠使齒輪組傳動(dòng)系統(tǒng)工作更加平穩(wěn)。

齒輪應(yīng)力是衡量齒輪傳動(dòng)性能的重要指標(biāo)，齒輪機(jī)構(gòu)中應(yīng)力集中部位最先失效［4］。

齒輪修形是提高齒輪副齒面接觸疲勞強(qiáng)度的一個(gè)非常重要環(huán)節(jié)，可以大大改善齒輪的嚙合性能，避免在運(yùn)動(dòng)過程產(chǎn)生沖擊。合理選擇齒輪的齒廓或齒向修形參數(shù)能夠提高齒輪的承載能力，改善齒輪嚙合承載分布區(qū)域，極大提高齒輪系統(tǒng)傳動(dòng)的平穩(wěn)性［5］。

1.3 齒輪副優(yōu)化結(jié)果

通過對(duì)減速機(jī)兩個(gè)行星排各個(gè)齒輪的變位系數(shù)、中心距、齒輪修形進(jìn)行優(yōu)化來提高減速機(jī)的性能。其具體優(yōu)化后的宏觀參數(shù)見表3、表4。

根據(jù)工程車輛載荷譜選取額定工況作為修形工況，對(duì)齒輪副進(jìn)行齒形修形、齒向修形等微觀設(shè)計(jì)。部分齒輪修形圖如圖2、圖3所示。

表3 一級(jí)齒輪參數(shù)表

表4 二級(jí)齒輪參數(shù)表

圖2 一級(jí)行星輪修形圖

圖3 一級(jí)太陽輪齒形修形圖

2 某行走減速機(jī)參數(shù)優(yōu)化前后對(duì)比分析

根據(jù)原始參數(shù)及優(yōu)化后的齒輪參數(shù)在編程軟件中運(yùn)行分析計(jì)算，得到優(yōu)化前后減速機(jī)的滑動(dòng)率、閃溫、傳動(dòng)誤差、應(yīng)力分布曲線進(jìn)行分析比較。本文選取的研究對(duì)象為兩個(gè)行星排的行走減速機(jī)，為方便本文只選取第一個(gè)行星排進(jìn)行參數(shù)分析。

2.1 滑動(dòng)比曲線

從圖4和圖5可以看出，優(yōu)化后的曲線在數(shù)值上有明顯下降，表現(xiàn)較優(yōu)化前良好，傳遞功率損失更小，而且不容易出現(xiàn)點(diǎn)蝕、膠合等情況。

圖4 一級(jí)行星排太陽輪行星輪嚙合滑動(dòng)比

圖5 一級(jí)行星排行星輪與內(nèi)齒圈嚙合滑動(dòng)比

2.2 閃溫

從圖6和圖7可以看出，優(yōu)化后的齒輪嚙合溫度變化得到了良好的控制，齒輪副抗膠合和點(diǎn)蝕的能力得以提高，避免了瞬時(shí)超載造成的對(duì)齒輪的損害，延長(zhǎng)了齒輪的使用壽命。

2.3 接觸應(yīng)力

齒輪應(yīng)力是衡量齒輪傳動(dòng)性能的重要指標(biāo)，齒輪系統(tǒng)中齒輪應(yīng)力集中部位將會(huì)最先失效［6］。齒輪的應(yīng)力過大會(huì)造成輪齒折斷、齒面點(diǎn)蝕等失效狀況，修形后齒輪對(duì)的應(yīng)力應(yīng)有所降低。圖8和圖9分別為齒輪副優(yōu)化前后的應(yīng)力分布圖，修形優(yōu)化后的齒輪在嚙入、嚙出時(shí)過渡更平滑，應(yīng)力有明顯降低，說明齒輪修形擴(kuò)大了參與齒寬嚙合區(qū)域，提高了齒輪的承載能力。

3 結(jié)論

圖6 一級(jí)行星排太陽輪行星輪閃溫曲線

圖7 一級(jí)行星排行星輪與內(nèi)齒圈嚙合閃溫曲線

圖8 一級(jí)行星排太陽輪行星輪接觸應(yīng)力

本文以某型工程車輛行走減速機(jī)為研究對(duì)象，分析了減速機(jī)工作原理及參數(shù)，借助編程軟件建立了齒輪系統(tǒng)參數(shù)化仿真模型并進(jìn)行了方程求解；分析了優(yōu)化后各齒輪參數(shù)的評(píng)定指標(biāo)，為齒輪參數(shù)選取提供了依據(jù)；利用編程軟件對(duì)齒輪副進(jìn)行了宏觀參數(shù)優(yōu)化及微觀齒輪修形，改善了減速機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可能存在的問題；對(duì)比優(yōu)化前后齒輪組的性能，表明優(yōu)化后的齒輪參數(shù)具有更好的性能。本文為其他工程車輛傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了參考。

圖9 一級(jí)行星排行星輪與內(nèi)齒圈嚙合接觸應(yīng)力