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1、减速齿轮的修形研究周娇君( 中国南方航空动力机械公司株洲4 1 2 0 0 2 )要：在工程研制的基础上，对某涡浆改型笈动机减速嚣齿轮进行改进设计，并根据试制过程出现的故障对其进行轮齿变形分析，对减速器齿轮进行修形研究齿型、齿向惨形量，一般并不大( 通常在0 0 0 0 7 0 0 3 m 之间) 但效果是很大的，而且根小的变化量却有较大的影响，所以齿轮修形均需要一个多次调整的研制过程，本项目齿轮的成功研制为以后的齿轮设计提供了重要的参考思路和宝贵的积累。关镰诩：齿轮；慵栽；轮齿变形；肇形1引言某涡桨发动机为满足飞机改型的要求，需要增大发动机功率并加大交流发电机的供电量至6 0 k V A 。
2、我公司决定对原型发动机进行改型以满足飞机改型对动力装置的要求。改型原则是保持发动机工作转速不变的情况下，在I S A 条件下发动机地面台架静止起飞当量功率由3 1 2 5 k W 提高至3 7 5 0 k W ，输出轴功率由2 8 6 8 k w 提高到3 4 2 4 k W 。由于发动机的输出功率加大2 0 ，相应的减速器内各减速齿轮及轴所传递的功率也随之增大，为此，减速器进行了改型设计。2 减速器结构简介某涡桨型系列发动机的减速器结构为双级封闭差动游星式( 图1 ) ，第一级为差动游星式，第二级为简单定轴传动。其减速比为0 0 8 7 3 2 ，当发动机转速为1 2 3 0 0 r m i
3、 n 时，螺旋桨的转速是1 0 7 4 r m i n 。发动机功率一路第一级差动游星传动传递约1 3 的轴功率；另一路经跨轮级传递其余约2 3 的轴功率。减速器的齿轮均为渐开线圆柱直齿轮，其模数是3 8 7 8 8 m m ，压力角为2 8 n 。采用这样较大的压力角，可以减轻齿面的接触应力。减速器的一级传动中裟配4 个游星齿轮同时与一级主动齿轮啮合、二级传动中装配6个中间齿轮同时与二级主动齿轮啮合。一、二级内齿圈完全相同，其齿轮和花键的齿数和模数相同，齿轮分别与4 个游星齿轮或6 个中间齿轮啮合，花键则分别与一、二级齿轮毅连接。3 齿轮改进设计根据原型发动机的实际使用情况以及强度计算结果，
4、针对减速器薄弱环节，必须对减速器进行改进，以满足传输较大功率的要求。基于最大限度的应用原型机的成熟技术的改型设计原则，改进后的结构与原型发动机减速器相似、工作原理与其完全相同。2 l8圈1减速 j 的传动系统L 弹性轴2 游星架：3 测扭机构t4 中间齿轮架；6 测扭泵传动从动齿轮：6 第二级齿轮毂；7 桨轴：8 第一级齿轮毂；Z - 第一级主动齿轮：毛游星齿轮；z 3 第一级内齿蹰：z 第二级主动齿轮；Z “中间齿轮；厶第二级内齿圈。在传递功率增大之后，经计算，各齿轮强度能满足要求，但二级主动齿轮中间齿轮的接触疲劳安全系数、内齿圈与中间齿轮的弯曲强度安全系数偏低( 具体数据见表1 ) ，为了
5、改善齿轮的啮合质量和提高可靠性，最初改进设计时主要是采取了齿根强化和适当的齿型、齿向修形措施：增加主动齿轮： 作面齿向鼓形量；齿根喷钢丸强化；对齿型进行了修型调整，主动齿轮齿轮削顶量大于齿根挖根量，游星齿轮中间齿轮齿根挖根量大于削顶量。加大内齿圈圆筒段壁厚适当加大；加强结构刚性，将驼峰外圆直径适当加大；提高内齿圈齿面齿形精度，并对齿轮齿向进行修型，内侧齿向多修0 0 l O 0 2 5 m 。衰1改进前齿轮加大功率后的齿根弯曲与齿丽接触安全系数序号零件名称齿榧弯曲安全系数齿面接触安全系数l一级主动齿轮3 1 2 5 游星齿轮3 42一级内齿噩3 7 2 3 游星齿轮3 83= 级主动齿轮2 0
6、2 0 中间齿轮2 14二级内齿皤2 01 6 中间齿轮l _ 7最小安全系数1 5 01 2 54 齿轮试制及故障2 0 0 4 年3 月份，改进设计齿轮酋台装配改型0 0 14 机，在工厂试车调试中，一、二级齿2 1 9轮传动轮系的啮合情况良好，齿面啮合并没有发现异常情况。但在2 0 0 4 年6 月，完成正式放飞前l O O h 试车后，申请进入放飞评审鉴定时。发现0 0 l # 机减速器的二级主动遗轮与6 个中间齿轮上有明显偏载迹象，并在二级主动齿轮靠后端的齿面发现一处约2 4 X1 2 m m 剥落( 如图2 所示) ，减速器其它零部件均无异常，特别是一级传动的各齿轮齿面啮合良好。至
7、此，0 0 1 4 发动机累计试车1 8 0 h 。图2 二缀主动齿轮首批试制齿询到蔫经冶金分析，二级主动齿轮齿型面剥落性质为接触疲劳剥落。从故障件实物可以看出：齿轮工作面靠主动端( 花链端) 的接触印痕较重且有磨损，说明的确存在偏载且靠花键端受力较大，偏载引起局部接触应力大从而导致齿面剥落。5 轮齿变形与修形分析齿轮啮合时轮齿在进入啮合和脱离啮合区时，由于轮齿误差和受载变形引起角速度的脉动变化而产生冲击和噪音。实践证明在高速大功率传动时，符合理论齿形的轮齿反而不能满足要求采用齿顶和齿根修缘、齿向修形( 鼓形齿、螺旋线修形) ，可以有效地改善了轮齿的啮合性能，使齿宽载荷均布，提高了承载能力。轮
8、齿在载荷作用下会产生弹性变形，齿轮轴在轮齿载荷下将产生弯曲、扭转和剪切变形。总的轴齿轮变形是由弯曲( 如图3 曲线1 ) 和扭转( 曲线2 ) 合成后的综合变形( 曲线3 ) 。为了补偿在预定载荷w 下的弹性变形，齿向修形必须如曲线4 的形状。它正好和综合变形曲线相反。眇夕爿 lr ，I 硼r lf +I l I I I I lII IlJ 1 1 l睇爿U 、i Z ,M，：【I 、J f lJ I i y羽，I剥q一f 白，西- 锲“始 二。声N图3 轴齿轮变形和齿向修形6 齿轮修形改进二级主动齿轮承受的扭矩是从后端的一级传动通过一级内齿圈、一级轮毂利用花键传递至二级主动齿轮花键端，而二级
9、主动齿轮中部有一段光滑圆柱段，那么在扭矩传递过程中就会存在变形。产生预变形后，在齿轮靠花键端即先行进入啮合从而导致偏载。由于某改型机二级主动齿轮的载荷较其原型机增大，那么此变形也随之增大产生偏载，导致齿轮靠花键端先行进入啮合，接触面积仅为靠花键端的5 0 左右，加之载荷较大，所以出现了在其原型发动机从未出现过的轮齿接触疲劳。经分析认为，内齿圈的刚性较强，变形较小而其它改型齿轮在进行齿形修型的基础上还必须进行齿向偏移修形以防止和避免偏载。于是。在减速齿轮再改进时主要采取了改变齿氪修形的技术措施，使得齿面在轻载荷时，即使在偏戴情况下运行也不会产生不良影响，而在满载荷时，由于弹性变形后反而使齿面负荷
10、均载运行而正常工作。对二级主动齿轮、游星齿轮( 中间齿轮) 及一级主动齿轮，均进行齿向修形设计，其中二级主动齿轮的齿向修形与首批试制二级主动齿轮工作1 8 0 h 的磨损趋势是吻合的。齿轮的齿形、齿向修形量一般都较小，很小的变化量却有较大的影响，在该项任务研制中，经过多次调整、试制，生产了多批次齿轮，根据其试用情况调整修形量，最后形成了如下修形方案：二级主动齿轮，齿型、齿向进行如下图4 修型：岱差带齿j 簪公差繁( 年棒00 0 1 m m )节蠼厦图4游星( 中间) 齿轮，齿型、齿向进行如下图5 修型公差带图5一级主动齿轮，齿型、齿向进行如下圈6 修型00 0 2 0 0 0 6 静l圈67
11、 改进齿轮试制及试车考核按上述修形改进方寨重新投产一批游星( 中间) 齿轮和一、二级主动齿轮，于2 0 0 5 年6 月装在0 0 3 机上，进行了工厂试车和2 0 h 考核试车，检查发现改变齿型、齿向修形后，一、二级主动齿轮与游星( 中间) 齿轮沿齿向与齿形方向啮合接触良好均匀。后又装用于0 1 4 。、0 1 7 4 发动机，经工厂试车一次试车合格。目前，正在进行3 0 0 h 长试考核。齿轮改进后一次合格率为1 0 0 ，在之前的修形方案调整阶段，试车的一次合格率不到2 0 ，由此表明经多次调整后齿轮的修型己基本满足使用要求。8 结论在发动机发动机输出轴功率加大2 0 ，各躐速齿轮所传递
12、的功率随之增大、各齿轮结构强度能满足要求，但齿轮的接触疲劳、弯曲疲劳安全系数偏低的情况下，通过采取齿根强化和适当的齿型、齿向修形措施，可以较大的提高承载能力、改善轮齿啮合质量，成功的达到了不改变基本结构同时满足使用要求的目的。经过几台次的试车考核表明，现在所设计的齿型、齿向修形措施是合理、成功的，从而比较成功的达到了该次减速齿轮修形研究的目的。9 结束语对于该改型发动机齿轮的研毒4 难度是我们没有预料到的，从而深刻感觉到：齿轮齿型、齿向修形深有难度，高科技产品的研制有它的科学性、规律性，如违背的话，则欲速而不达。在改进研制过程中经过了多次反复和调整，已经几番周折与摸索，基本找到了比较理想的修形方案，并为以后的齿轮设计提供了宝贵的积累。在研制过程中，得到了齿轮承制厂的技术支持和大力协助，在此特表示感谢I参考文献： 1 齿轮手册机械工业出版社1 9 9 2 2 角空发动机设计手册航空工业出版社2 0 0 1 3 某涡桨型发动机技术说明书中图南方航宅动力机械公司2 0 0 4
