齒輪設計系統的分析與應用

□ 陳宗瑞 □ 張保松 □ 陳柏宇

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1 齒輪設計系統概述

行星齒輪相比普通定軸齒輪,在技術和經濟方面有很多優點,如可靠性高、壽命長、振動噪聲低等,在風力發電、礦山機械等行業有廣泛的應用[1-2]。結合最新國家及國際標準,筆者總結十幾年來的設計經驗,研發了齒輪設計系統,可快速實現多級行星齒輪的優化設計與計算。

齒輪設計系統以漸進方式指導用戶快速完成由原始參數到設計參數的優化設計過程,系統使用方便、簡單,設計過程和計算參數都有據可查。在優化條件下,齒輪設計系統提供極其靈活的控制和操作功能,用戶可以根據經驗和方法,選擇完全符合自身要求的設計參數。

2 系統總體架構

齒輪設計系統包括平行軸計算、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計、幾何計算、強度計算、積分膠合、齒廓修形、齒向修形、載荷譜處理等設計功能。齒輪設計系統操作界面如圖1所示。

齒輪設計系統通過與用戶進行交互式數據處理,以幾何參數設計為起點,以傳動質量指標驗收、強度校核及修形優化為主要環節,最終輸出齒輪全部參數。

▲圖1 齒輪設計系統操作界面

每個設計環節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,也可以單獨使用功能,具有較強的適應能力。

齒輪設計系統分為三個層次:表現層、邏輯計算層、知識數據庫層。用戶在使用時實際面對的是表現層,邏輯計算層和知識數據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 齒輪參數設計

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,齒輪設計系統根據預先設置的計算方法自動分配各級齒數比。傳動比分配界面如圖2所示。齒輪設計系統根據德國機械零件手冊和齒輪手冊提供的方法,設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。

原則1為按總體積最小原則分配。原則2為按齒面接觸強度相等原則分配。原則3為當a2/a1≈1.4 時,按齒面接觸強度相等原則分配,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 變位因數分配

選擇合理的變位因數,可以在不增加成本的基礎上最大限度提高齒輪承載能力。推薦采用適度的變位,外嚙合總變位因數一般控制為0.5～0.8,內嚙合總變位因數一般控制為-0.5～0.4。在變位因數分配時,齒輪設計系統提供了四種分配方法。變位因數分配界面如圖3所示。使用者可以根據不同的設計需求選擇不同的變位因數分配方法。

▲圖3 變位因數分配界面

方法1為美國齒輪制造協會標準中的等滑動法。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X1。

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

大數據已成為基礎通用技術……………………………………………………………王德政，汪紹飛，王梅 24-5-54

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

方法4為改變節點位置法。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X1。

在風電齒輪的設計中,總變位因數分配多采用等滑動法,即通過變位因數的選擇,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,應當采用改變節點位置法,使嚙合線上的嚙出段長度和嚙入段長度相等。

3.3 傳動質量指標驗算

嚙合參數初步確定之后,需要驗算過渡曲線干涉、滑動率、比壓因數、機械效率等傳動質量指標。齒輪設計系統提供了六個傳動質量指標的驗算,傳動質量指標驗算界面如圖4所示。

▲圖4 傳動質量指標驗算界面

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

3.4 齒輪強度計算

針對變載荷工況下的齒輪強度計算,齒輪設計系統根據國際標準化組織標準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量扭矩的方法[5-6],再以當量扭矩代替名義扭矩,分別計算出接觸強度、彎曲強度、齒面膠合承載能力及載荷譜。齒輪設計系統以最新國際標準化組織標準ISO 6336為計算依據,提供了翔實的計算過程,使復雜的強度計算過程變得可繁可簡,用戶可根據需要查看、修改計算參數。載荷譜計算界面如圖5所示。

4 設計實例

▲圖5 載荷譜計算界面

表1 風電齒輪設計輸入數據

表2 風電齒輪設計參數

5 結束語

筆者基于計算機語言自主研發了齒輪設計系統,能夠較好地完成風電齒輪設計與優化工作,快速完成多種設計方案對比,最終得到最優的齒輪設計參數。齒輪設計系統提高了設計效率和設計質量,有較高的實用價值。將齒輪設計系統應用于工程實際,取得了良好的效果。