某型電動舵機(jī)齒輪磨損問題分析與優(yōu)化

無人機(jī)尾槳作用主要有兩點：（1）尾槳產(chǎn)生的拉力或者推力形成偏轉(zhuǎn)力矩，用以平衡主槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的反作用力矩；（2）通過舵機(jī)完成變矩可改變尾槳的拉力或推力進(jìn)而實現(xiàn)直升機(jī)的偏航操縱，是控制直升機(jī)航向的關(guān)鍵部件，因此一旦尾槳出現(xiàn)故障，無人機(jī)將無法保持航向，產(chǎn)生危險，而尾槳舵面的操縱需要尾槳舵機(jī)來實現(xiàn)。

某型尾槳電動舵機(jī)采用單余度電機(jī)，雙電機(jī)驅(qū)動工作，圖1為電動舵機(jī)原理框圖，圖2為電動舵機(jī)的組成結(jié)構(gòu)示意圖。電動舵機(jī)由直流無刷電機(jī)及離臺器、速度綜合機(jī)構(gòu)、錐齒輪換向組件、減速組件、角位移傳感器（RVDT）、防雷擊電路板及輸出搖臂組成。電機(jī)的控制電壓為直流28V電源，采用脈寬調(diào)制工作方式，在伺服控制器（ACE）的控制下，兩臺直流無刷電機(jī)的動力經(jīng)過速度綜合機(jī)構(gòu)、錐齒輪換向組件和減速組件驅(qū)動輸出搖臂以一定的速度到達(dá)指定位置，帶動機(jī)上的尾槳偏擺運動，實現(xiàn)對尾槳航向姿態(tài)指令的精確跟隨。每臺舵機(jī)配備一臺雙余度RVDT，RVDT余度之間有各自獨立的線圈與轉(zhuǎn)子，可實現(xiàn)舵機(jī)輸出位移測量。減速機(jī)構(gòu)包括速度綜合機(jī)構(gòu)，錐齒輪換向機(jī)構(gòu)和圓柱齒輪減速機(jī)構(gòu)，傳遞符合電動舵機(jī)要求的扭矩及轉(zhuǎn)速。

問題現(xiàn)象

測試人員在對已完成1650h耐久壽命試驗的電動舵機(jī)進(jìn)行空載通電測試時，發(fā)現(xiàn)舵機(jī)運行有異常噪音，將舵機(jī)拆解后檢查發(fā)現(xiàn)：該舵機(jī)內(nèi)部的大錐齒輪零件的圓柱齒輪部分出現(xiàn)磨損現(xiàn)象。該齒輪磨損所產(chǎn)生的部分碎齒屑附著在該齒輪所在齒輪箱的其他齒面上，在齒輪嚙合過程中，造成其他齒輪齒面的擠壓損傷。大錐齒輪零件在舵機(jī)傳動系統(tǒng)中的位置如圖3所示。

在對已完成1500h耐久壽命試驗的同型號電動舵機(jī)進(jìn)行帶載測試時，發(fā)現(xiàn)舵機(jī)運行有異常噪音，拆解檢查發(fā)現(xiàn)，該舵機(jī)內(nèi)部的大錐齒輪零件存在圓柱齒輪部分齒面擠壓變形現(xiàn)象，如圖4所示。

通過舉一反三迅速對外場裝機(jī)試飛的電動舵機(jī)召回進(jìn)行傳動齒輪磨損情況檢查，發(fā)現(xiàn)舵機(jī)內(nèi)部大錐齒輪零件的圓柱齒輪部分均存在不同程度的齒面磨損和變形現(xiàn)象，如圖5所示。上述檢查結(jié)果表明該型電動舵機(jī)傳動系統(tǒng)設(shè)計存在問題，需對齒輪磨損和擠壓變形的原因進(jìn)行分析并給出改進(jìn)意見。

原因分析

現(xiàn)象分析

為明確上述現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，本文通過仿真對齒輪磨損和擠壓變形現(xiàn)象及原因進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)受損齒輪齒面沿齒寬方向磨損不一致，靠近軸承支撐端的齒面磨損較為嚴(yán)重，遠(yuǎn)離軸承支撐端的齒面磨損輕微。根據(jù)仿真結(jié)果分析可知：該零件直齒圓柱齒輪部分在嚙合傳動時產(chǎn)生的徑向分力使得齒輪產(chǎn)生徑向位移，如圖6所示。齒輪的徑向位移導(dǎo)致齒輪在齒寬方向嚙合不均勻（齒輪實際嚙合區(qū)域小于設(shè)計嚙合區(qū)域），使得齒面沿齒寬方向出現(xiàn)局部受力集中，因此齒輪產(chǎn)生局部磨損或擠壓變形，結(jié)果如圖7所示。

支撐方式分析

此外對磨損齒輪的結(jié)構(gòu)及其支撐方式進(jìn)行分析可知，該齒輪的支撐點主要為支撐點1和2，位置如圖8所示，大錐齒輪采用前端深溝球軸承，中間滾針軸承，末端懸臂的安裝支撐方式，圓柱齒輪部分無支撐，導(dǎo)致圓柱齒輪部分在負(fù)載作用下產(chǎn)生不均勻的徑向位移，造成齒輪嚙合不均勻，引起齒輪局部應(yīng)力集中，進(jìn)而使得齒輪出現(xiàn)局部磨損或擠壓變形。

應(yīng)力分析

為進(jìn)一步明確齒輪出現(xiàn)磨損和變形的原因，對該齒輪開展了10N·m、20N·m、32N·m和64N·m載荷下的齒輪位移和齒根最大應(yīng)力分析，仿真分析結(jié)果見表1。

根據(jù)表1的仿真結(jié)果可知，隨著圓柱齒輪部分受到的載荷不斷增加，圓柱齒輪在負(fù)載作用下徑向位移逐漸增大，齒面嚙合區(qū)域隨著負(fù)載增大不斷減小，齒面應(yīng)力集中程度增加，導(dǎo)致齒面出現(xiàn)磨損或者變形。

優(yōu)化設(shè)計

依據(jù)上述分析得出造成齒面磨損和擠壓變形的原因，針對舵機(jī)齒輪可改進(jìn)部分提出了優(yōu)化設(shè)計思路，可優(yōu)化內(nèi)容包括齒輪材料、結(jié)構(gòu)、模數(shù)、支撐方式等方面，具體優(yōu)化內(nèi)容如下。

齒輪材料優(yōu)化

目前電動舵機(jī)中傳動齒輪所用材料為沉淀硬化不銹鋼15-5PH，該材料為常用齒輪零件材料，具有良好的斷裂韌性、疲勞強(qiáng)度和良好的各向同性。但是根據(jù)本次齒輪齒面和滾針軸承支撐軸頸損傷情況可知，為提高齒輪的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，需進(jìn)一步提升齒輪軸頸的耐磨損能力，可改進(jìn)當(dāng)前齒輪所用材料，將沉淀硬化不銹鋼更改為超高強(qiáng)度鋼4340M，該材料強(qiáng)度高，斷裂韌性高，疲勞性能優(yōu)良，兩種材料的物理性能對比見表2。

由表2對比結(jié)果可知更換材料后，零件硬度、拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均有顯著的改善提升，有利于提高齒輪在大載荷下的工作可靠性。

齒輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化

原尾槳舵機(jī)設(shè)計時存在重量限制和加工工藝的要求，因此原大錐齒輪在設(shè)計了減重孔和圓柱齒輪加工退刀槽，齒輪剖面結(jié)果如圖g所示。

根據(jù)零件支撐方式和齒輪嚙合受力點可知，減重孔和退刀槽會對齒輪的徑向剛度帶來不利影響，在相同的負(fù)載作用下，齒輪徑向剛度弱將造成齒輪徑向位移偏大。因此，可將原設(shè)計中當(dāng)前齒輪結(jié)構(gòu)中存在的退刀槽和減重孔取消（剖面結(jié)果如圖10所示），提高齒輪徑向剛度。優(yōu)化后，在負(fù)載不變的條件下進(jìn)行仿真，優(yōu)化前后對比結(jié)果見表3。

根據(jù)表3結(jié)果可知，取消減重孔和退刀槽后，磨損齒輪徑向位移減小37.7％，齒根所受應(yīng)力減小11％，齒面接觸應(yīng)力均值和齒根彎曲應(yīng)力均值無變化。仿真結(jié)果表明：取消減重孔與退刀槽后，齒輪徑向剛度提高，對齒面受力集中情況有一定的改善。

齒輪模數(shù)優(yōu)化

原磨損圓柱齒輪模數(shù)為0.6，在64N·m負(fù)載下，該齒輪傳遞力矩約為4.6N·m。經(jīng)分析為進(jìn)一步提高該齒輪的承載能力，減少齒面損傷，可將該圓柱齒輪模數(shù)調(diào)整至0.8，減速比保持不變。針對此優(yōu)化，對齒輪模數(shù)調(diào)整后徑向位移和齒輪應(yīng)力進(jìn)行仿真分析，結(jié)果見表4。

根據(jù)表4結(jié)果可知：圓柱齒輪模數(shù)增大后，末端位移減小，可有效改善齒輪齒面接觸應(yīng)力、齒根彎曲應(yīng)力以及齒根應(yīng)力集中情況。

齒輪支撐方式優(yōu)化

對原大錐齒輪支撐方式進(jìn)行分析可知：采用前端深溝球軸承，中間滾針軸承，末端懸臂的安裝方式使得末端無支撐，避柱齒輪部分在負(fù)載作用下產(chǎn)生不均勻的徑向位移，造成齒輪嚙合不均勻，引起齒輪局部應(yīng)力集中，為降低齒輪局部應(yīng)力集中，可對大錐齒輪的支撐方式進(jìn)行優(yōu)化。

對比圖11和圖12可知，將磨損齒輪原支撐點2更換為深溝球軸承，可提高齒輪回轉(zhuǎn)支撐精度，同時在圓柱齒輪末端增加一個滾針軸承，減少齒輪末端徑向位移，提高齒輪在齒寬方向的嚙合均勻性。對增加支撐后的齒輪徑向位移及應(yīng)力情況進(jìn)行仿真計算，結(jié)果見表5。

根據(jù)表5結(jié)果可知：齒輪增加末端支撐后，齒輪徑向位移大幅降低約79％，齒根應(yīng)力集中情況降低41％，支撐方式優(yōu)化可有效改善齒輪的受力情況，提高齒輪在全壽命周期的工作可靠性。

結(jié)果分析

為明確優(yōu)化后電動舵機(jī)是否滿足設(shè)計要求，對結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的舵機(jī)齒輪、軸承及齒輪箱進(jìn)行強(qiáng)度校核，在全壽命周期內(nèi)，齒輪最大損傷35％，低于100％，表明齒輪壽命可滿足使用要求。齒輪最低安全系數(shù)1.325，大于1，齒輪應(yīng)力低于材料許用要求，可滿足使用要求。在全壽命周期內(nèi)最大損傷為11.8％，最差靜態(tài)安全系數(shù)為1.45，表明軸載荷工況均在需用載荷范圍內(nèi)，壽命壽命滿足舵機(jī)壽命要求。齒輪箱最大應(yīng)力約為103MPa，低于齒輪箱所用材料的屈服強(qiáng)度，滿足使用最大載荷工況的要求。

結(jié)論

通過仿真對齒輪磨損和擠壓變形現(xiàn)象及原因進(jìn)行分析，提出通過優(yōu)化舵機(jī)內(nèi)部傳動齒輪結(jié)構(gòu)，更換齒輪材料，優(yōu)化齒輪模數(shù)，增加齒輪支撐方式，來改善齒輪嚙合均勻性，提升齒輪承載能力，減小齒輪在大載荷下的磨損和變形，通過仿真分析可知：優(yōu)化后齒輪、軸承的承載能力、應(yīng)力集中、強(qiáng)度評估等可滿足設(shè)計要求。

此外通過對受損電動舵機(jī)工作響應(yīng)曲線進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，受磨損產(chǎn)品的控制精度、頻帶滿足要求，運動平順性和超謂有一定下降，對系統(tǒng)航向的控制性能略有影響。方案優(yōu)化更改后，電動舵機(jī)的控制性能相比于受損產(chǎn)品的精度會有提升，對飛控系統(tǒng)的航向、航線等控制性能有一定改善。