考虑错位角的人字齿星型轮系传动性能分析_李栋梁.pdf

第4 9卷 第1期2 0 2 3年2月东华大学学报(自然科学版)J OUR NA L O F D ON GHUA UN I V E R S I T Y(NA TUR A L S C I E N C E)V o l.4 9,N o.1F e b.2 0 2 3 文章编号:1 6 7 1-0 4 4 4(2 0 2 3)0 1-0 0 6 4-0 6D O I:1 0.1 9 8 8 6/j.c n k i.d h d z.2 0 2 1.0 5 3 2收稿日期:2 0 2 1-0 9-2 8基金项目:国家重点研发计划资助项目(2 0 1 8 Y F B 2 0 0 1 5 0 2)通信作者:孙志宏,女,教授,研究方向为机构与机械动力学、立体织造技术,E-m a i l:z h s u n d h u.e d u.c n引用格式:李栋梁,王淑妍,孙志宏.考虑错位角的人字齿星型轮系传动性能分析J.东华大学学报(自然科学版),2 0 2 3,4 9(1):6 4-6 9.L I D L,WAN G S Y,S UN Z H.T r a n s m i s s i o n p e r f o r m a n c e a n a l y s i s o f h e r r i n g b o n e s t a r g e a r t r a i n s c o n s i d e r i n g s t a g g e r a n g l e J.J o u r n a l o f D o n g h u a U n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c e),2 0 2 3,4 9(1):6 4-6 9.考虑错位角的人字齿星型轮系传动性能分析李栋梁a,b,王淑妍a,b,孙志宏a,b(东华大学 a.机械工程学院,b.纺织装备教育部工程研究中心,上海 2 0 1 6 2 0)摘要:以传动效率超高的某涡扇发动机人字齿星型轮系为研究对象,建立含有错位角的人字齿轮模型,采用R OMA X软件研究错位角对人字齿轮副所受轴向力及其动态性能的影响。结果表明:错位角对人字齿轮副所受轴向力的影响随周节偏转变化而周期性变化;在星型轮系中错位角对太阳轮和内齿圈所受轴向力的影响可以忽略,而对星轮所受轴向力影响较明显,这主要是因为太阳轮和内齿圈与多个星轮啮合而出现多齿均化效应。尽管错位角会产生轴向力,但选择合适的错位角会减小人字齿轮啮合综合刚度的波动,从而使人字齿星型轮系动态啮合力更加平稳。关键词:人字齿轮;错位角;涡扇发动机;轴向力;动态响应中图分类号:TH 1 3 2 文献标志码:AT r a n s m i s s i o n p e r f o r m a n c e a n a l y s i s o f h e r r i n g b o n e s t a r g e a r t r a i n s c o n s i d e r i n g s t a g g e r a n g l eL I D o n g l i a n ga,b,WANG S h u y a na,b,S UN Z h i h o n ga,b(a.C o l l ege o f M e c h a n i c a l E ngi n e e r i ng,b.E ngi n e e r i ng R e s e a r c h C e n t e r o f A d v a n c e d T e x t i l e M a c h i n e ry,M i n i s t ry o f E d u c a t i o n,D o ngh u a U n i v e r s i ty,S h a ngh a i 2 0 1 6 2 0,C h i n a)A b s t r a c t:T a k i ng t h e h e r r i ngb o n e s t a r ge a r t r a i n o f a t u r b o f a n e ngi n e w i t h u l t r a-h igh t r a n s m i s s i o n e f f i c i e n cy a s s t u dy o bje c t,t h e h e r r i ngb o n e ge a r m o d e l w i t h s t ag ge r a ngl e w a s e s t a b l i s h e d,t h e i n f l u e n c e o f s t ag ge r a ngl e o n t h e a x i a l f o r c e a n d dyn a m i c pe r f o r m a n c e o f h e r r i ngb o n e ge a r pa i r w e r e s t u d i e d by t h e s o f t w a r e ROMAX.T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e i n f l u e n c e o f s t ag ge r a ngl e o n t h e a x i a l f o r c e o f h e r r i ngb o n e ge a r v a r i e s pe r i o d i c a l ly w i t h t h e v a r i a t i o n o f pi t c h.I n t h e s t a r ge a r s e t,t h e i n f l u e n c e o f s t ag ge r a ngl e o n t h e a x i a l f o r c e o f t h e s u n ge a r a n d i n n e r r i ng ge a r c a n b e ign o r e d,b u t t h e e f f e c t o n t h e a x i a l f o r c e o f t h e s t a r ge a r i s m o r e o b v i o u s,w h i c h i s m a i n ly d u e t o t h e m u l t i-t e e t h h o m oge n i z a t i o n e f f e c t o f t h e s u n ge a r a n d i n n e r r i ng ge a r m e s h i ng w i t h m u l t ipl e s t a r ge a r s.A l t h o ugh t h e s t ag ge r a ngl e c a u s e s a x i a l f o r c e s,c h o o s i ng t h e r igh t s t ag ge r a ngl e w i l l r e d u c e t h e f l u c t u a t i o n o f t h e c o m b i n e d s t i f f n e s s o f t h e h e r r i ngb o n e ge a r m e s h,t h u s m a k i ng t h e dyn a m i c m e s h i ng f o r c e m o r e s t a b l e.K e y w o r d s:h e r r i ngb o n e ge a r;s t ag ge r a ngl e;t u r b o f a n e ngi n e s;a x i a l f o r c e;dyn a m i c r e spo n s e 齿 轮 驱 动 的 涡 扇 发 动 机(g e a r e d t u r b o f a n e n g i n e,G T F)是航空发动机的研究热点。人字齿星型轮系作为高速精密的G T F齿轮箱的核心部件,其不仅结构复杂,而且对工作环境要求十分严格1-3,第1期李栋梁,等:考虑错位角的人字齿星型轮系传动性能分析效率要求也极高4。由于制造、安装过程中不可避免存在误差,因此会引起人字齿轮左右两侧斜齿轮出现错位角5,这不仅对轮齿间的受力产生影响,同时对润滑效果、啮合刚度等6-7传动性能也会产生一定影响。围绕上述问题,国内外学者展开了广泛深入的研究。W a n g等8基于G T F齿轮箱低压转子和风扇转子的多轴承模式,建立齿轮-转子-轴承耦合动力学模型,充分考虑轴承的时变支承刚度、多啮合相位关系的齿轮啮合刚度和综合误差,但没有考虑人字齿轮错位角对传动系统的影响。P r a s h a n t9研究了含有错位角的人字齿星型轮系的动态响应,并给出错位角的表达式,但没有考虑错位角对轮系轴向力的影响。邱红友1 0简要分析了人字齿轮错位角对动态均载特性的影响。张霖霖等1 1研究了啮合相位对人字齿行星齿轮系统均载性能的影响,提出计入啮合相位的时变啮合刚度,但只考虑不同啮合的人字齿轮之间的相位关系,而没有考虑人字齿轮左右斜齿间存在的相位差。刘祥等1 2发明了一种组合型错位人字齿轮,该人字齿轮左侧齿与右侧齿错开半个齿距,即一侧轮齿与另一侧齿槽对称,这种结构方便轮齿啮合时润滑油向两侧分流,而中间的润滑油可通过另一侧齿槽进行泄油,但只考虑一对齿轮副的情况,没有对轮系进行分析。本文以某涡扇发动机人字齿星型轮系为研究对象,在研究人字齿轮副错位角对啮合产生的轴向力影响的基础上,利用R OMA X软件,研究错位角的变化对整个人字齿星型轮系传动性能的影响。通过对振动加速度响应分析,得出不同错位角与人字齿轮系统传动性能关系,以便优化人字齿轮系统综合传动性能。1 G T F人字齿星型轮系及力学分析1.1 G T F人字齿星型轮系工作原理 某G T F齿轮箱1 3如图1(a)所示,该人字齿星型轮系由1个太阳轮、5个星轮和1个内齿圈组成,图1(b)为其传动原理图。运动和动力经太阳轮Zs分成5路传递给5个星轮Zpi(i=1,2,5),再由各星轮汇流到内齿圈Zr后输出功率。与普通行星轮系相比,该星型轮系行星架是固定的,相当于行星轮系的转化轮系,亦称“准行星轮系”1 4。这种轮系既具备行星轮系功率分流的特点,又能避免行星架带来的各种问题。1.2 人字齿星型轮系力学模型 为了简化工程问题,在人字齿轮副的力学分析图1 人字齿星型轮系结构和原理图F i g.1 S t r u c t u r e a n d s c h e m a t i c d i a g r a m o f a h e r r i n g b o n e s t a r g e a r t r a i n上可将人字齿啮合处理成一对完全对称的斜齿轮相啮合,并假设载荷由一对轮齿承载,单侧啮合受力情况与斜齿轮相似。参考斜齿轮的受力分析,人字齿轮左侧轮齿的受力情况如图2所示。图2 人字齿左侧轮齿受力模型F i g.2 F o r c e m o d e l o f l e f t g e a r t e e t h o f a h e r r i n g b o n e g e a r由图2可知,人字齿左侧啮合轮齿之间除了受到轴向力Fa L,还受到径向力Fr L、圆周力Ft L,合力为法向力Fn L。理想状态下,人字齿啮合时,左侧斜齿轮所受轴向力Fa L和右侧斜齿轮所受轴向力Fa R相互抵消,整个人字齿轮啮合副仅受到径向力Fr和圆周力Ft的作用,因此可以处理为一个平面力系,其合力为法向力Fn。根据力学模型及力的平衡条件,人字齿左侧轮齿的啮合力计算如式(1)(4)所示。Ft L=2T1d1(1)Fr L=Ft Lt a n t=Ft Lt a n nc o s(2)Fa L=Ft Lt a n(3)Fn L=Ft