舰艇柴油机传动齿轮优化设计

赵树培

(武警海警学院 机电管理系，浙江 宁波 315801)

0 引言

传动齿轮主要用于传递柴油机功率，是传递舰艇动力的一种方式。齿轮传动具有效率高、结构紧凑、传递功率的范围较大等优点，目前被广泛运用于舰艇上，已成为舰艇柴油机传动机械中不可缺少的传动部件。近年来，随着海警队伍的壮大，舰艇越来越多，大吨位舰艇不断增加，设备大型化新型化不断提高，但同时舰艇柴油机发生事故概率也逐渐增大。传动齿轮作为传递柴油机动力保持舰艇正常航行的重要零部件之一，其性能的好坏直接影响动力的传递[1]，需要经常维护保养，因此如何保证传动齿轮的质量非常重要。

国内外有很多专家对齿轮及其失效形式作了大量的研究。在国内，朱琪等[1]对齿轮失效的形式及原因进行了研究，并在齿轮失效的基础上分析出一些应对措施，可降低齿根处的应力集中，防止或延缓疲劳裂纹的萌生。蒋大健等[2]对齿轮在高速重载的工作条件下极易出现的各种损伤进行了深入研究，避免了齿轮长时间过载和突然受到外力。朱小旭等[3]从高速重载齿轮的热处理工艺方面进行优化研究，从齿轮断裂和金相组织等方面对失效机理进行了分析。在国外，许多专家对齿轮接触疲劳寿命、接触面校核等进行了有限元分析，通过对齿轮的表面进行处理，如齿面涂层、喷丸处理、改变齿轮齿面的结构等，提高了齿轮承载能力。

本文以海警某舰艇巡航中的一次维修事故为实例，利用Solidworks三维仿真软件对传动齿轮进行建模并进行有限元分析，提出优化设计方案，以便于提高机电部门管理人员对柴油机的使用管理水平。

1 三维建模

1.1 参数测量与计算

某型舰艇柴油机传动齿轮断裂情况见图1。

图1 某型舰艇柴油机传动齿轮断裂图

经测量，图1中齿轮的齿数为63，齿宽65 mm，压力角20°，齿顶圆直径为530 mm。根据《机械设计手册》，可得式(1)。

da=d+2ha=m(z+2)

(1)

式中：da为齿顶圆直径，da=530 mm；z为齿数，z=63；m为模数；d为分度圆直径；ha为齿顶高。

经计算，可得模数m=8.15。按国家标准，根据标准的模数系列，取m=8。

启动SolidWorks软件并新建一个零件文件，命名为“齿轮”，进入到模型的绘制页面，从草图开始，绘制模型。建模程序如下：

(1)点击草图，按照特征生成的先后顺序，绘制出平面几何图形。

(2)绘制齿轮的齿廓，在设计库中找到Toolbox的模块，以GB作为齿轮的标准，并在“动力传动”中点击“齿轮”即可出现多种齿廓的生成选项，右击“正齿轮”点击“生成零件”会弹出参数设计对话框。

(3)输入齿轮参数：模数8，齿数63，压力角20°，面宽65 mm，轮毂样式为类型A，标称轴直径165 mm，键槽无。

(4)点击完成，SolidWorks自动根据输入的参数生成齿轮零件，此时生成一个简单的齿轮模型[2]。

1.2 模型建立

在齿轮的基础上，根据测得的数据选择齿轮的前视面为基准面，以原点为中心在齿轮上绘制两个直径为450 mm和320 mm的圆，利用“拉伸切除”功能对两圆之间的部分进行切除，深度为25 mm。在齿轮的反面进行同样的操作，完成后得到齿轮的腹板部分。再利用“剪切”功能剪切小圆内的线，对小圆进行360°数量为4的草图阵列。任取两个对称的小圆，剪切该圆内的线并删除直径为400 mm的圆，选择“切除”，得到大小孔各两个。最后画出整个齿轮的中间部分，以原点为圆心分别画出直径为296、260、280 mm的圆作为齿轮中间齿廓的齿顶圆、齿根圆、分度圆，再根据式(2)计算齿厚。

s=πm/2

(2)

式中：m为模数，m=8；s为齿厚，mm。

经计算，可得齿厚s=12.56 mm。

以一条穿过圆心的竖直直线作为构造线，在分度圆与直线交叉的部分取距离6.28 mm的圆弧(齿厚的一半)，连接齿顶圆、分度圆和齿根圆得到半个齿廓，镜像后得到一个齿廓，通过圆周阵列后在齿根圆的基础上画出齿数为35的齿廓，切除不必要的线段，退出草图，进行拉伸操作。通过以上操作完成齿轮三维模型建立，见图2[3]。

图2 某型舰艇柴油机传动齿轮三维模型

2 优化分析

2.1 分析流程

无论分析的类型如何改变，模型有限元分析的基本步骤是相同的，见图3。

在SolidWorks的Simulation模块中选取“算例顾问”点击“新算例”新建一个“静应力分析”的算例对齿轮进行静应力分析。在Simulation中可以定义齿轮的材料，选用一种常用的齿轮材料17NiCrMo6应用到模型中。在“静应力分析”算例中右击“齿轮”的选择“应用材料”即可将这材料应用到模型中。在“静应力分析”算例中右击“夹具”并选择“固定几何体”，对标称轴进行完全约束，固定齿轮模型，就完全限制了模型的运动空间[4]。为使受力分析结果准确，根据传动齿轮的实际运动情况，施加外部载荷。齿轮的受力主要是由柴油机带动轴运动连同齿轮一起转动，将柴油机的功率转换为齿轮受到的外部载荷。柴油机的功率为4 550 kW，齿轮转速为750 r/min，查《机械设计手册》得式(3)。

T=9 550P/n

(3)

式中：T为柴油机轴扭矩；P为柴油机功率，P=4 550 kW；n为齿轮转速，n=750 r/min。

通过计算，可得扭矩T=57 937 N/m。

图3 基于SolidWorks软件的有限元分析流程图

在“静应力分析”算例中右击“外部载荷”并选择“扭矩”输入扭矩的大小，同时选取力矩的面及方向的轴。力矩的面为齿轮运动的任意时刻的齿面，力矩方向的轴为标称轴，施加外部载荷。然后，在算例中右击“网格”，选择“生成网格”。网格的密度可以通过滑杆调节，密度越大使用的时间也越多。网格参数选择标准网格，进行网格划分，见图4。

图4 传动齿轮模型网格划分图

2.2 结构与材料优化

点击“运行”对齿轮模型受力进行求解，在“结果”选择“应力”显示应力的大小，应力大小见图5。右击“结果”选择“定义安全系数图解”查看安全系数分析结果：第一个步骤选择“所有”，第二个步骤“乘数”为1，第三个步骤选择“安全系数分布”，点击完成即可查看安全系数，见图6。从图5和图6可以看出，该齿轮安全系数小于1，齿根处是有明显的最大变形量和最大应力的。最大应力为532 MPa，材料的屈服应力为295 MPa，也就是说明齿轮在工作的过程中齿根处是承受较大的载荷的，这些位置极易发生破坏[5]。

图5 传动齿轮(17NiCrMo6)应力分析图

图6 传动齿轮(17NiCrMo6)安全系数分析图

从图中可以看到最大应力值是腹板大孔的上方的齿根处，这与齿轮断裂位置相似，说明了在该位置出现了应力集中的现象可能是导致齿轮断裂的原因。基于上述分析，可以得出齿轮断裂的原因主要有以下几个方面：齿轮材料强度不足，使齿轮容易断裂损坏；齿轮结构设计不合理，腹板中大孔离齿根位置太近，容易导致应力集中。

齿轮的材料对保证齿轮的正常工作来说是非常重要的。材料的屈服强度过低，会使齿轮极易变形，失去正常的啮合，使之无法传动柴油机的动力，造成重大事故。图5和图6说明齿轮的强度不够导致齿轮弯曲变形。现根据齿轮的常用材料在SolidWorks数据库里选出强度符合要求、最小安全系数高的材料。通过逐一比较，最终选择41CrAlMo7，其屈服强度720 MPa，大于最大应力532 MPa，同时安全系数大于1且有一定的余量，能满足齿轮在舰艇上工作的强度要求，见图7。

图7 传动齿轮(41CrAlMo7)安全系数分析图

在原模型的基础上，材料仍采用17NiCrMo6。从舰艇上了解到齿轮在腹板开孔的原因除减轻齿轮重量外，还具有观察孔的作用，便于观察齿轮后方情况，同时在齿轮的安装和吊出过程中起着力点的作用。为了避免应力集中，保留开孔，保证其功能，决定将腹板中大孔缩小为30 mm同时两孔内移，避免孔与齿根部靠得太近造成应力集中。受力分析情况见图8，最大应力为515 MPa，也较图5有所改善。同时结合以上的成果，也将齿轮的材料和结构同时优化，并对其进行分析，见图8、图9。结果显示，齿轮的最大应力为515 MPa，最小安全系数为1.397，齿轮的受力情况和安全系数都有所改善[6]。

图8 传动齿轮结构改变后(17NiCrMo6)应力分析图

图9 传动齿轮结构改变后(17NiCrMo6)安全系数分析图

3 结语

本文以海警某舰艇柴油机传动齿轮断裂的实例为原型，借助SolidWorks对齿轮进行建模，并利用有限元分析方法分析齿轮断裂现象，从齿轮材料和结构两个方面进行分析并提出了相关优化措施。分析结果可以看出，通过改变齿轮的材料和结构，能起到改善齿轮受力和齿轮的安全系数的作用，保证齿轮的性能使其正常工作，其中改变齿轮材料的方法效果最明显，能大幅度地提高齿轮的性能。但同时改变齿轮的材料和结构对齿轮性能的提高效果更好，也为日后提高机电部门管理人员对柴油机的使用管理水平起到了一定的指导作用。