齿轮磨损与修形

齿轮传动装置因其具有传动比精确、传动功率大、运行稳定和传动效率高等优点而广泛应用于汽车变速器、航空航天飞行器、工业齿轮减速器等动力传动系统中，其使役性能对整机运行状态有重要影响。齿轮装置的使役性能很大程度上取决于齿轮的振动特性和磨损行为。

齿轮系统作为一类常在宽范围转速和转矩等复杂工况下运行的机械系统，不仅受到由时变啮合刚度和传递误差等所引起的内部激励，还受到由原动机、负载和零部件等引起的外部激励，其动力学行为极为复杂。在内、外部激励共同作用下，齿轮装置在工作时产生的振动不但会恶化啮合副和轴承副的载荷特性，还会增大系统的噪声。因齿轮振动引起的动载荷又会进一步诱发或加剧齿轮的失效，加快齿轮的接触疲劳、弯曲疲劳和齿面磨损进程。

作为渐进性的材料去除过程，齿面磨损会逐步改变齿面形貌和载荷分布状况。过量的齿面磨损，不仅会降低传动系统的精度和效率，还可能加剧系统的振动和噪声，进而诱发和加速其他失效形式的发生。

以直齿圆柱齿轮为研究对象，一方面将基于理论的齿轮副等效接触模型与Archard磨损模型相结合，建立直齿轮准静态磨损模型，运用数值方法计算齿面的磨损量，并进一步分析工况参数、齿轮轴线偏差及齿轮修形等参数对齿面磨损量的影响规律，且针对以上影响参数对磨损的耦合影响进行深入的研究；另一方面，基于所建的齿轮副准静态磨损模型和直齿圆柱齿轮传动非线性动力学模型，建立齿轮副动态磨损模型(计算流程如图1所示），研究直齿圆柱齿轮传动中的动力学响应和齿面磨损之间的耦合作用，主要包括磨损齿廓对动态啮合力和传递误差的影响及动态载荷对齿面磨损的影响。从而揭示直齿轮传动中齿面磨损和动力学行为之间的耦合作用机理，以期为齿轮的减磨延寿及抑振降噪提供理论依据。

图1 动态磨损模型流程框图

随着技术的发展，齿轮箱的设计逐渐向大功率、低噪声、长寿命、高可靠性、易维护等方向发展。对于大功率、高性能齿轮装置而言，其低振动、低噪声的要求与强度、抗胶合能力等同等重要。为了使系统运行平稳、降低啮合冲击，改善齿面润滑状况、得到较为均匀的载荷分布和降低传动噪声，齿轮系统普遍采用齿轮微观修形技术。这其中，如何确定齿轮修形参数是保障上述修形效果的关键。

以斜齿行星轮系为研究对象，基于齿轮啮合原理将轮齿的齿向和齿廓修形折算为齿轮副沿啮合线方向的相对位移，再将其纳入行星轮系运动微分方程，进而求解出计入微观修形效应的齿轮副动态传动误差。在此基础上，针对齿轮修形量与啮合副动态传动误差波动量之间存在复杂的非线性关系，运用响应面法建立二者之间的映射函数，据此给出动态传动误差波动量最小情况下的修形参数的优选组合。

图2 轮齿修形示意图

随着齿向修形量的增加，齿面载荷更加均匀，动力学行为得到改善；当齿向修形量过大时，产生反向偏载。随着齿廓修形量的增加，啮入、啮出冲击减小，传动更加平稳；但过量的齿廓修形会增大齿侧间隙，进而恶化系统动态响应。

以内、外啮合副单独修形时的最佳修形量为设计变量均值，同时对内、外啮合副进行齿向和齿廓修形，构造行星轮系动态传动误差波动量与内、外啮合副修形量之间的响应面函数，并通过求解函数最小值获得轮系最佳修形量组合。