楊 宇 王詮惠 唐 恒

(江蘇匯智高端工程機(jī)械創(chuàng)新中心有限公司，江蘇 徐州 221004)

1 介紹

大扭矩減速機(jī)是礦用挖掘機(jī)等大型工程機(jī)械的關(guān)鍵核心部件，其品質(zhì)直接決定著整車性能和可靠性。

為了消除由彈性變形或誤差因素引起的齒輪嚙入或嚙出時(shí)的干涉和沖擊，對(duì)齒輪嚙合時(shí)產(chǎn)生干涉部分進(jìn)行修整，為齒輪修形[1]。常用的修形方式分為齒向修形和齒廓修形，齒向修形是按照齒輪螺旋線預(yù)定變化規(guī)律，對(duì)其進(jìn)行修整，可改善輪齒受載沿接觸線分布不均的現(xiàn)象，增加接觸面積，提高承載能力。齒廓修形是沿著齒高方向針對(duì)漸開(kāi)線齒廓的齒根和齒頂修形，能夠降低齒輪受載后產(chǎn)生的彈性變形，誤差產(chǎn)生的基節(jié)不等現(xiàn)象，減小傳遞誤差、載荷波動(dòng)，從而有效地降低噪聲和振動(dòng)[2]。修形參數(shù)主要包括修形量、修形長(zhǎng)度和修形曲線[3]。一般來(lái)說(shuō)，單齒嚙合區(qū)對(duì)應(yīng)的漸開(kāi)線不修形；對(duì)一對(duì)嚙合齒輪而言，一個(gè)齒輪的齒頂和齒根均修形；嚙合的齒輪對(duì)均在齒頂修形，齒根不修形[4-5]。

Masta作為傳動(dòng)分析軟件，可建立傳動(dòng)系統(tǒng)模型，考慮系統(tǒng)變形模擬實(shí)際工況，根據(jù)模擬結(jié)果設(shè)置合理參數(shù)對(duì)齒輪進(jìn)行修形，使齒輪工作時(shí)處于良好的嚙合狀態(tài)，從而能夠節(jié)省實(shí)驗(yàn)費(fèi)用，縮短研發(fā)周期。

Masta模型建立。根據(jù)減速機(jī)的產(chǎn)品信息建立Masta傳動(dòng)模型如圖1.a所示。由于軟件自身只能建立旋轉(zhuǎn)類零部件，故對(duì)異形件和殼體需要進(jìn)行有限元導(dǎo)入，這樣才能更加貼近實(shí)際情況；利用系統(tǒng)變形對(duì)齒輪副進(jìn)行修形，得出最優(yōu)嚙合區(qū)域。

本文以輸入級(jí)圓柱齒輪副(圖1a中藍(lán)色方框所示)為修形對(duì)象，齒輪參數(shù)如表1所示。常用工況為前進(jìn)一檔，輸入扭矩為972120N·m，輸出轉(zhuǎn)速為3.8r/min。齒形修形量主要取決于齒輪工作時(shí)產(chǎn)生的變形和制造、安裝誤差等因素[5]。圖2為嚙合齒面在整個(gè)嚙合周期內(nèi)某時(shí)刻齒面的載荷分布情況，可知齒輪出現(xiàn)齒向偏載的情況。可確定齒輪修形方案為主動(dòng)齒輪齒頂拋物線修形和齒向拋物線起鼓，具體修形量如表2所示。設(shè)置好齒輪修形參數(shù)后，齒向修形和齒廓修形曲線如圖3所示。

圖1 礦挖減速機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)模型

表1 齒輪參數(shù)

圖2 修形前接觸斑點(diǎn)

表2 輸入齒輪修形量

圖3 齒向/齒廓修形曲線

2 Masta仿真分析

齒輪嚙合時(shí)，齒面理想的應(yīng)力分布云圖為橢圓形態(tài)。根據(jù)赫茲應(yīng)力計(jì)算公式，最大應(yīng)力值在橢圓中心，應(yīng)力值從內(nèi)到外以橢圓環(huán)形式逐步減小。齒輪修形后齒面的載荷分布如圖4所示(較為理想狀態(tài))。修形后載荷分布變得均勻，最大應(yīng)力區(qū)域從右端中部向齒面中部移動(dòng)，最大應(yīng)力從1220MPa降低到1193MPa。

圖4 修形后接觸斑點(diǎn)

傳遞誤差峰峰值反映了齒輪副的動(dòng)態(tài)性能，它的大小決定了振動(dòng)的程度。傳遞誤差峰峰值越小，傳動(dòng)越平穩(wěn)。輸入級(jí)圓柱齒輪副修形前后的傳遞誤差如圖5所示。修形后，傳遞誤差的峰峰值從29.2μm降低到22.4μm。傳遞誤差曲線修行后更為平滑。

圖5 修形前后傳遞誤差對(duì)比(a：修形前；b：修行后)

圖6為修形前后的諧波振幅對(duì)比圖，從圖中可知，修行前齒輪副的最大諧波振幅為15.3μm，修形后的最大諧波振幅為11.9μm，減小了3.4μm，都位于齒輪嚙合的1階諧波處，且其他階的諧波振幅均明顯減小(3階振幅由0.96減小到0.72)，說(shuō)明修形后齒輪嚙合的振動(dòng)和噪聲都有所改善。

圖6 修形前后的諧波振幅(a：修形前；b：修行后)

3 結(jié)語(yǔ)

以礦用挖掘機(jī)為研究對(duì)象，考慮殼體變形對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的影響，利用Masta軟件對(duì)輸入級(jí)圓柱齒輪副進(jìn)行修形。選擇合適的修形方案，一方面可以改善齒面接觸應(yīng)力分布狀態(tài)，提高齒輪的承載能力。另一方面?zhèn)鬟f誤差峰峰值和諧波振幅右明顯地降低，可以改善齒輪嚙合時(shí)的振動(dòng)和噪聲。其中，齒面最大應(yīng)力從1220MPa降低到1193MPa，最大應(yīng)力區(qū)域從右端中部向齒面中部移動(dòng)，接觸狀況良好。傳遞誤差下降了23.2%，最大諧波振幅下降了22.2%，其它階振幅都有所降低。