某全地形车变速箱齿轮的选型及修形设计优化

展建波， 张 平， 陈玉梅

(江苏林海动力机械集团有限公司，江苏 泰州 225300)

全地形车是一种在大多数地形上都能行驶的车辆，国内俗称沙滩车。 这种车型具有多种用途且不受道路条件的限制，在北美和欧洲应用较广。 变速箱作为全地形车传动系统中的重要组成部分，其内部齿轮传动能力对变速箱的噪音、性能以及寿命极为重要。 本文以某款全地形车变速箱内的一对斜齿轮为研究对象，运用KISSsoft 软件对其进行选型及修形优化设计[1]。

1 齿轮选型

在实际开发设计过程中，因为动力源的设计变更或者为了适配车辆的主要使用环境，往往需要改变变速箱的传动比，变更传动系统参数，用以释放发动机的性能。 在变速箱传动系统的设计过程中，因为计算参数过程非常繁琐、复杂，按传统的基于设计手册的设计方法设计很难达到各种传动性能指标最优化的目标，并且非常依赖设计人员自身经验。 本文采用KISSsoft 软件，它可对不同种类的传动系统及齿轮箱进行强度及寿命分析，可以在非常短的时间内对完整的传动系统进行迅速而详细的参数研究，以及在不同载荷条件下对已有设计进行对比分析。

本文中给定斜齿轮副的目标传动比为1.3(浮动2%)，中心距为95.3 mm，模数2.25，压力角为20°，螺旋角15°～18°，转速2 792 r/min，功率16 kW，经过粗选型、精细选型，得出56 组结果，如图1 所示。

图1 选型结果分布图

以最小齿根安全系数SFmin和最小齿面安全系数SHmin为优化指标，对结果进行筛选，同时剔除齿数不互质的解，最终选定齿轮参数如表1 所示。

表1 齿轮副参数表

基于齿轮参数使用三维软件建立斜齿轮副模型，如图2 所示。

图2 斜齿轮副三维模型

对选定的齿轮副进行接触分析，计算齿面接触应力。 齿面接触应力与齿轮的几何参数、载荷、材料、载荷系数等因素有关[2]。 其计算结果为:最大接触应力达到678.48 MPa，齿面载荷分布最大值为141 N/mm，如图3 所示。 从图中可以看出，齿面受到的载荷变化很急促，应力曲线没有平缓的过渡区域，尤其是齿顶和齿根处沿着齿宽方向受力不均匀，有偏载的情况，齿轮在啮入和啮出时会有冲击，这会加大齿轮的振动噪音，对其使用寿命来说是不利的。

图3 齿面接触载荷3D 图(修形前)

2 齿轮修形与结果分析

2.1 齿轮修形

传递误差随着主动轮转角的变化曲线称为传递误差曲线，理想状态下传递误差曲线可以是一条直线，但是齿轮在实际使用过程中因为变速箱箱体孔位、齿轮轴、轴承的加工误差以及齿轮本身受载变形等原因导致齿轮的接触状况不可能是理想状态，齿轮有可能出现严重的偏载和传递误差过大的情况。 这种情况下的齿轮传动不平稳，噪音过大，导致变速箱出现异响，严重的还影响齿轮的载荷能力(寿命)。 在变速箱的开发设计活动中经常遇见这种问题，但该问题的发生往往并不是因为齿轮参数设计的不合理，而是由于前面所述的齿面接触状况不佳导致的。 因此，为了降低齿轮振动噪音、提高齿轮寿命，必须对齿轮进行修形，优化齿面接触状况，提高齿轮传动平稳性。

轮齿修形大体可分为齿廓修形和齿向修形两种方式。 其中齿廓修形主要依靠在齿顶或齿根处修正齿轮的渐开线曲线来弥补加工误差的影响[3]；而齿向修形是沿齿线方向微量修整齿面，使其偏离理论齿面，使齿面受力均匀，减少偏载的情况[4]。 但是过量的修形相当于增加齿形误差，反而会造成不利的影响，因此选取最佳修形方案显得尤为重要。

利用KISSsoft 软件对上文选定的齿轮副做修形计算，得到推荐的修形方式为齿顶线性修缘、齿根线性修缘及鼓形修形，其中齿顶、齿根修缘属于齿廓修形，鼓形修形属于齿向修形，如图4 所示。

图4 修形示意图

经过粗略修形计算和精细修形计算之后得到144 组修形结果，以传动误差峰值差作为优化目标，最终选取修形参数为:齿顶修形量5 μm，修形长度1.005 mm；齿根修形量5 μm，修形长度2.18 mm；鼓形修形量1 μm。 将该修形参数加入齿轮副中，再次进行接触分析计算。

2.2 修形结果分析

将带有修形参数的齿轮副和原齿轮副进行接触分析计算，从齿面发热量、传递误差、齿面载荷及接触斑点这几个方面来进行对比分析。

齿轮副修形前及修形后的发热量曲线如图5 所示，齿轮啮合产生的发热量由修形前的41.84 J/mm降低到了修形后的38.12 J/mm， 齿面上产生的热量减小了3.72 /mm 且热量在齿轮上的分布更加均匀，表明修形可以降低发生齿面点蚀、胶合的可能性，提高了齿轮的承载能力。

图5 齿轮修形前后的发热量

齿轮副修形前及修形后的传递误差曲线如图6所示，齿轮的传递误差由修形前的3.051 5 μm 降低到2.120 2 μm，降低了30.5%，而且修形后的传递误差曲线过渡更加柔和、平滑，没有拐点和尖点。 说明此修形方案改善了齿轮在传动过程中的动态性能，在一定程度上降低了变速箱的振动和噪声，使动力传动更加平稳。

图6 齿轮修形前后的传递误差

修形前齿面载荷最大的地方位于齿顶和齿根的两端对角线上很小的一块区域，载荷分布也不均匀，这会导致齿轮的异常磨损。 图7 是修形后的齿面载荷分布图，可以看出齿面边缘应力明显减少，偏载现象消失，载荷突变的状况也得以改善。

另外本文还观察了修形后的齿轮接触斑点的变化，如图8 所示，修形后的齿轮接触位置比较理想，没有集中在齿顶或齿根这些错误部位[5]。

图8 齿轮修形前后的接触斑点

从图中可以看出此修形方案消除了齿面上的偏载情况，减小了齿轮传动中的磨损，降低了齿轮折断的风险。

3 结论

(1)通过KISSsoft 软件对变速箱一对斜齿轮进行选型和修形优化设计，基于目标值筛选出最合适的参数，提升了设计效率。

(2)对修形前后的齿轮作接触分析并对比，结果表明合理的修形方案可以改善齿轮传动效率和平稳性，减小齿轮的磨损，降低发生齿面点蚀、胶合等失效形式的风险，降低齿轮振动噪音和提高齿轮的寿命。

(3)本文的研究方法可以作为一种开发变速箱传动系统的理论依据，结合实际经验可以提高设计的准确性，缩短产品的开发周期。