目前大型礦用自卸車(chē)輪邊減速器一直面臨著諸多問(wèn)題，如高故障率、噪聲大、偏載現(xiàn)象、壽命短等，而齒輪修形對(duì)改善齒輪受力、降低噪音、增加壽命效果顯著。本論文采用 RomaxDesigner軟件對(duì)大型礦用電動(dòng)輪自卸車(chē)輪邊減速器進(jìn)行了建模、在額定功率與轉(zhuǎn)速下對(duì)減速器進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析,依據(jù)齒輪載荷分布、傳動(dòng)誤差等參數(shù)對(duì)低速級(jí)嚴(yán)重偏載的小行星齒輪修形所需要參數(shù)進(jìn)行分析、確定。

　　大型礦用自卸車(chē)作為一種開(kāi)發(fā)大型礦場(chǎng)的高效率運(yùn)輸車(chē)輛,其在大型礦場(chǎng)的作用一直很重要,已經(jīng)成為大型露天礦場(chǎng)的生力軍,其輪邊減速器采用的是電驅(qū)動(dòng)方式, 與傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)相比較電驅(qū)動(dòng)方式具有優(yōu)勢(shì),優(yōu)勢(shì)主要有占用空間小、易于控制、制動(dòng)性能好、效率高。由于礦車(chē)的載重大并且礦場(chǎng)路況復(fù)雜環(huán)境差,使得減速器長(zhǎng)時(shí)間處于高脈動(dòng)載荷、高溫的環(huán)境中,是大型礦用車(chē)易損傷的主要部件,且維護(hù)難度大,成本高,影響車(chē)輛的整體運(yùn)行穩(wěn)定性。因此,對(duì)輪邊減速器的設(shè)計(jì)質(zhì)量和性能提出了嚴(yán)格的要求,必須合理設(shè)計(jì)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)形式,保證支撐零件具有足夠的強(qiáng)度和剛度,選擇合適的軸承及潤(rùn)滑系統(tǒng),并且要考慮由于箱體、輪齒、傳動(dòng)軸、軸承等的彈性變形以及安裝過(guò)程等導(dǎo)致的齒輪嚙合錯(cuò)位,影響齒輪的接觸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度,提高輪邊減速器的整體使用壽命。

　　RomaxDesigner軟件可以對(duì)齒輪箱、軸、齒輪、軸承等進(jìn)行建模、仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)等,所以在汽車(chē)、航空航天、工程機(jī)械等領(lǐng)域有著很大的應(yīng)用。本文以大型礦用電動(dòng)輪輪邊減速器齒輪參數(shù)優(yōu)化為目標(biāo),應(yīng)用 RomaxDesigner 軟件建立系統(tǒng)模型,在各個(gè)工況下,綜合考慮系統(tǒng)內(nèi)各彈性零件的變形對(duì)齒輪嚙合的影響,對(duì)齒輪的齒向和齒廓進(jìn)行修形,得到想要的齒輪修形數(shù)據(jù),提高齒輪的接觸、彎曲安全系數(shù)。

　　在齒輪修形方面,張俊等將斜齒行星系作為研究對(duì)象,擬合出綜合修形的響應(yīng)面函數(shù),通過(guò)計(jì)算得到輪系的最佳修形參數(shù),從結(jié)果來(lái)看,顯著改善了修形后的齒面受載荷情況;Tang等采用 RomaxDesigner軟件建立了汽車(chē)多級(jí)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的模型,提出了齒廓修形和螺旋線修形相結(jié)合的綜合修形方式,結(jié)果顯示,齒輪傳動(dòng)誤差值降低了54%,偏載情況得到了一定程度的改善;田德等將風(fēng)電增速箱作為研究對(duì)象,采用 RomaxDesigner軟件中的遺傳算法對(duì)齒輪進(jìn)行綜合修形,把仿真和經(jīng)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果顯示,在穩(wěn)定性和可靠性方面,高速齒輪修形后都得到了很大的改善。

　　一、輪邊減速器的建模與加載

　　154t電動(dòng)輪自卸車(chē)輪邊減速器齒輪系結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

　　應(yīng)用 RomaxDesigner軟件進(jìn)行建模,分別建立齒輪組、軸的幾何模型,齒輪選用的材料是 20Cr2Ni4A 合金鋼,20Cr2Ni4A 合金鋼的材料參數(shù)分別是彈性模量 207GPa、泊松比0.29、密度7.85t/m³,輪邊減速器的基本參數(shù)見(jiàn)表1。

　　根據(jù)各個(gè)齒輪在箱體中的位置對(duì)軸在箱體的空間坐標(biāo)進(jìn)行定義,然后將齒輪依據(jù)設(shè)計(jì)安裝在軸上,根據(jù)受力情況在 RomaxDesigner軟件軸承數(shù)據(jù)庫(kù)中選用適當(dāng)?shù)妮S承,如果軸承數(shù)據(jù)庫(kù)中沒(méi)有合適的軸承還可以輸入軸承參數(shù)自定義軸承。

　　在太陽(yáng)輪軸上設(shè)置一個(gè)輸入功率載荷,在內(nèi)齒輪上設(shè)置一個(gè)輸出功率載荷,根據(jù)表1建立輪邊減速器虛擬樣機(jī)模型,如圖2所示。

　　減速器的加載

　　在輪邊減速器虛擬樣機(jī)仿真運(yùn)行前首先要對(duì)樣機(jī)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,包括樣機(jī)工作溫度、使用系數(shù)、潤(rùn)滑油的選擇、精度等級(jí)、動(dòng)載荷系數(shù)、齒向載荷分布系數(shù)、節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)、安全系數(shù)等,然后進(jìn)行工況設(shè)置,本文的輪邊減速器虛擬樣機(jī)的工況為運(yùn)行功率為 600kw、 轉(zhuǎn)速為1011rpm。

　　二、齒輪修形

　　美國(guó)學(xué)者 Walker以減少齒輪傳動(dòng)誤差為目的,提出了齒輪修形的設(shè)想,并通過(guò)對(duì)直齒輪齒面進(jìn)行微觀修形, 減少了傳動(dòng)誤差, 從而有效改善了輪齒之間的沖擊現(xiàn)象。各個(gè)國(guó)家的齒輪修形標(biāo)準(zhǔn)都不相同,對(duì)于齒輪修形所需要的參數(shù),最初國(guó)內(nèi)外企業(yè)主要是依據(jù)實(shí)驗(yàn)與經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定的。而通過(guò)國(guó)內(nèi)外高校對(duì)齒輪修形的研究,已經(jīng)逐漸形成了一些修形理論。齒輪修形可以分成齒廓修形和齒向修形。

　　齒廓修形

　　齒廓修形又稱為齒高修形,是指通過(guò)對(duì)齒輪齒廓進(jìn)行細(xì)微的修整,能夠降低齒輪在嚙合過(guò)程中的嚙入與嚙出過(guò)程中產(chǎn)生沖擊的方法。

　　齒輪單雙齒嚙合過(guò)程中輪齒的載荷分布會(huì)出現(xiàn)顯著的突變,同時(shí)輪齒的彈性變形也會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化,因此實(shí)際的漸開(kāi)線齒輪會(huì)有嚙合干涉。所以需要對(duì)齒輪齒廓采取細(xì)微修整,使它偏離理論齒廓。齒廓修形主要由修緣、修根和挖根組成。

　　齒廓修形量受輪齒受載時(shí)發(fā)生的彈性變形和加工中產(chǎn)生的基節(jié)偏差影響,本文齒廓修形量計(jì)算選用的公式:

　　Δ=δ+Δf_b (1)

　　式中,Δ是齒廓修形量;δ是輪齒受載發(fā)生的彈性變形;Δf_b 是齒輪加工中的基節(jié)誤差。

　　彈性變形δ的計(jì)算公式:

　　式中,K_A 為使用系數(shù);F_t 為切向力,N;b 為齒寬, mm;α為端面壓力角,(°);c_r 為嚙合剛度,GPa;K_mp 為分支系數(shù)。

　　齒向修形

　　齒高修形是指在齒寬方向上對(duì)齒面進(jìn)行修形,從而改善齒面上應(yīng)力集中問(wèn)題的一種方法。為了減少齒輪的應(yīng)力集中問(wèn)題,就需要對(duì)齒輪進(jìn)行齒向修形,齒輪的齒向修形包含了齒端修薄、鼓形修形、齒向斜度修形三種修形方法,由于是重載礦用車(chē)所以采用三者結(jié)合的修形方法。

　　其修形齒端修薄量Δs為

　　式中,F_β5為5級(jí)精度齒輪的齒向公差,um;齒端修薄可采用拋物線修形方式,文獻(xiàn)推薦的修形長(zhǎng)度b_c 取 0.1b,

　　鼓形修形量C_a 為:

　　式中,f_g 為由精度決定的齒向誤差 (um);A 為常數(shù),A 的取值與齒輪精度相關(guān)。

　　齒向斜度修形量C_c 為:

　　式中,F_t 為切向力,N;F_βy為嚙合斜度,um;F_βx 為歪斜度在嚙合初始值處的值,um。

　　三、樣機(jī)的仿真與優(yōu)化

　　修形前的仿真

　　在等效載荷作用下,對(duì)樣機(jī)進(jìn)行模擬得出齒面載荷分布情況,如圖3所示。

　　內(nèi)齒輪與小行星的傳動(dòng)誤差變化如圖4所示。

　　從齒面載荷分布情況看修形前小行星輪與內(nèi)齒輪之間存在明顯的偏載現(xiàn)象,齒輪的一端基本沒(méi)有承受載荷, 而另一端承受的載荷非常大。導(dǎo)致齒輪一端出現(xiàn)膠合等失效形式,影響輪邊減速器的工作性能。從圖4中能夠得出,修形前的齒輪副傳動(dòng)誤差較大,會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的嚙合沖擊。所以必須對(duì)小行星輪與內(nèi)齒輪進(jìn)行齒輪修形,考慮到 修形成本和難度故只對(duì)小行星輪進(jìn)行修形,不對(duì)內(nèi)齒輪修形。

　　齒輪的修形與仿真

　　此輪邊減速器是行星輪減速器設(shè)計(jì)的齒輪為直齒輪, 使用系數(shù) K_A 取 1.25;齒寬b=176;齒輪綜合嚙合剛度 C_r=20.13GPa;端面壓力角α=22.5°;加工基節(jié)誤差為 18um;將數(shù)據(jù)代入式(4)計(jì)算然后取整得鼓形修形量C_a= 28um;由式(3)得齒端修薄量 Δs=22~42um;由式(1)得齒廓修形量 Δ=68.64um,由式 (5) 得齒向斜度修形量C_c=270.01um,取 C_c=270um。將上述參數(shù)通過(guò) Romax Designer仿真,對(duì)結(jié)果分析后再對(duì)參數(shù)進(jìn)行微調(diào)得到最佳的效果。經(jīng)過(guò)微調(diào)后的參數(shù)分別為C_a=35um;Δs= 37.44um;Δ=58.50um;C_c=264um,此時(shí)齒面載荷分布情況,傳動(dòng)誤差變化如圖5、圖6所示。

　　優(yōu)化后齒輪齒面上的單位長(zhǎng)度載荷比修形前降低了50%以上,明顯改善了齒輪偏載現(xiàn)象,降低齒面的單位長(zhǎng)度載荷和齒輪偏載有利于提高齒輪的壽命,增加了齒輪承載能力,能夠得出修形后的傳遞誤差有顯著地降低,傳動(dòng)誤差由27.67um 下降到修形后的13.97um,下降幅度超過(guò)50%,修形后還存在傳動(dòng)誤差的波動(dòng),但齒輪的傳動(dòng)誤差波動(dòng)的范圍大大的降低了,表明修形后齒輪的動(dòng)態(tài)性能得到了比較大的改良。

　　四、總結(jié)

　　(1)本文基于齒輪齒廓修形與齒向修形的基本原理, 以大功率、低速重載的齒輪為研究對(duì)象,提出了齒輪的修形應(yīng)選擇齒端修薄、鼓形修形、齒向斜度修形三者相結(jié)合的修形方法,然后運(yùn)用 RomaxDesigner軟件對(duì)優(yōu)化后的模型進(jìn)行仿真分析,分析的結(jié)果表明此修形方法增大了輪齒實(shí)際接觸嚙合線的長(zhǎng)度,對(duì)齒面的嚙合情況有較大的改善。

　　(2)在等效載荷工況下,使用 RomaxDesigner軟件對(duì)154t大型礦車(chē)電動(dòng)輪輪邊減速器的齒輪副進(jìn)行仿真分析,確定了齒輪的修形參數(shù)。并且對(duì)齒輪進(jìn)行修形,使該輪邊減速器中的齒輪在嚙合過(guò)程中的偏載和沖擊等問(wèn)題得到了有效的解決。

　　參考文獻(xiàn)略.