原创《基于齿轮修形的重型变速器高性能齿轮开发》
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本文针对重型变速器齿轮承载扭矩高,轮齿弹性变形大等工况特点,分析轮齿形变主要影响因素.应用齿轮修形理论,结合MASTA软件仿真分析,详细阐述了轮齿形变产生机理及修形量确定依据,提出专门用于商用车重载齿轮传动的修形方法,并随项目开发进行有效验证,提高了重型变速器高性能齿轮正向开发能力,避免多轮试验与反复设计,降低了开发成本和研发周期.
随着重型汽车行业的不断发展,市场对整车重载高效、高可靠、低噪声等高品质需求与日俱增.变速器作为整车传动系统的重要组成部分,对齿轮的啮合特性、动态性能、齿面载荷分布等传动性能指标要求也越来越高.改善齿轮传动性能的途径主要有提高齿轮精度、制造工艺水平及采用合理的修形.经过大量实践,结合经验积累和理论分析,合理的修形为提高齿轮传动性能的最优途径,可有效控制生产成本与加工周期,改善齿面受力及啮合特性,减少齿轮制造和安装误差、弹性变形及热变形等因素带来的冲击、振动和偏载.
目前国内变速器齿轮修形通常根据对标样箱确定初始方案,根据经验及接触斑点试验反复修改,此种方式人为主观因素大,开发周期长,设计成本高.本文基于齿轮修形理论,利用MASTA软件对某重型变速器系统建模,基于实测道路载荷谱精准设定边界条件,正向进行齿轮修形优化设计,得出齿面接触斑点及安全系数,在设计阶段确立最优修形方式及修形量,实现高性能齿轮开发,满足整车高品质技术指标需求.
齿轮修形理论
变速器正常工作时,齿轮、壳体、轴承等零部件由于受载会产生不同程度的弹性变形,齿轮啮合及轴承旋转等由于摩擦而产生热量,引起齿轮热变形.针对重型变速器,齿轮啮合转速较低,热变形小,对传动性能影响可忽略不计,因此不予考虑；传递扭矩较大,弹性变形显著,齿轮啮合过程中齿廓和齿向曲线较理论位置产生畸变,故弹性变形为影响齿轮传动性能的主要因素.本文齿轮修形理论主要针对弹性变形修形,包括齿廓修形和齿向修形两方面.同时,应用齿轮修形,亦可以减少齿轮制造和安装误差引起的啮合冲击,改善齿面润滑状态,对轮齿啮合性能和承载能力有显著提升作用.齿廓修形
1.齿廓修形原理
重型变速器齿轮传递动力时,单齿与双齿啮合交替出现,轮齿受力如悬臂梁,且承受突变载荷.
由于载荷分配存在明显突变现象,轮齿变形随载荷变化,导致齿轮传递误差增大,进而产生冲击、振动等问题.齿廓修形即为将啮合过程中齿面干涉部分削去,对靠近齿顶的一部分进行修形,避免发生载荷突变.
齿轮齿廓修形有多种类型,实际采用较多的主要为齿顶修形.
2.齿廓修形量的确定
齿廓修形可延长齿面动载荷作用时间,因此修形高度应选用最大值,但不要超过轮齿非修形区的许用端面重合度.
齿廓修形量应保证在累积全部误差值和全部载荷条件下,齿顶刃进入及退出啮合时不产生干涉,即齿廓修形深度应等于主、从动齿轮制造安装误差和载荷作用下轮齿弹性变形的总和.齿向修形
1. 齿向修形原理
齿轮传递动力理想状态为全齿面均匀接触,但齿轮由于齿向误差、轴承安装孔平行度误差、齿轮轴及箱体变形等因素,造成轮齿一端接触,使载荷沿齿宽分布不均匀,出现偏载现象,降低了齿轮承载能力,严重时将影响齿轮正常工作.
齿向修形的基本出发点是尽可能使齿轮受载变形后齿面压力分布均匀,减少偏载.目前应用较为广泛的齿向修形方式为鼓形修形.这种修形可保证存在啮合歪斜量时两齿面相切而不发生相交,可以补偿齿轮制造误差和齿轮在载荷作用下的各种弹性变形,改善齿向载荷分布.
2.齿向修形量的确定
鼓形量是鼓形修形最主要的参数,直接影响轮齿承载能力.对鼓形量的确定,取为同时考虑啮合歪斜量和轮齿弹性变形的最大形变量,主要包括轮齿最大弯曲变形和扭转变形.
齿向鼓形修形后,其偏载情况得到了很大的改善,提高了轮齿承载能力.
修形理论MASTA分析
基于上述修形原理,对某重型变速器齿轮建模分析.修形参数设置
以副箱低挡齿轮为例计算齿轮修形量,计算参数见表
1,根据公式可得轮齿修形量数值（见表2）.
仿真分析
将表2中修形数值输入MASTA软件可得齿轮啮合强度、传递误差峰值1.05 μm及应力分布图.由应力分布图可知,轮齿接触应力分布沿齿高与齿宽方向中间部位逐渐向外扩展,轮齿中间位置承受压力最大,约为1500 MPa.
该重型变速器各挡齿轮采用本修形理论进行了正向开发,经仿真分析,强度及性能均满足设计经验要求.
台架试验验证
对该重型变速器进行齿轮寿命、噪声及啮合接触区试验,进一步论证修形理论的准确性.总成齿轮寿命试验
对变速器总成共计进行1600 h齿轮寿命试验,折合实际路况约150万km,其中副箱低挡齿轮小齿轮单个轮齿啮合次数超过3386万次,大齿轮单个轮齿啮合次数超过1914万次.
试验完成后拆检样箱,轮齿表面无严重磨损、点蚀及断裂现象,满足设计要求.
总成噪声试验
将变速器总成置于消声室中,连接试验台架,测试不同转速下空载、半载及满载工况下各挡位噪声.评价点内最大稳态噪声85.3 dB(A),接近国际先进水平.总成啮合接触区试验
对变速器总成进行啮合接触区试验,观察不同载荷下轮齿接触区域.试验结果显示,各挡位齿轮啮合接触区域随试验扭矩增加逐渐扩大,且接触区均匀、对称,与MASTA分析结果一致.
经台架试验验证,本修形理论对于重型变速器正向开发效果显著,可在设计阶段锁定最优修形方案,避免多轮试验与反复设计,降低开发成本和研发周期,提高了变速器研发效率.
齿轮论文参考资料：
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