针对某行星减速机二级太阳轮疲劳点蚀的问题,构建了三级嵌套行星齿轮减速机结构动力学仿真模型,从齿面修形、轴承类型、齿轮结构等方面开展了综合改善优化及仿真验证。
降低了二级太阳轮齿面接触应力、单位长度法向载荷和传递误差,增大了齿轮啮合刚度。
最后研制了改善优化样机并开展了疲劳试验,结果表明:改善优化后的二级太阳轮未出现点蚀失效,工作可靠性得到了提升。
引 言
行星减速机一般通过多级行星齿轮实现高减速比传动,是工程机械、风电设备等高端装备不可或缺的核心传动部件。
其由多个太阳轮、行星架及行星齿轮组成。现有行星齿轮设计参数大多依据经验公式确定,传动可靠性估算精度较低,尤其是在多级行星齿轮嵌套机构中,齿轮支撑结构众多,难以实现各传动部件的完全均载,易导致齿轮偏载、传递误差过大等问题。
齿面点蚀是齿轮啮合时由于交变接触应力反复作用下而出现的小块金属剥落现象,其与齿面硬度、润滑状态、齿面接触力等密切相关。
齿轮点蚀一旦出现并扩展,不仅加剧噪声和振动,还会持续侵蚀有效啮合面积,最终导致齿轮乃至整个传动系统疲劳失效。
本文针对某减速机中第二级太阳轮点蚀失效问题,采用理论分析、模型仿真和实验验证相结合的方式,对其开展综合改善优化,以提高行星减速机的工作可靠性。
行星减速机传动原理及失效分析
行星减速机的三维模型及传动原理如图1所示,其由三级太阳轮、行星架、行星轮和内齿圈等零件组成。
传动路线如下:一级太阳轮Z1连接动力源输出轴,作为整个减速机的输入,动力首先通过一级太阳轮Z1传递到一级行星轮Z2,其中一部分动力传递到一级内齿圈Z3,另一部分动力由一级行星轮Z2通过一级行星架H1传递到二级太阳轮Z4;
第二级行星传动中,动力由二级太阳轮Z4传递到二级行星轮Z5,其中一部分动力由二级行星轮Z5传递到二级内齿圈Z6,另一部分动力由二级行星轮Z5通过二级行星架H2传递到三级太阳轮Z7;
第三级行星传动中,动力由三级太阳轮Z7传递到三级行星轮Z8,其中一部分动力由三级行星轮Z8传递到三级内齿圈Z9,另一部分动力由三级行星轮Z8通过三级行星架H3传递到输出轴,输出轴上齿轮输出动力。
通过三级行星传动,以较紧凑的结构尺寸实现了高速比的减速传动。
上述行星减速机样机在疲劳测试中,二级太阳轮发生了点蚀失效现象,如图2所示,齿面节线区域出现了密集的凹坑,属于典型的点蚀特征。
为分析失效原因,首先对齿轮的硬度、润滑状态进行了检测和分析,发现可排除齿面表面处理和润滑方面原因。
进一步从传动结构上开展分析,根据图1(b)所示传动原理可知,太阳轮是每个行星传动级的中心,一方面需同时参与多个行星轮啮合,其在啮合过程中承受着高频次、高应力的周期性接触载荷;
另一方面,多级传动链中的传动误差存在累积效应,尤其是二级太阳轮,其在整体结构中的支撑刚度较低,且同时承受较高的转速和较大的转矩。
输入级累积传动误差与负载端的载荷扰动在此累积,导致行星齿轮出现偏载,使得啮合时齿面出现局部接触应力集中。
在过高的交变局部接触应力作用下,齿面接近节线区域附近的工作疲劳点萌生微裂纹,并迅速扩展连接,最终形成密集的点蚀坑。
综上分析可知,齿面接触应力、传动误差是引起点蚀的主要关联因素,其与齿面轮廓、齿轮系统支撑刚度等有关,故从齿面修形与结构改进的角度开展改善优化。
(a)三维模型示意图
(b)传动原理图
图1 大功率行星减速机三维模型示意图及传动原理图
图2 行星减速机二级太阳轮点蚀失效
二级太阳轮齿面修形及结构参数改进
齿向修形可优化齿轮的几何形状和接触区域,减少局部接触应力集中,是一种对齿轮系统其他参数影响最小的设计优化方式。
其中,鼓形修形是齿轮齿向修形的常用方法,通过适当选取修形量,能有效补偿系统变形、制造误差及热变形,从而优化齿轮啮合性能。
首先,齿宽是影响齿向接触区域的关键参数,为减小接触力,将二级太阳轮和行星齿轮的齿宽由原来的20mm增加到26mm;
图3(a)为优化前的二级行星齿轮修形量,其采用鼓形修行,均为齿向鼓形9μm,修形量较小。
考虑到行星减速机的复杂受载情况,在此优化调整修形参数,适当增加鼓形量,将鼓形量从9μm提升至15μm,同时优化鼓形量分布,由优化前的沿齿宽成对称分布改进为局部非对称分布,具体修形情况如图3(b)所示。
(a)优化前齿轮修形量
(b)优化后齿轮修形量
图3 齿轮修形设计优化
在行星减速机系统结构方面,优化前的二、三级行星轮是采用传统圆柱滚子轴承支撑,该轴承外圈与行星轮内孔因制造公差和受力不均易产生微动磨损,导致外圈蠕动,存在由于齿轮轴线偏移引发齿面局部载荷集中的风险;
在此将减速机中二、三级行星轮轴承修改为无外圈滚子轴承,无外圈设计直接利用行星轮内孔作为滚道,省去了外圈及保持架,在相同安装尺寸下选配了更大直径的滚子轴承,以增加支撑刚度。
优化前的二级太阳轮和轴采用 分体式结构,该结构整体刚度较低,齿轮啮合时的传动精度难以保证,在此对二、三级太阳轮采用轴与齿轮一体化设计,以提升系统整体刚度和传动精度。具体优化参数如表1所示。
表1 优化前和优化后的参数及措施对比
为验证优化效果,在Romax软件中建立行星减速机结构动力学仿真模型,将优化前后的二级太阳啮合特性进行了仿真分析对比。
根据实际试验工况,设置输入转速为940r/min、输入转矩 为21.5N·m,对系统进行静态分析。
图4、图5为最大接触应力、单位长度法向载荷和端面传动误差的分析对比图。
优化后二级太阳轮的最大接触应力、单位长度法向载荷、最小端面传动误差和最大端面传递误差分别为620.45MPa、87.0N/mm、-0.79μm和1.16μm, 较优化前的784.65MPa、139.3 N/mm、-1.14μm和1.68μm分别降低了20.9%、37.5%、30.7%和30.9%;
由图4可知,齿面接触应力和单位长度 法向载荷在接触齿面上呈对称分布,且集中于齿面中心位置并向四周逐渐减小,优化后的齿面接触区面积增大,接触应力和单位长度法向载荷在齿面上的分布相对更为均匀。
图6为端面总啮合刚度的对比,优化前后的二级太阳轮的端面总啮合刚度分别为3.20×105~5.34×105N/mm、2.31×105~3.51×105N/mm。
优化后的二级太阳轮最大、最小啮合刚度分别提升了52.1%和38.8%。
综上对比可知,通过齿面修形及相关结构参数改进,行星齿轮减速机二级太阳轮的齿面接触应力、单位长度法向载荷和传递误差均得到降低,齿轮啮合刚度得以提升。
(a)最大接触应力
(b)单位长度法向载荷
优化前
(c)最大接触应力
(d)单位长度法向载荷
优化后
图4 优化前后二级太阳轮力学参数对比
耐久试验验证
为评估优化后行星齿轮减速机二级太阳轮的工作性能,研制了设计优化后的大功率行星减速机,并对其开展与优化前相同测试工况的疲劳试验。
试验状态设定为在输入转速为940r/min、输入转矩21.5N·m的工况下循环72h,共8个循环,总时间576h,每循环0.5h换向一次。
试验完成后拆卸出二级太阳轮检查,如图7所示,经检查零件状态完好,齿轮齿面未出现点蚀现象,改善优化后的行星齿轮减速机通过了测试标准规定的疲劳试验,验证了本文齿轮修形设计和结构优化方案的有效性。
图5 优化前后的端面传递误差
图6 优化前后的端面总啮合刚度
图7 试验测试后的二级太阳轮
结 语
针对某行星减速机二级太阳轮的齿轮点蚀失效问题,剖析了故障原因,从齿面修形、轴承类型、齿轮结构等方面提出了综合改善优化措施。
构建了行星减速机结构动力学仿真模型,对优化前后的二级太阳轮啮合特性进行了对比分析。
结果表明:优化后的齿面最大接触应力和单位长度法向载荷分别降低了20.9%和37.5%;
最大端面传动误差降低了30.9%;最大端面总啮合刚度提升了52.1%。
最后,研制了优化后的行星减速机样机,并通过耐久性测试验证了齿轮修形设计和结构优化方案的有效性。上述研究可为行星齿轮减速机的可靠性设计提供技术参考。
参考文献：略。
作者简介:张志成(1972—),男,山东潍坊人,汉族,工程师,本科学历,研究方向:柴油发动机及齿轮传动系统。
来源：内燃机与配件