大型矿用自卸车作为一种开发大型矿场的高效率运输车辆,其在大型矿场的作用一直很重要,已经成为大型露天矿场的生力军,其轮边减速器采用的是电驱动方式, 与传统的机械传动相比较电驱动方式具有优势,优势主要有占用空间小、易于控制、制动性能好、效率高。由于矿车的载重大并且矿场路况复杂环境差,使得减速器长时间处于高脉动载荷、高温的环境中,是大型矿用车易损伤的主要部件,且维护难度大,成本高,影响车辆的整体运行稳定性。因此,对轮边减速器的设计质量和性能提出了严格的要求,必须合理设计齿轮传动系统的整体结构形式,保证支撑零件具有足够的强度和刚度,选择合适的轴承及润滑系统,并且要考虑由于箱体、轮齿、传动轴、轴承等的弹性变形以及安装过程等导致的齿轮啮合错位,影响齿轮的接触强度和弯曲强度,提高轮边减速器的整体使用寿命。
RomaxDesigner软件可以对齿轮箱、轴、齿轮、轴承等进行建模、仿真和优化设计等,所以在汽车、航空航天、工程机械等领域有着很大的应用。本文以大型矿用电动轮轮边减速器齿轮参数优化为目标,应用 RomaxDesigner 软件建立系统模型,在各个工况下,综合考虑系统内各弹性零件的变形对齿轮啮合的影响,对齿轮的齿向和齿廓进行修形,得到想要的齿轮修形数据,提高齿轮的接触、弯曲安全系数。
在齿轮修形方面,张俊等将斜齿行星系作为研究对象,拟合出综合修形的响应面函数,通过计算得到轮系的最佳修形参数,从结果来看,显著改善了修形后的齿面受载荷情况;Tang等采用 RomaxDesigner软件建立了汽车多级齿轮传动系统的模型,提出了齿廓修形和螺旋线修形相结合的综合修形方式,结果显示,齿轮传动误差值降低了54%,偏载情况得到了一定程度的改善;田德等将风电增速箱作为研究对象,采用 RomaxDesigner软件中的遗传算法对齿轮进行综合修形,把仿真和经验计算结果进行对比分析,结果显示,在稳定性和可靠性方面,高速齿轮修形后都得到了很大的改善。
一、轮边减速器的建模与加载
154t电动轮自卸车轮边减速器齿轮系结构示意图如图1所示。
应用 RomaxDesigner软件进行建模,分别建立齿轮组、轴的几何模型,齿轮选用的材料是 20Cr2Ni4A 合金钢,20Cr2Ni4A 合金钢的材料参数分别是弹性模量 207GPa、泊松比0.29、密度7.85t/m3,轮边减速器的基本参数见表1。
根据各个齿轮在箱体中的位置对轴在箱体的空间坐标进行定义,然后将齿轮依据设计安装在轴上,根据受力情况在 RomaxDesigner软件轴承数据库中选用适当的轴承,如果轴承数据库中没有合适的轴承还可以输入轴承参数自定义轴承。
在太阳轮轴上设置一个输入功率载荷,在内齿轮上设置一个输出功率载荷,根据表1建立轮边减速器虚拟样机模型,如图2所示。
减速器的加载
在轮边减速器虚拟样机仿真运行前首先要对样机各项参数进行设置,包括样机工作温度、使用系数、润滑油的选择、精度等级、动载荷系数、齿向载荷分布系数、节点区域系数、安全系数等,然后进行工况设置,本文的轮边减速器虚拟样机的工况为运行功率为 600kw、 转速为1011rpm。
二、齿轮修形
美国学者 Walker以减少齿轮传动误差为目的,提出了齿轮修形的设想,并通过对直齿轮齿面进行微观修形, 减少了传动误差, 从而有效改善了轮齿之间的冲击现象。各个国家的齿轮修形标准都不相同,对于齿轮修形所需要的参数,最初国内外企业主要是依据实验与经验来确定的。而通过国内外高校对齿轮修形的研究,已经逐渐形成了一些修形理论。齿轮修形可以分成齿廓修形和齿向修形。
齿廓修形
齿廓修形又称为齿高修形,是指通过对齿轮齿廓进行细微的修整,能够降低齿轮在啮合过程中的啮入与啮出过程中产生冲击的方法。
齿轮单双齿啮合过程中轮齿的载荷分布会出现显著的突变,同时轮齿的弹性变形也会相应地发生变化,因此实际的渐开线齿轮会有啮合干涉。所以需要对齿轮齿廓采取细微修整,使它偏离理论齿廓。齿廓修形主要由修缘、修根和挖根组成。
齿廓修形量受轮齿受载时发生的弹性变形和加工中产生的基节偏差影响,本文齿廓修形量计算选用的公式:
Δ=δ+Δfb (1)
式中,Δ是齿廓修形量;δ是轮齿受载发生的弹性变形;Δfb 是齿轮加工中的基节误差。
弹性变形δ的计算公式:
式中,KA 为使用系数;Ft 为切向力,N;b 为齿宽, mm;α为端面压力角,(°);cr 为啮合刚度,GPa;Kmp 为分支系数。
齿向修形
齿高修形是指在齿宽方向上对齿面进行修形,从而改善齿面上应力集中问题的一种方法。为了减少齿轮的应力集中问题,就需要对齿轮进行齿向修形,齿轮的齿向修形包含了齿端修薄、鼓形修形、齿向斜度修形三种修形方法,由于是重载矿用车所以采用三者结合的修形方法。
其修形齿端修薄量Δs为
式中,Fβ5为5级精度齿轮的齿向公差,um;齿端修薄可采用抛物线修形方式,文献推荐的修形长度bc 取 0.1b,
鼓形修形量Ca 为:
式中,fg 为由精度决定的齿向误差 (um);A 为常数,A 的取值与齿轮精度相关。
齿向斜度修形量Cc 为:
式中,Ft 为切向力,N;Fβy为啮合斜度,um;Fβx 为歪斜度在啮合初始值处的值,um。
三、样机的仿真与优化
修形前的仿真
在等效载荷作用下,对样机进行模拟得出齿面载荷分布情况,如图3所示。
内齿轮与小行星的传动误差变化如图4所示。
从齿面载荷分布情况看修形前小行星轮与内齿轮之间存在明显的偏载现象,齿轮的一端基本没有承受载荷, 而另一端承受的载荷非常大。导致齿轮一端出现胶合等失效形式,影响轮边减速器的工作性能。从图4中能够得出,修形前的齿轮副传动误差较大,会产生严重的啮合冲击。所以必须对小行星轮与内齿轮进行齿轮修形,考虑到 修形成本和难度故只对小行星轮进行修形,不对内齿轮修形。
齿轮的修形与仿真
此轮边减速器是行星轮减速器设计的齿轮为直齿轮, 使用系数 KA 取 1.25;齿宽b=176;齿轮综合啮合刚度 Cr=20.13GPa;端面压力角α=22.5°;加工基节误差为 18um;将数据代入式(4)计算然后取整得鼓形修形量Ca= 28um;由式(3)得齿端修薄量 Δs=22~42um;由式(1)得齿廓修形量 Δ=68.64um,由式 (5) 得齿向斜度修形量Cc=270.01um,取 Cc=270um。将上述参数通过 Romax Designer仿真,对结果分析后再对参数进行微调得到最佳的效果。经过微调后的参数分别为Ca=35um;Δs= 37.44um;Δ=58.50um;Cc=264um,此时齿面载荷分布情况,传动误差变化如图5、图6所示。
优化后齿轮齿面上的单位长度载荷比修形前降低了50%以上,明显改善了齿轮偏载现象,降低齿面的单位长度载荷和齿轮偏载有利于提高齿轮的寿命,增加了齿轮承载能力,能够得出修形后的传递误差有显著地降低,传动误差由27.67um 下降到修形后的13.97um,下降幅度超过50%,修形后还存在传动误差的波动,但齿轮的传动误差波动的范围大大的降低了,表明修形后齿轮的动态性能得到了比较大的改良。
四、总结
(1)本文基于齿轮齿廓修形与齿向修形的基本原理, 以大功率、低速重载的齿轮为研究对象,提出了齿轮的修形应选择齿端修薄、鼓形修形、齿向斜度修形三者相结合的修形方法,然后运用 RomaxDesigner软件对优化后的模型进行仿真分析,分析的结果表明此修形方法增大了轮齿实际接触啮合线的长度,对齿面的啮合情况有较大的改善。
(2)在等效载荷工况下,使用 RomaxDesigner软件对154t大型矿车电动轮轮边减速器的齿轮副进行仿真分析,确定了齿轮的修形参数。并且对齿轮进行修形,使该轮边减速器中的齿轮在啮合过程中的偏载和冲击等问题得到了有效的解决。
参考文献略.