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鼓形修形

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如果安装具有相同额定功率的电驱动装置替代内燃机,主减速器会有什么变化?咋看之下,如果不是因为电驱动系统的能量管理,人们不会猜到主减速器的设计说明书发生了变化。

总结:

  • 电驱动装置进行能量回收时的高制动力矩会使得从动侧受到极大的载荷。
  • 对于因此而出现的位移,无法对小齿轮的轴承和主减速器的外壳进行最佳设计。
  • 要在这些条件下提供可用的承载轮齿接触,需要一种使用对现有位移极不敏感的Ease-Off进行齿面修形的新方式。
  • 盘形齿轮上的端部修缘和小齿轮上的扭曲相互作用,为改善成形双曲面齿轮组的从动模式创造了新方法。

插图1:主动面和从动面的啮合示例与轮齿受力

鼓形修形

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对主减速器进行调整的原因在于电动汽车的车载能量极低。例如,80 L柴油箱的能量为784 kWh,500 kg重的锂离子电池则只有75 kWh,而且其中仅55 kWh可用。因此必须节约使用车载电能。在制动过程中,并不是将车辆的动能转变为热量,而是让电机作为发电机工作。总重为2.5吨的车辆,其制动功率可达250 kW。车辆越重,制动功率就越高.

轮齿受力使得减速器变形

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这便是设计电动汽车准双曲面车桥的任务所在。以往将重点放在主动侧,即牵引模式;而现在,由于能量回收时的制动力矩很高,尤其要注意从动侧。插图1所示为轮齿受力对准双曲面齿轮传动装置的影响。在下面两个图中没有绘出小齿轮头部。作用于盘形齿轮的力用实线箭头表示,作用于小齿轮的反作用力用虚线箭头表示。

小齿轮凹面在主动模式下驱动盘形齿轮凸面。电机驱动力矩所产生的小齿轮轮齿法向力被盘形齿轮轮齿同样大的反力所抵消。作用于小齿轮的这个力可以分解到两个方向:一个是将小齿轮朝向小齿轮头部后面的圆锥滚子轴承挤压的轴向,一个是抵消轴线偏移的垂直方向。这是一种良性荷载情况,因为轴承和减速器外壳的预期变形会增大齿隙。此外,远离减速器中心(在插图1中向右)的小齿轮轴的轴向刚性远大于另一个方向。

在从动模式下,盘形齿轮的力正好在另一个方向作用于小齿轮。除了增大轴线偏移之外,还会将插图1中的小齿轮向左拉入到减速器中。

插图2所示为Ease-Off、由转矩引起的位移以及所产生的相应接触印痕。在主动模式下,若扭矩为1,000 Nm,则载荷引起的小齿轮位移为∆V= -0.21 mm和∆H= +0.29 mm。由于主减速器在负∆H方向的轴向刚性较小,在从动模式下,若扭矩为500 Nm,计算出的小齿轮位移为∆V= +0.16 mm和∆H= -0.35 mm。

插图2:Ease-Off、位移和接触印痕

插图3:位移后的Ease-Off和接触印痕

用于高制动力矩的新式齿面修形

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在从动模式下,如果载荷为500 Nm,则还在非临界范围内。以高制动功率进行能量回收时会产生更高的力矩。比如,如果制动功率为250 kW且车速为70 km/h,那么将在小齿轮上产生1,500 Nm的转矩。这会导致该减速器中出现ΔV= +0.3 mm和ΔH= -1.02 mm的位移。而这恰恰就是临界情况。齿隙将会变小,而且齿顶齿根间隙也会减小,在不利情况下会导致齿部卡住。利用足够大的齿面间隙和齿顶齿根间隙可以解决该问题。

在插图3中可以看出,从动侧的接触印痕是明显的边缘荷载,在靠近小端的小齿轮齿顶边缘处,压力最大值将近1,300 MPa。从动侧的齿面形状显然不适合在高载荷和相应的位移下确保合理的轮齿接触。

成形盘形齿轮上经过修形的齿面形貌

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Klingelnberg在多年以前就已开发出鼓形修形方法,可以仅对齿端进行Ease-Off修缘。就小齿轮而言,虽然可以利用变性展成或螺旋运动等附加运动来修整齿面,但效果或多或少会在对角线方向穿过齿面。可以利用鼓形修形,在非展成盘形齿轮上进行垂直于齿根的单纯端部修缘。

鼓形修形不仅可用于连续的面滚切法,也可用于单齿分度的面铣削法。为了便于理解,以切入后的面铣削盘形齿轮为例解释鼓形修形方法。

非展成盘形齿轮的齿槽形状是刀具的映像,在这种情况下就是砂轮。可以通过四个设定参数描述刀具和工件之间的相对位置,即所谓的切入位置,如插图4所示。

插图4.1:切入位置

插图4.2:修形切入位置

这四个参数是深度X、径向线S、将径向线从绘图平面旋转出来的摇台角q以及底角   。首先用非修形切入位置生成齿槽,接着使用修形切入位置,从而得到齿端修缘,如插图5右上方所示。就鼓形修形来说,现在计算多个修形切入位置,并通过平滑运动将其相互连接。这样即可获得没有折点、连续增大的齿端修缘,如插图5的右下部分所示。

该示例所示为大端处的齿端修缘。但同样可以在小端处进行齿端修缘。可以将鼓形修形用于设计带有准双曲面齿轮传动装置的、其高制动力矩会导致过度位移的电驱动系统。

插图5:修形切入位置的影响

盘形齿轮端部修缘与小齿轮扭曲相结合

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如插图3所示,需要进行齿面修形,将接触印痕从齿根朝向齿高的中部移动,同时防止延伸到小端。显而易见,在无载荷的状态下,必须存在旋转误差尽可能小的有利轮齿接触。

插图6所示为开发Ease-Off的步骤。首先利用修形运动,在从动侧的Ease-Off中引入强烈的扭曲。这涉及小齿轮齿面。目的就是将接触印痕从盘形齿轮的齿根朝向齿腰移动。接着利用鼓形修形对小端处进行齿端修缘。最后适当调整螺旋角和啮合角,使得无载荷的接触印痕处在大端齿顶区域中。在示例中,这种Ease-Off开发途径在主动和从动模式下会生成极小的无载荷旋转误差以及没有边缘承载的接触印痕。

插图6:Ease-Off开发步骤

插图7:优化后的齿轮组

问题已解决

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插图7所示为使用Klingelnberg的KIMoS系统实现的优化结果。

Klingelnberg铣床和磨床能够使用此类机床设定以面滚切或面铣削法铣削锥齿轮,或是以面铣削法磨削锥齿轮。

乍看之下,Ease-Off很不寻常,但它具有所有必要的特性。主动模式和从动模式下的无载荷旋转误差都低于25 µrad。无载荷接触印痕完全限制在齿面之内。尽管位移过大,但是接触印痕没有边缘承载,压力最大值也在不会导致点蚀损伤的范围内。

鼓形修形的想法萌芽诞生于1994年,经过多年发展已演变为成熟的加工方法,与修形运动配合使用可以进行齿面修形,即使在以前不存在的非常大的位移的情况下,也能实现良好的轮齿接触。就汽车电驱动技术领域的应用而言,该方法是成功设计减速器的必要前提条件。