說明：文中的齒輪箱是指兩級(jí)NGW行星一級(jí)平行軸的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

　　設(shè)計(jì)修形有三步：利用工程分析確定尺寸;使用齒輪軟件的搜索算法優(yōu)化;最后使用樣機(jī)負(fù)載試驗(yàn)驗(yàn)證。

　　這里使用三類修形：齒廓修形(改變齒的漸開線形狀);齒向修行(改變齒寬為曲線);以及這兩種修形的組合。

　　齒廓修形用于：

　　(1)降低振動(dòng)和噪音，特別是在高速級(jí)(HSS)上。

　　(2)減小膠合風(fēng)險(xiǎn)，特別是在HSS級(jí)上。減小微點(diǎn)蝕風(fēng)險(xiǎn)，特別是在低速級(jí)(LSS)上。

　　(3)以及避免嚙合開始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)處出現(xiàn)應(yīng)力集中。

　　齒向修行用于：

　　(1)分配齒輪整個(gè)齒寬上的載荷。

　　(2)保證載荷沿齒寬中心分布，從而避免齒輪的傾斜，特別是行星輪。

　　風(fēng)電齒輪箱齒輪失效的原因之一是不合適的齒輪微觀幾何形狀/齒輪修形，這些影響見圖1。

圖1 未達(dá)到最佳要求的齒面接觸模型，高速級(jí)(HSS)

　　(3)補(bǔ)償太陽(yáng)輪的扭轉(zhuǎn)變形(或，HSS小輪)。

　　(4)保證齒寬末端沒有應(yīng)力集中，特別是當(dāng)齒輪錯(cuò)位嚴(yán)重時(shí)的緊急載荷。

　　(5)補(bǔ)償加工誤差，即使有加工誤差時(shí)，也要保證接觸面積不超過齒輪齒寬。

　　在修形設(shè)計(jì)期間，需要考慮齒輪運(yùn)行中的錯(cuò)位。錯(cuò)位是多種影響的函數(shù)，也就是箱體制造誤差、箱體變形、轉(zhuǎn)架變形、軸承運(yùn)行間隙、軸承的非線性剛度、軸的彎曲和扭轉(zhuǎn)以及齒自身的變形。考慮所有這些影響就是所謂的“齒接觸分析(TCA)”，或更精確的定義為“承載齒接觸分析(LTCA)”，

　　ISS和LSS修形：

　　假定齒圈平行于齒輪箱軸線并考慮：

　　(1)行星架的扭轉(zhuǎn);

　　(2)在斜齒輪下，行星輪傾斜產(chǎn)生傾斜誤差;

　　(3)由于主軸的彎曲，轉(zhuǎn)架在兩個(gè)軸線上傾斜;

　　(4)由于各行星級(jí)有一些錯(cuò)位，太陽(yáng)輪在兩個(gè)軸線上傾斜;

　　影響1和2(假定扭矩方向不變)總是方向相同，并且能通過螺旋角修形進(jìn)行補(bǔ)償。

　　影響3和4能是任何方向，因此，不能通過螺旋角修形進(jìn)行補(bǔ)償，要求行星輪鼓形。

圖3 錯(cuò)位模型：上部左側(cè)，轉(zhuǎn)架扭轉(zhuǎn);上部右側(cè)，由于采用斜齒引起的行星輪傾斜;下部左側(cè)，太陽(yáng)輪傾斜;下部右側(cè)轉(zhuǎn)架傾斜;

　　于是，我們應(yīng)該使用以下齒廓修形。在所有三個(gè)齒輪上(太陽(yáng)輪、行星輪和齒圈)，從單齒接觸最高點(diǎn)開始使用曲線進(jìn)行頂部減薄?？偟捻敳繙p薄量能通過施加的力、齒剛度進(jìn)行估算，并且也需要考慮齒距偏差。在行星輪上，可以使用齒廓鼓形去減小制造誤差引起的振動(dòng)

圖4 轉(zhuǎn)架傾斜后，太陽(yáng)輪和行星輪的接觸模型

　　為了補(bǔ)償太陽(yáng)輪扭轉(zhuǎn)變形，使用螺旋角修形和鼓形修形。扭轉(zhuǎn)變形和鼓形的總量能使用簡(jiǎn)單的工程公式計(jì)算使用ISO6336推薦的當(dāng)量直徑計(jì)算扭轉(zhuǎn)慣性矩。當(dāng)計(jì)算太陽(yáng)輪變形并使用修形時(shí)，我們推薦僅考慮大約80%的齒寬，因?yàn)辇X寬末端僅受輕微載荷。我們建議太陽(yáng)輪增加15μm的鼓形量去適應(yīng)太陽(yáng)輪與齒輪箱軸線之間的錯(cuò)位。

　　對(duì)于齒向修行我們首先需要知道行星輪與齒輪箱軸線之間的錯(cuò)位量(如，轉(zhuǎn)架的扭轉(zhuǎn)變形，或在轉(zhuǎn)架直接連接主軸的設(shè)計(jì)中，轉(zhuǎn)架的傾斜)。在斜齒行星中需要考慮的附加影響是行星輪在行星軸承上的傾斜。錯(cuò)位的結(jié)果表達(dá)為偏差誤差f∑β和傾斜誤差f∑δ。

　　于是，行星輪要求的螺旋角修形能在考慮太陽(yáng)輪與行星輪的嚙合角(行星輪和太陽(yáng)輪左齒面修形)以及行星輪與齒圈的嚙合(行星輪和齒圈的右齒面修形)的情況下進(jìn)行計(jì)算。注意，在典型的風(fēng)電齒輪箱中，行星輪在行星輪軸承游隙上的傾斜增加了行星輪與齒圈嚙合的螺旋角修形的要求，但是卻減小了太陽(yáng)輪與行星輪嚙合的螺旋角修形的要求。

　　注意，轉(zhuǎn)架相對(duì)于齒輪箱軸線的任何錯(cuò)位量都需要在行星輪上使用額外的鼓形進(jìn)行補(bǔ)償。

　　HSS 修形:

　　在小輪和大輪上使用長(zhǎng)的、曲線頂部減薄。為了減小振動(dòng)，組合使用頂部減薄和大約15μm的齒廓鼓形，以改善HSS的振動(dòng)特性。齒廓鼓形僅在小輪上是典型的應(yīng)用。

　　高速軸彎曲的影響是非常小的，特別是當(dāng)小輪布置在跨距中央時(shí)。在轉(zhuǎn)子側(cè)和電機(jī)側(cè)軸承上使用近似的游隙值，使軸平行移動(dòng)，從而得到小的錯(cuò)位量。

　　由于來自于ISS太陽(yáng)輪的軸向力作用在空心軸上，使電機(jī)側(cè)錐軸承的全部滾子承載，產(chǎn)生很高的徑向剛度并且沒有運(yùn)行游隙。然而，轉(zhuǎn)子側(cè)的圓柱滾子軸承仍然有運(yùn)行游隙并且徑向剛度較低，因此空心軸傾斜。這是HSS嚙合中錯(cuò)位量的主要貢獻(xiàn)。HSS級(jí)中不同齒向修行的影響見圖5

圖5 HSS級(jí)上不同齒向修行的影響

　　典型設(shè)計(jì)中，因?yàn)榇簖X輪齒寬比小齒輪齒寬略微大一些，在大齒輪兩側(cè)端部使用曲線減薄去避免應(yīng)力集中。相反，在小輪上，使用小的但充足的鼓形量，如，25μm。

　　為了補(bǔ)償空心軸和HSS軸受載下的錯(cuò)位量，使用螺旋角修形。對(duì)此，計(jì)算齒輪的錯(cuò)位量需要考慮軸和軸承的變形，對(duì)于載荷譜中的各級(jí)載荷，使用對(duì)齒輪損傷貢獻(xiàn)最大的載荷級(jí)。

　　優(yōu)化修行:

　　當(dāng)然，以上過程僅給出了修形起始點(diǎn)，修形需要被進(jìn)一步優(yōu)化。

　　交叉檢查：微點(diǎn)蝕和膠合:

　　注意，在微點(diǎn)蝕計(jì)算ISO/TR 15144-1標(biāo)準(zhǔn)的方法B中考慮了齒頂減薄。因此，依據(jù)上面的推薦選擇了齒頂減薄后，應(yīng)再次計(jì)算微點(diǎn)蝕安全系數(shù)去保證使用了充足的齒頂減薄量，特別是對(duì)于HSS級(jí)。更精確的方法是A方法，它考慮了整個(gè)齒面上的壓力分布。于是，允許進(jìn)行更加詳細(xì)的修形優(yōu)化去得到最優(yōu)安全等級(jí)。

　　對(duì)使用ISO/TR 13989-1標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算膠合安全系數(shù)，使用同樣的原則。這里需要檢查膠合，特別是對(duì)于HSS級(jí)?；谶@些計(jì)算的結(jié)果，有可能需要重新設(shè)計(jì)齒頂減薄量。

　　計(jì)算KHβ：

　　應(yīng)根據(jù)ISO6336-1的附錄E計(jì)算KHβ(描述沿齒寬載荷分布平坦性的系數(shù))。

　　如果根據(jù)以上提到的過程設(shè)計(jì)了好的修形，那么在設(shè)計(jì)載荷下、并且不考慮制造誤差時(shí)，通常計(jì)算值KHβ<1.10。考慮制造誤差時(shí)，如，使用IEC61400-4提供的方法，典型的計(jì)算值KHβ<1.20。

　　總結(jié):

　　根據(jù)上面給出的原則，使用經(jīng)驗(yàn)、工程公式以及軟件的自動(dòng)參數(shù)變量，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)凝X輪修形。要求修形保證齒輪強(qiáng)度、保持低振動(dòng)以及保護(hù)齒面不出現(xiàn)膠合和微點(diǎn)蝕。齒輪修形設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)者有高的專業(yè)技能，在認(rèn)證期間以及使用滿功率試驗(yàn)進(jìn)行確認(rèn)是設(shè)計(jì)評(píng)審的重要部分。